原子——分子說

從氧化說建立到新世紀到來之前的20余年時間內(nèi)，化學又取得了一些新進展，如：又相繼發(fā)現(xiàn)了鉬、碲、鎢、鈦、釔、鉻、鈹?shù)刃略兀环▏瘜W家雅.查理(1746-1823年）于1785年發(fā)現(xiàn)了氣體的膨脹定律；1791年，康德的學生德國化學家李希特爾(1762-1807年）發(fā)現(xiàn)了酸和堿的中和定律以及當量定律；法國化學家普呂斯(1754-1826年）于1799年發(fā)現(xiàn)了化學反應(yīng)的定比定律。這些新定律的發(fā)現(xiàn)，對化學的進一步發(fā)展有重要的實驗意義。

到了18世紀末和19世紀初，由于人們在實驗化學與理論化學中相繼取得的新發(fā)現(xiàn)和新進展，人們越來越突出地感到這樣兩個問題：其一，氧化學說并不能解釋一切化學現(xiàn)象；其二，應(yīng)當探索化學反映的本質(zhì)。當新世紀到來時，對于包括化學在內(nèi)的整個自然科學來說，新的科學革命不但早已具備了一種歷史必然性，而且也逐漸具備了一定的現(xiàn)實可能性。

古希臘哲學家認為，世界本是由原子組成的，文藝復(fù)興后原子論又開始復(fù)興。這對當時的科學產(chǎn)生了廣泛而深遠的理論。在早期近代科學中，波義耳的"火粒說"和牛頓的"微粒說"明顯受到古希臘原子論的啟迪。在晚期近代科學發(fā)展時期，古希臘原子論孕育出來的第一個理論成果是康德的天體演化說，它所孕育出來的第二個理論成果是道爾頓的化學原子論。

道爾頓(1766-1844年）生于英國坎伯蘭的一個貧困的山村。1799年，開始進行專門的化學研究，1801年，道爾頓在一些氣體分析實驗中，發(fā)現(xiàn)了氣體的擴散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了氣體的熱膨脹定律和分壓定律，正是從這里出發(fā)，使道爾頓最終走向了有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學反應(yīng)的原子論。

道爾頓為建立化學原子論所作的直接研究，始于1803年。1803年9月6日，他在筆記中寫下了原子論的要點：

①原子是組成化學元素的、非常微小的、不可再分割的物質(zhì)粒子。在化學反應(yīng)中，原子保持其本來的性質(zhì)。

②同一元素的所有原子的質(zhì)量以及其他性質(zhì)完全相同。不同元素的原子具有不同的質(zhì)量以及其他性質(zhì)。原子的質(zhì)量是每種元素的原子的最基本特征。

③有簡單數(shù)值比的元素的原子結(jié)合時，原子之間就發(fā)生化合反應(yīng)而生成化合物。化合物的原子稱為復(fù)雜原子。

④一種元素的原子與另一種元素的原子化合時，它們之間成簡單的數(shù)值比。

在9月6日提出原子論的要點之后，在同月內(nèi)，他即根據(jù)當時一些化學家對一些化合物分析的結(jié)果，并試用以氫的原子量為單位，初步計算出了氧、氮、硫、碳等元素的原子量。與此同時，他還創(chuàng)用不同的圓型符號，用來表示不同的元素的原子。由于當時尚未建立化合物的分子理論，道爾頓還提出了復(fù)合原子的概念，并試用各種圓型符號的規(guī)則組合來表示化合物的復(fù)合原子。這種表示方法，實際上是后來出現(xiàn)的分子式的先驅(qū)。

1803年10月21日，道爾頓在曼徹斯特文哲會上宣讀了《論水對氣體的吸收》的論文，首次報告了他的化學原子論的要點，公布了他所編制的第一個原子量表，以及說明為何用原子論來解釋物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)。同年10月10日至11月13日這段時間內(nèi)，他在筆記中記載了氧化氮與空氣的混合實驗，試圖用來證實他的原子論。1804年以后，道爾頓又進行了沼氣(甲烷）和油氣(乙烯）的化學成分的分析實驗。他發(fā)現(xiàn)，甲烷中的碳與氫之比是4.3：4；而乙烯中的碳與氫之比是4.3：2。他由此推論出碳與氫化合的比例關(guān)系，并由此發(fā)現(xiàn)倍比定律：即相同的兩元素生成兩種或兩種以上的化合物時，若其中一種元素的重量不變，則另一種元素在其他化合物中的相對重量為2：1。他認為，倍比定律很像是他的原子論的一個推論，也可以看作是他原子論的一個重要證明。1807年，英國化學家湯姆遜(1773-1852年）在他的《化學體系》一書中，向人們詳盡地介紹了道爾頓的原子論。同年，道爾頓著手撰寫他的主要化學著作《化學哲學的新體系》，該書的第一卷于1808年正式出版，道爾頓把他的原子論的主要實驗和基本理論寫入這一著作中，這樣，道爾頓的化學原子論即由此正式問世。

