元素周期律的提出及有机化学的发展

（一） 原子—分子论的创立

18世纪70年代，法国化学家拉瓦锡运用天平作为工具，发现了参与化学反应的物质前后都相同，即质量守恒定律，开创了定量研究化学的化学计量学。

1791年，德国数学家兼化学师里希特（1762年—1807年）通过对酸碱反应的研究提出了当量定律。他指出，化学反应中反应物间应有定量的关系，一定量的一种元素总是化合确定量的另一种元素。1802年，法国人费歇尔（1754年—1831年）制定出早期的酸碱化合当量表。在大量的化学实验的基础上，人们逐步认识到了化学反应过程中反应物与产出物之间有确定的重量比例。

1799年，法国药剂师普罗斯特（1754年—1826年）在众多化学家的工作和自己系统、精密测定的基础上提出了定比定律。他提出：两种或两种以上元素相化合合成某一化合物时，其重量之比是一定的。

当量定律和定比定律确立之后，人们又在思考：为什么在化合物和化学反应中有这样的数量关系？人们很容易联想到化学元素或许是由古希腊人所提及的原子，或者是由笛卡儿、牛顿、波义耳所主张的物质微粒所构成。然而，这终究还只是一种联想和猜测，究竟是什么原因使化合物具有这些数量关系的规律呢？这就需要有可靠的实验事实、精确的定量分析和合理的逻辑论证。

这一工作首先是由英国化学家道尔顿（1766年—1844年）完成的。道尔顿出身贫苦，没有接受过正规教育。从14岁开始当小学教师助手，后来终生当教师，一生勤奋、严谨。基于当量定律、定比定律以及道尔顿本人提出的气体分压定律，道尔顿以氢的原子量为基准（规定氢的原子量为1）　，从化合物比例中求得其他元素原子的相对重量，提出了原子论学说，其基本观点是：①化学元素由非常微小的不可再分的物质粒子——原子组成，原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质；②同一元素的原子，其形状、性质，特别是质量都完全相同，不同元素的原子质量不同，原子量是每一种元素的特征性质；③不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成化学中的化合现象。

道尔顿原子学说的建立是近代化学发展中的一次重要的理论综合，它系统地解释了各种各样的化合物和化学反应的结构，抓住了原子量作为区分化学元素的最根本特征，为整个化学学科的研究奠定了基础。

正当道尔顿提出新原子学说的时候，法国化学家盖-吕萨克（1779年—1850年）从事着空气实验研究。在大量实验基础上，他发现一条关于气体反应体积关系的经验定律——“气体化合定律”。即：各种气体在相互发生化学反应时，常以简单的体积比相结合。他提出一个假设：在同温同压条件下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

盖-吕萨克认为自己的理论观点是对道尔顿原子论的有力支持，但却遭到了道尔顿的坚决反对。道尔顿认为，首先，不同物质原子的大小是不同的，相同体积内不同物质不可能含有相同数目的原子；其次，如果按照盖-吕萨克的观点，相同体积中不同气体的原子数相同，那么，在由一体积氮与一体积氧合成的二体积的氧化氮中，每个氧化氮原子都只能是由半个原子的氮和半个原子的氧所组成，这与原子不可分割的观点直接对立。所以道尔顿指出，每一体积的氧化氮原子数目至多是同体积氧原子数目的一半，而绝不可能相等；认为盖-吕萨克的实验结论是靠不住的。

最终解决道尔顿与盖-吕萨克之间争执问题的是意大利物理学家阿伏伽德罗（1776年—1856年），他在《原子相对质量的测定方法及原子进入化合物时数目比例的确定》一文中，引入了分子的概念，提出了分子假说。其要点是：①原子是参加化学反应时的最小质点，分子是单质或化合物能独立存在的最小质点。②分子由原子组成。单质分子由同种元素原子组成，叫简单分子；化合物分子由不同元素原子组成，叫复合分子。③一切气体在相同体积中含有相等数目的分子。

