原子理论...原子学说

道尔顿的原子论标志着现代化学发展的开端。因为化学作为一门重要的自然科学,它要解释的现象的本质是原子的结合和分裂。道尔顿的理论抓住了这个核心和本质,通过原子的组合和分裂,主张各种化学现象和化学规律之间的内在联系。因此,它在广度和深度上都超过了燃烧的氧化理论。

我们要理解道尔顿的原子论,追溯到古希腊的原子论。古希腊哲学家留基伯首先提出了原子学说,经过他的学生德谟克利特的进一步发展,形成了欧洲最早的朴素唯物主义原子论。德谟克利特认为,宇宙万物都是由世界上最小的、坚硬的、不可穿透的、不可分的物质粒子组成的,他称之为“原子”。他认为原子在本质上是相同的,只是形状和大小不同。万物之所以不同,是因为万物的原子在数量、形状和排列上不同,也是因为万物的原子在数量、形状和排列上不同。人们认为原子总是在不断运动,运动是原子本身的本性。无数的原子在空间中不断运动、碰撞,形成世界及其事物。月亮、太阳和星星都是由原子构成的,甚至人类的灵魂也是由原子构成的。因此,德谟克利特的原子论论证了世界的物质性,对自然界提出了大胆而富有创造性的推测,深刻地解释了物质结构,肯定了运动是物质的属性,具有重要的意义。

德谟克里特斯的原子论从一开始就遭到柏拉图和亚里斯多德的强烈反对,直到1650年才被意大利物理学家伽森狄重新提出,并得到牛顿的支持。那是在意大利物理学家通过实验证明真空可以存在之后。伽森狄认为原子在真空中运动。他用原子的形状和大小来解释物质的各种性质:例如,热是由微小的圆形原子引起的;冷是由棱角分明的金字塔形原子产生的,所以冷得让人发麻等等。博伊尔也有类似的观点。他认为构成自然的物质是用物理方法无法分离的小而密的粒子。粒子组合成更大的粒子团,粒子团是参与化学反应的基本单位,其大小和形状决定了物质的物理性质。

牛顿继承和发展了波义耳的化学思想,从力学的角度发展了物质结构和粒子的理论。牛顿认为物质是由微小的粒子组成的,它们通过某种力量相互吸引,尤其是当粒子直接接触时。当粒子间距较小时,这个力可以使粒子发生化学反应;当粒子之间的距离很大时,这个力就失去了作用。牛顿关于物质结构的粒子理论对道尔顿的原子论有很大影响。

道尔顿是英国一个贫苦工人的儿子。他在湘乡当了一辈子小学老师。从21岁开始,从事业余气象研究57年。他对大气的成分和性质进行了详细的研究,并研究了蒸汽压、混合气体的分压和气体扩散。对气象学的长期研究为他日后提出新的原子论积累了大量的数据和经验。

在长期的业余研究中,道尔顿曾经特别注意思考一个问题,那就是一个复杂的大气或者两种或两种以上的气体如何混合后变成均匀的气体?他试图解释这一点,但他不能让自己满意。直到1803,他发现如果加热任何一种气体,气体的体积或压强都会增大和升高;如果你试图冷却任何气体,你会发现气体的体积减小,压力降低。其实道尔顿观察到的现象早在1787年,法国人查理就已经发现了,并提出了气体体积随温度升高而膨胀的定律。

针对上述现象,道尔顿把气体粒子的排斥力更具体、更清晰地解释为热的作用,并将这类粒子称为原子,并形象地加以描述。他说物质的原子是气体状态下被热包围的粒子或核心。也就是说,气体的原子中心有一个硬核,周围有一层“热”;也就是中央核心周围的热氖构成了一个原子。因为热氖的存在,产生了相互排斥力。温度越高,所谓的“热氖”就越多,相互排斥也就越大。

道尔顿认为各种物质的原子的形状、大小和重量一定是相同的,不同物质的原子的形状、大小和重量一定是不同的。为此,他曾经做过这样一个推理:如果水的某些原子比其他的重,而一定体积的水又恰好是由这些较重的水原子组成的,那么这个体积的水所占的比例一定比其他的水大(这显然与事实不符,因为我们知道纯水无论来自哪里,其比例都是一样的)。从这里到那里,其他物质也是如此。道尔顿还指出,不同气体中原子的大小必然不同。他说,如果一个体积的氮气和一个体积的氧气结合,就会生成两个体积的氮氧化物,而这两个体积中氮氧化物的数量不得超过一个体积的氮气或氧气中的原子数。所以他说氮氧化物的原子一定比氧和氮的原子大。

在这一观点的基础上,道尔顿提出同一化学物质的原子相互排斥,以进一步解释一种气体扩散到其他气体中的原因和混合气体的压力问题。道尔顿推断,当两种弹性流体混合在一起时,同一个粒子会相互排斥,而另一个粒子不会。因此,作用在一个质点上的压力来自同一个质点。由此,他解释了他的分压定律。正如他的一个朋友所说,一种气体对任何其他气体来说都是真空。

后来,道尔顿进一步考虑了测量各种原子相对质量的问题。虽然他做了大量的研究工作,但是按照当时的水平测得的原子量是很不准确的,甚至连各种元素的原子量都无法计算出来,所以他不得不进行一些大胆的猜测和假设。他首先命名了复杂原子:二元化合物、三元化合物和四元化合物。然后,他武断地做出了这样的结论:如果两种元素相互结合,这种结合将遵循最简单的方式,其层次分为四级。根据上述原理,道尔顿以氢的原子量为1为标准,规定了其他元素的相对质量。

道尔顿对化合物组成的规定没有科学依据,所以过于主观武断。所以很多化合物中复杂原子的构成被他弄错了。比如水是H2O,他误认为是HO,然后氧的原子量就错了。

1803,10 08年10月18日,道尔顿在曼彻斯特的学会上第一次宣读了他关于原子论的论文。本文阐述了原子论的以下观点:

1元素的最终组成称为简单原子。它们是看不见的,不能被创造,不能被毁灭和细分,它们的性质在所有的化学变化中保持不变。

2同一元素的原子具有相同的形状、质量和性质;不同元素的原子则相反。每种元素都以其原子的质量为特征(这是道学的核心)。

不同元素的原子以简单的数目结合形成化合物。化合物的原子称为复合原子,它们的质量是所含元素的原子质量之和。相同的复杂原子必须具有相同的形状、质量和性质。

至此,道尔顿完成了提出原子论的历史使命,由于解决了化学基本定律的诸多解释,原子论很快被化学界接受。