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标  题: 第十六章 阿夫加德罗常量背后的辛酸
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年04月07日21:03:06 星期一), 站内信件


 

  

                  第十六章  阿伏伽德罗常量背后的辛酸

    ——被长期摈弃的分子论

    1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗（A．Avogadoro，1776－1856）提出了分
子学说。这一学说被长期摈弃，冷落了50年之久。这段化学发展史的曲折，很是发
人深省。

    （一）

    化学进入19世纪，  出现了突飞猛进的形势。  1803年，  英国化学家道尔顿
（Dalton，1766－1844）发表了著名的原子学说。他认为，自然界存在着不可分割
的原子。不同元素的原子具有不同的质量。原子各以简单整数比结合成化合物。这
一学说的核心是每一元素的原子以其原子质量为其特征。道尔顿引入了原子量的概
念。原子学说合理解释了当时已知的化学现象和有关的化学反应重量关系定律，所
以原子学说迅速为当时的化学界所承认。这一学说，对化学的发展，做出了巨大的
贡献。但限于当时科学发展的水平和认识上的局限性，它还存在着不准确的地方。
他忽视了原子和分子的区别，认为单质都是同类原子的推积。单质在不断分割过程
中，不存在分子这一层次。只有化合物才是分子（道尔顿称为复杂原子）的组合。
这一错误论断，给后来的化学发展带来了意想不到的巨大困惑。原子学说既然认为
原子具有特征重量，并且它们以简单整数比相化合，那么，理所当然地测定原子量
和确定分子式，就成为原子学说进一步发展的必然趋势了。后来，原子学说的遭遇
和分子学说的建立，始终是和这两个问题联系在一起的。很清楚，单是根据分析化
合物的质量百分比，来同时确定原子量和分子式是不可能的。只有这两者之一是已
知的，才能确定另一个。但是在19世纪初，这两者对化学家都旧未知的，道尔顿主
观地假定了一个“最大简度原理”，认为如果两种元不只形成一种化合物，在该化
合物的分子中，只含有每种元素的一个原子等等。在1805年，水是唯一已知的氢和
氧的化合物。 所以水的分子式被定为HO。如果以氢的原子量等于1为标度，则氧的
原了量为8。 道尔顿根据他的假设，把一些化合物的分子式确定错了。随之，原子
量也都计算错了。至此，原子学说遇到了难以解决的困难。这给化学的发展也造成
了相当长时期的混乱。

    当原子学说在原子量和分子式问题上遇到困难的时候，法国化学家盖．吕萨克
（Gay Lussac，1778－1805），于1808年发表了气体反应体积关系定律。他指出：
在相同温度、压力下，气体反应中各气体体积互成简单整数比。他引用原子学说认
为，可能由于化合时的原子整数比，才形成了体积的整数比。即两种化合气体的体
积比和组成它们的原子数目比是致的。据此，他武断地提出了一个假说，在同温、
同压下，同体积的不同气体都含有相同数目的原子。他这种假定，暗示着气体单质
都是单原子分子。如果事情真是如此，就可以立即得出，两种元素的原子量之比，
恒等于它们同体积气态单质的质量比。这一结论，很不确切，在我解决分子式问题
上，遇到很大困难，并遭到道尔顿的坚决反对。因为这一假说成立，那必然要导致
半个原子的存在。例如，合成的水分子中，就会存在半个氧原子。因为两体积氢气
和一全积氧气化合，合成两体积水蒸气。存在半个原子，这是直接违背道尔顿原子
学说的。
    1811年意大利物理学家阿伏伽德罗，在盖．吕萨克假说的基础上，进行了合理
的推量，引入了分子概念。他假设气态元素可以由多原子分子组成，并把它和原子
区别开来，成功地使分合体积的数据和原子不可分的概念统一起来。他认为，无论
是化合物还是单质，在不断被分割过程中，都存在一个分子阶段。并指出：在同温、
同压下，同体积的任何气体，都含有相同数目的分子。值得指出的是，他认为各种
气态单质分子一般都是双原子分子。这是他失误之处。阿伏伽德罗的学说，使半个
原子的矛盾，迎刃而解。一种化合物分子中的不同原子数目比，就是分子式，由形
成该化合物的各气态单质的体积比求得。要测定分子量，只要把它变成气体，测定
它的密度就可以了。根据分子式、分子量，当然就可以得到原子量。可以看到，这
些讨论，都昌对气态物质而言的。但是无论如何，阿伏伽德罗把原子学说和气体反
就关系定律统一起来，使原子学说摆脱了困难，并使其进一步发展了。其实，稍微
推广阿伏伽德罗的结论，不但可以完满地解决当时迫切的原子量问题，而且还会有
力地推动化学的迅速发展。我们只要想一想阿伏伽德罗常数在化学中的重要性，就
可以理解它的重要作用了。但分子学说和阿伏伽德罗定律，竞没有得到当时化学界
和物理界的承认。英国、法国和德国的科学家们都不相信阿伏伽德罗的理论。这一
理论被冷落以致被埋没了50年，在自然科学史上也是罕见的。他生前没有多大名望。
他在化学上却贡献很大。但法国巴黎科学院和英国皇家学会，都没有推荐他任院士
或会员。





