道爾頓和他的化學原子論
      
   
到了1808年,一位英國的中學教師J·道爾頓(John Dalton1766-1844)以他非凡的科學洞察力對當時知名的幾條化學定律提出解釋。這就是後來為人們所熟知的原子論。隨著化學家對物質結構越來越了解,道爾頓的某些觀點雖然應該放棄,但他的理論的實質受了考驗。

道爾頓是織布工人的兒子,沒有受過正式教育。從十四歲開始當小學教師助手,後來終身當教師。青年時期他愛好氣象科學,從事過新聞寫作。1794年道爾頓在曼徹斯特《文哲學上》上發表演說,後來他整個科學活動都與這個學會聯繫在一起。

道爾頓(1766-1844

由道爾頓引進的原子學說是科學發展上最重要的里程碑之一。道爾頓使物質由原子組成這一概念成為現實的、有用假說的。他給元素指定符號並將符號結合起來成為化合物。另外,他製作了14種元素的原子量表。雖然他指定的符號後來為貝采堹Q斯所修正,但是卻比煉丹家的形象文字前進了一大步。

道爾頓在《化學哲學新體系》這一著作中發表了他的學說。他建立了一定元素的原子完全相同而且它們都具有相同質量的理論。他選定氫,最輕的元素,作為原子質量的標準。他指定氫原子的質量為單位質量並且以氫原子的質量作為其他原子質量的基準。

值得注意的是,道爾頓雖然遭受了紅綠色盲症折磨,但他仍然做出了這樣多的科學觀察和貢獻。

按照道爾頓的假說,元素是由原子組成的,同一種元素的所有原子都相同。並且說化合物是由一定數目的某一元素的原子與一定數目的另一元素的原子化合而成(或一般說來是由兩種或兩種以上元素的原子各按一定數目化合而成)。這樣就對物質不滅定律和定比定律作出了簡明解釋。

道爾頓還提出另一定律 倍比定律。該定律表明:當兩種元素化合物形成一種以上化合物時,則與同一重量甲元素化合的乙元素,在各種化合物中的重量比,形成簡單整數。這就清楚地表明了化合物中有分立的不連續的值。它是原子學說的有力證明。定比定律的發現,是道爾頓原子學說的第一個偉大勝利。這一定律不是由實驗結果得出而是由道爾頓先從理論導出,再經實驗證明的。在研究碳化氫(甲烷)和烯烴(乙烯)的粒子重量時,他觀察到與一定重量的碳相化合的氫在甲烷中的兩倍等於乙烯中的氫重。隨著時間的繼續,道爾頓在其他化合物中也發現了類似的關係。1808年湯姆遜對草酸鉀和草酸的觀察,武拉斯頓對硫酸鉀和硫酸的觀察,都注意到可得到兩種鹽,一種鹽中所含酸根的量是另一種鹽中的二倍。但是他們沒有能力用原子說清楚地表明這一種關係。

道爾頓曾設計一整套符號來表示他的理論。大概由於這套符號都有鮮明的圖像的緣故,令道爾頓原子學說得到推廣。道爾頓認為原子全是球狀,所以他設計的原子符號都是一些圓圈,圖上還有各種線、點和字母,用來表示不同的原子。這些符號滿意地起到了一個原子的模型作用,現在通常稱之為道爾頓檯球式原子模型。圖91出示了道爾頓為表示某些元素的原子和化合物的分子式所採用的一些符號。這些符號由於不便印刷和書寫被貝采堹Q用字母所表示的符號所代替了。然而道爾頓的用一個符號表示一個原子的概念仍然被保存了下來。

道爾頓於1803年左右所用的原子符號和分子式

(其中有些化學式是錯誤的)

道爾頓的原子說,正如羅塔·邁爾(Lothor Meyer)所說,是那麼簡單,以致“一眼看去,並不顯眼”。關於物質由原子組成的學說,道爾頓從來沒有認為是他的首創。然而如果把古代原子論和道爾頓的近代原子論加上比較,就會發現它們之間有很大的區別,古代的和過去的原子論都認為各種各樣的物質(例如水和鐵)的原子,本質都是相同的而形狀不同罷了。他們認為水的原子圓而光滑,相互之間可以滾來滾去,而鐵的原子都是粗糙不平,所以能牢固地一起成一種堅硬的固體。而道爾頓卻認為這些原子在本質上也是不同的。並且和元素的概念聯繫起來,說元素是由原子構成的。有多少種元素就有多少種原子,同種元素的原子大小重量都相同,特別強調了重量,也就是每種元素的原子量都相同。道爾頓的原子論雖然也是一種假說,但是這樣一種定量的科學理論同古希臘的模糊的推測之間有根本的區別。

從道爾頓的時代來看,他顯然無法決定原子的絕對重量,然而利用了當時的分析實驗,他提出了測定原子的相對重量,也就是原子量的任務。道爾頓在1808年介紹原子理論的文章中寫道:“這項工作的一個偉大目標就是要表明確定終極粒子相對重量的重要性和好處”。但是道爾頓面臨著嚴重的困難。大家知道,在已知化合物的組成元素重量百分比的情況下,要想求得組成元素的原子量必須先知道化合物的分子式。亦即化合物的原子個數比。此外,還必須指定一種元素的原子量作為參考和比較的標準。道爾頓面臨著分子式和原子量都不知道的嚴重困難。因氫氣最輕,所以指定氫的原子量為1作為比較標準,這是可以理解的。

道爾頓為測定兩元素化合時的原子個數比作出一假設。假設原子總是以最簡單的形式化合,例如:當兩種元素只形成一種化合物時,他認為在大多數情況下,這種化合物是二元的,也就是說是由一個A原子和一個B原子組成的,如果兩種元素形成兩種化合物,他認為比較普遍的化合物是二元的,第二瘋PO三元的——由三個原子組成,為A2BAB2;如果形成三種以上的化合物,如氮的氧化物,就需要考慮到四元,或更高元的化合。以上所說的便是所謂道爾頓的“最簡化原理”。

因為水是那時人們已經知道的唯一的氫和氧的化合物,道爾頓認為它是二元化合物(HO),從我們時代的優越地位看,道爾頓明顯是錯了。但這卻指出一個方向,明確一個開端。利用拉瓦錫的有關水中含85%的氧和15%的氫的分析結果,道爾頓計算了氧的原子量為5.66,當對水做了更準確的分析後,他指定氧的原子量為7

在對氮的氧化物進行研究時,道爾頓推斷:“硝化空氣”最輕,是二元化合物(NO);根據密度和分析資料,他把“氧化亞氮”或笑氣定為三元化合物,分子式為N2O;他也把稱為硝酸的棕色氧化物定為三元化合物,分子式為NO2。由於使用了分析資料和氧的原子量,使他在當時能夠確定氮的原子量。對於常見元素的氧化物和氫化物進行類似的推理,使他能夠確定其他元素原子量數值。

1808年道爾頓在《化學哲學新體系》第一卷中發表了他的新原子量表和元素符號,其中包括14種元素。

9-1 道爾頓於1808年所發表的原子符號和原子量

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