道爾頓的原子論的建立，是繼拉瓦錫的氧化學說建立以后，在理論化學中所取得的最重大的進步，它對當時的科學和哲學都具有重大的意義。在科學上，原子論首次揭示出了原子這一化學現(xiàn)象的物質(zhì)載體，揭示出了一切化學現(xiàn)象不過是原子的運動這一化學本質(zhì)。由于原子論揭示了化學的這一核心和本質(zhì)，化學才真正明確自己的研究對象，才真正奠定自己的科學基礎(chǔ)，化學也才真正成為科學。在哲學上，由于原子論以元素的原子量為元素的本質(zhì)屬性，這就初步揭示出了化學變化中的質(zhì)與量的關(guān)系，揭示出了化學反應(yīng)中的本質(zhì)與現(xiàn)象的關(guān)系，并由此初步揭示出元素的內(nèi)在聯(lián)系及其相互關(guān)系。因此，在繼天體演化學說誕生之后，原子論又一次沖擊了當時僵化的自然觀，同時，對于科學方法論的發(fā)展，對于辯證自然觀的形成，乃至對后來的整個哲學認識論的發(fā)展，也都具有重要意義。

原子論的建立，極大地推動了化學以及與化學相關(guān)的一些學科的發(fā)展，自此以后，化學及相關(guān)學科發(fā)展迅速。由于原子論的建立，導致了意大利物理學家阿佛加德羅(1776-1856年）的分子論的建立；導致了瑞典化學家貝齊力烏斯(1779-1848年）等人所進行的元素的原子量的測定工作；導致了后來門捷列夫(1834-1907年）的元素周期律的發(fā)現(xiàn)。因此，原子論為19世紀初理論化學進入新的發(fā)展時期的一個偉大的開端。正如恩格斯所說："化學中的新時代是隨原子論開始的。"

原子論提出后不久，法國化學家蓋——呂薩克(1778-1850年）研究了各種氣體物質(zhì)反應(yīng)時的體積關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)，氣體物質(zhì)化合時，體積上有簡單的整數(shù)比關(guān)系，如：氫與氧化合成水時，體積比為2：1；一氧化碳和氧氣化合時，體積比為2：1；氮氣與氫氣化合時體積比為1：3；氨與氯化氫化合時，體積比為1：1等。1808年，他根據(jù)原子論所揭示的"化學反應(yīng)中的各種元素的原子以簡單數(shù)目相化合"這一結(jié)論作出如下推論：不同的氣體在同等體積中所含有原子數(shù)成簡單的整數(shù)比；而不同的氣體在化合時，它們的體積也成簡單的數(shù)值比；在相等的體積中，氣體元素的重量正比于它的原子量。

呂薩克認為，自己所發(fā)現(xiàn)的氣體反應(yīng)的體積定律是對道爾頓的原子論的一次有力論證，而道爾頓卻反對他的定律，認為如果按照呂薩克的定律，在相同體積中不同氣體的原子數(shù)目相同，那么既然1體積氮與1體積氧化合生成2體積的氧化氮，則每一氧化氮原子中就應(yīng)只含半個氧原子和半個氮原子，這與原子論中"簡單原子不可分割"是完全對立的。道爾頓認為，這是呂薩克定律的實驗基礎(chǔ)不夠確切。而證明呂薩克的氣體反應(yīng)的體積定律正確無誤的是意大利物理學家阿佛加德羅。

阿佛加德羅于1811年發(fā)表了一篇論文，論述了關(guān)于原子量和化學式的問題，他以呂薩克的實驗為基礎(chǔ)，進行了合理的推理，首次引入了一個與原子概念既有聯(lián)系又有區(qū)別的分子概念。他認為，所謂原子是參加化學反應(yīng)時的最小質(zhì)點，所謂分子是在游離狀態(tài)下單質(zhì)或化合物能獨立存在的最小質(zhì)點。分子是由原子組成的。同種元素的原子結(jié)合成的分子即為單質(zhì)，而不同元素的原子結(jié)合的分子即為化合物。

在分子概念的基礎(chǔ)上，他提出了分子論，主要內(nèi)容是：

①分子是物質(zhì)具有獨特性質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一個基本層次，無論是單質(zhì)還是化合物，在其不斷被分割的過程中，都有一個分子階段。

②單質(zhì)的分子可由多個原子組成。

③在同溫同壓下，同等體積的氣體含有同等數(shù)目的分子。

他的分子論使道爾頓的原子論與呂薩克的氣體反應(yīng)的體積定律在新的理論基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來，從而成為化學和物理學的統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)的原子——分子論。

阿佛加德羅以原子——分子論為依據(jù)，測定了氣體物質(zhì)的原子量和分子量，并確定了化合物中各種原子的數(shù)目。他根據(jù)氣體反應(yīng)時的體積比，確定了氨分子的組成為NH3(道爾頓錯誤地定為NH），水分子的組成為H2O(道爾頓錯誤地定為HO），這些結(jié)論都是正確的。但他的正確思想并未被當時的化學界和物理學界所承認和重視，反而被冷落了大約半個世紀，主要原因是由于當時的科學的發(fā)展還不足以對分子作出系統(tǒng)的、明確的論證。