    （二）

    分子论被冷落的原因是多方面的。这固然受到当时科学发展水平的限制。当时
所知道的气体或空易气化的物质还不多，用来测定物质基本量而收集到的可靠数据
多属于不易挥发的无机化合物。对分子量测定很关重要而易挥发的有机化合物，在
当时时只是刚刚开始研究。作为客观原因，也和当时人们的注意力多是集中在原子
量的测定，而对分子量的测定还不那么迫切有关。但是，我们要充分认识到，当时
对化学影响很大的形而上学思想和形而上学的自然观，严重地阻碍了人们对分子学
说的承认和肯定。情况大致是这样的：当时化学界的权威道尔顿和瑞典化学家贝采
里乌斯（Berzelius， 1779－1848）都强烈地反对分子学说。贝采里乌斯的关于分
子构成的电化二元论占据着统治地位。当时有一个法国科学家高丁（Gaudin，1804
－1880）曾对分子学说有着深刻的理解，并写过支持分子学说的文章。但由于贝采
里乌斯在化学界的威望很高，后来高相竟然也认为分子学说是错误的。在这种环境
下，分子学说的命运就可想而知了。
    贝采里乌斯的二元论认为，各种原子都有两极。一极带正电，一极带负电。但
一个原子上两极所带的电，其强弱并不相等。有的负电多于正电，总的看来显负电
性；有的则正电多于负电，总的看来显正电性。由于不同原子（包括复杂原子）带
不同的电性，因而产生吸引力，由此形成化合物。例如，钾（＋）和氧（－）可以
生成氧化钾。硫（＋）和氧（－）可以生成硫酸。氧化钾（＋）和硫酸（－）可以
生成硫酸钾。贝采利乌斯这一套理论叫做电化二元论。它虽然从一个侧面反映了物
质相互化合的一些事实，但它的片面性是非常明显的。它不是从结构上讨论分子的
形成，而是把各种物质纳入他的正负电二元论中，用一种模式企图概括所有物质的
合成，结果出现牵强附会的现象。根据贝采里乌斯学说，同一元素的原子必然荷相
同的电性，彼此是互相排斥的。因而单质是不可能形成多原子分子的。他激烈反对
分子学说。其实，贝采里乌斯并没有真正理解物质化合成键的本质，这是显而易见
的。化学界在贝采里乌斯理论的统治下，分子学说被认为是错误的。很多化学现象
用分子学说来说明本来可以轻而易举，但竟被弃而不用，甚至被人们遗忘了。许多
人放弃了分子学说，继续致力于原子量的测定。在以后的年代里，分析技术虽然有
了很大的发展，也发现了一些与测定原子量有关的定律。但因分子式问题没有得到
解决， 原子量的测定一直处于困境。法国化学家杜马（Dumas，1800－1884）竟荒
唐地主张有机化学和无机化学应各有自己的原子量系统。在这种情况下，很多化学
家宁用由实验直接得来无误的当量，而不用莫衷一是的原子量。分子式的情况，也
众说纷纭。HO既可以代表水，又可以代表过氧化氢。C2H4既可可代表甲烷，也可能
代表乙烯。反之，一种物质又可以有很多种分子式。这种情况一直延续了几十年。
1839年杜马由醋酸制出了三氯醋酸。在这里，醋酸中正电性的氢，竟被负电性的氯
所取代，产生的物质，其性质并没有多大变化。杜马说：我所发现的事实与贝采里
乌斯的电化理论相矛盾。坚持电化理论的人反对杜马的取代学说。杜马的实验以及
后来的大量实验事实，动摇了电化理论。由此，分子学说的复兴和最后确立，额观
上才成为可能。 而这一切功绩应该归于意大利化学家康尼查罗（Cannizaro，1826
－1910）。他在分子学说的确立上，起到了决定性的作用。但这已经是1860年的事
情了。他进一步阐明了分子学说，对盖．吕萨克等人错误，一一加以澄清，并为确
定原子量提供了一个非常合理的途径。 德国化学家迈耳 （Meyer， 1830－1895）
1864年在他所著的《近代化学理论》一书中对分子学说积极给予推荐。因此，分子
学说逐渐得到了世界范围的承认。

    （三）

    分子学说的建立，经历了半个世纪。这段历史，给了我们许多有益的启示。在
自然科学发展史上，一种新理论的创建，由于认识的、历史的多种原因，境遇往往
是很不同的。阿伏伽德罗的分子学说是适应原子学说进一步发展的一个历史必然步
骤，但却长期被世人摈弃。机械唯物论有一个很突出的特征就是把人们的一些认识
绝对化。贝采里乌斯的电化理论反映了化合现象的某些规律性，有其历史的价值。
当时共价键的理论还没有被阐明。虽是如此，但企图把一切化合作用都看成为盐的
生成模式，以偏概全，就必然导致理论上误入歧途。原子学说是具有划时代意义的
成就，它为近代化学发展奠定了基础。道尔顿在原子学说方面的正确思想一旦为主
观主义的“最大简度原理”所束缚，在理论上就无法向前推进一步。他的这种“原
理”不能不说是受了他本人形而上学思想的限制。
    人们的认识是一个历史的过程。由于受科学发展水平和思想方法的限制，人们
不能简单地、直线地揭示出某些特定过程的客观规律性。一种理论，通过曲折的道
路才最后得到确认，这是可以理解的。但我们也明显地看到，科学一旦离开辩证唯
物主义哲学思想的指导，就往往会导致令人惋惜的后果。当我们有意识地运用正确
的思想来指导我们的实践时，就可以避免那些历史曲折，使我们对客观物质世界的
认识，达到自由王国的彼岸。



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