《人類科學技術史-254》原子--分子說

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，化學又取得了一些新進展，如：又相繼發現了鉬、碲、鎢、鈦、釔、鉻、鈹等新元素；法國化學家雅.查理(1746-1823年）于1785年發現了氣體的膨脹定律；1791年，康德的學生德國化學家李希特爾(1762-1807年）發現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年發現了化學反應的定比定律。這些新定律的發現，對化學的進一步發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現和新進展，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象；其二，應當探索化學反映的本質。當新世紀到來時，對于包括化學在內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，文藝復興后原子論又開始復興。這對當時的科學產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，發現了氣體的擴散現象，發現了氣體的熱膨脹定律和分壓定律，正是從這里出發，使道爾頓最終走向了有關物質結構和化學反應的原子論。

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、不可再分割的物質粒子。在化學反應中，原子保持其本來的性質。

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

③有簡單數值比的元素的原子結合時，原子之間就發生化合反應而生成化合物。化合物的原子稱為復雜原子。

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值比。

在9月6日提出原子論的要點之后，在同月內，他即根據當時一些化學家對一些化合物分析的結果，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，道爾頓還提出了復合原子的概念，并試用各種圓型符號的規則組合來表示化合物的復合原子。這種表示方法，實際上是后來出現的分子式的先驅。

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的化學結構和化學性質。同年10月10日至11月13日這段時間內，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。他發現，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系，并由此發現倍比定律：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象的物質載體，揭示出了一切化學現象不過是原子的運動這一化學本質。由于原子論揭示了化學的這一核心和本質，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，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屬性，這就初步揭示出了化學變化中的質與量的關系，揭示出了化學反應中的本質與現象的關系，并由此初步揭示出元素的內在聯系及其相互關系。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的一些學科的發展，自此以后，化學及相關學科發展迅速。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）的元素周期律的發現。因此，原子論為19世紀初理論化學進入新的發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反應時的體積關系，他發現，氣體物質化合時，體積上有簡單的整數比關系，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，他根據原子論所揭示的"化學反應中的各種元素的原子以簡單數目相化合"這一結論作出如下推論：不同的氣體在同等體積中所含有原子數成簡單的整數比；而不同的氣體在化合時，它們的體積也成簡單的數值比；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，自己所發現的氣體反應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不夠確切。而證明呂薩克的氣體反應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年發表了一篇論文，論述了關于原子量和化學式的問題，他以呂薩克的實驗為基礎，進行了合理的推理，首次引入了一個與原子概念既有聯系又有區別的分子概念。他認為，所謂原子是參加化學反應時的最小質點，所謂分子是在游離狀態下單質或化合物能獨立存在的最小質點。分子是由原子組成的。同種元素的原子結合成的分子即為單質，而不同元素的原子結合的分子即為化合物。

在分子概念的基礎上，他提出了分子論，主要內容是：

①分子是物質具有獨特性質的物質結構的最小單位，是物質結構中的一個基本層次，無論是單質還是化合物，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的體積定律在新的理論基礎上統一起來，從而成為化學和物理學的統一的理論基礎的原子——分子論。

阿佛加德羅以原子——分子論為依據，測定了氣體物質的原子量和分子量，并確定了化合物中各種原子的數目。他根據氣體反應時的體積比，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展還不足以對分子作出系統的、明確的論證。