（二）尿素的人工合成

原子—分子论的确立极大地促进了有机化学的发展。以前，有机化学被认为是研究生命物质的化学，而生命物质的基础则是某种非物质的生命力。1819年，当时的化学界权威瑞典化学家伯采留斯（1779年—1848年）说：有机化合物“不属于正规化学所固有”，“因为它们是生命力的产物”。至于什么是生命力，他说：“我们不知道它是什么东西，它始于何处和终于何处。”

由于有机化合物分子通常大而复杂，使化学家们望而生畏。他们致力于描述和分析，而对于合成有机物很少有人问津，以为这是白费力气的不可能的事情。1824年，年仅24岁的德国化学家维勒（1800年—1882年）在研究氰酸和氨水两种无机物作用时，竟得到了一种有机物——尿素。对于这个结果，维勒感到有点难以置信，因为它违反了当时的传统观念。

维勒对这种物质又进行了四年的细心研究，他分别用不同的无机物和通过不同的途径反复加以实验，确证无误，才于1828年发表了《论尿素的人工合成》，公布了他用无机物合成尿素的方法。

尿素的人工合成，是有机化学发展过程中的一大突破，揭示了无机界和有机界之间的互相联系和统一，为有机合成开辟了广阔的前景。它是化学发展史上的一个重要的里程碑。

（三）化学元素周期律的发现

原子—分子论确立之后，化学上另一个重大突破是化学元素周期律的发现。

随着化学实验的进行，新元素不断发现，对各种元素性质的比较、分类逐渐成为一个重要课题。1864年，德国化学家迈耶尔（1830年—1895年）在他的 《 现代化学理论》一书中，按着原子量的大小顺序，详细地讨论了各元素的物理化学性质，并排出一个“六元素表”，已经有了周期表的轮廓。1869年，他发表了著名的《原子体积周期性图解》，还制作了一个化学元素周期表，明确表示元素的性质是它们的原子量的函数。

1865年，英国化学家纽兰兹（1837年—1898年）把当时已知的元素按原子量大小的顺序排列起来，发现从任何一种元素算起，每八个元素就和第一个元素的性质相似，就好像音乐中的八度音一样。他把这一规律称为“八音律”。

俄国化学家门捷列夫（1834年—1907年）于1869年2月17日发表了一份关于周期律的图表，同年3月又在化学学会上宣读了名为《元素属性和原子量的关系》的论文，阐述了周期律的基本思想：①按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性；②原子量的大小决定元素的性质；③应该预料到许多未知元素，元素的某些同类元素将按它们的原子量大小而被发现；④可以通过元素的性质修正某元素的原子量。门捷列夫将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。1871年，门捷列夫对周期表作了重要修改，纠正了一些元素的原子量，并在周期表中留出空格，预言了六个未知元素的性质。不久，当锌、钪、锗等先后被发现，且它们的性质同门捷列夫所预言的“类铝”“类硼”和“类硅”等几乎完全一致时，学术界都为之惊叹。

在门捷列夫发表元素周期律的同时，迈耶尔于1869年10月再次修改了他在1864年发表的“六元素表”，并明确指出元素的性质是它们的原子量的函数，也独立地发现了化学元素周期律。所以，英国皇家学会于1882年将戴维奖章同时授予他们两人。就第一张周期表的排列来说，迈耶尔的表比门捷列夫的更完善一些；但是在预言新元素及其性质，修订一些元素的原子量，以及对周期律的本质和意义的认识方面，门捷列夫要高出一筹，所以人们把发现周期律的最高荣誉归于门捷列夫。1906年，门捷列夫以一票之差落选诺贝尔奖。

元素周期律有伟大的科学意义和哲学意义：第一，它从本质上揭示了各种化学元素之间的区别和联系，实现了对无机化学从感性认识到理性认识的飞跃；第二，元素周期律所描述的元素世界是一个由种种联系和相互作用交织起来的无比生动活泼的辩证图景，它把原来认为是彼此孤立、各不相关的各种元素看成是有内在联系的统一体，表明元素性质发展变化的过程是一个由量变到质变的过程。恩格斯曾高度评价元素周期律的发现，“门捷列夫依靠——不自觉地——应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业”^[8]。