原子学说的出现

原子学说的出现

原子学说的出现

除了对原子量的测定之外，贝采里乌斯对化学的贡献还涉及许多重要领域，如发现了异构现象、创立了电化学、提出了催化剂概念等。他最早投身研究的课题是分析化学和矿物分类，在这期间，先后发现了碲、硒、硅和钍元素。他对化学的另一大贡献是创造了一套用拉丁字母表示的元素符号（即现在使用的元素符号），从而废弃了过去的象形表示方法。要想了解贝采里乌斯的工作，最好从原子学说谈起。

1．原子论需要实验论证

18世纪70年代在化学发展史上具有划时代的意义。法国化学家拉瓦锡根据燃烧前后物质和氧气的质量变化，提出了燃烧的氧化学说，推翻了燃素说，使颠倒的化学理论正立过来。拉瓦锡在此以对天平的精彩使用和对质量守恒定律的信念，开创了定量化学时代。这以后，化学家们学习拉瓦锡，普遍开始使用天平研究化学反应中的质量变化和参与化学反应的物质中各成分的含量。

1799年，一位移居马德里的法国药剂师、化学家普罗斯（1754～1826）提出了定组成定律：不论来源和制备方法如何，一种化合物总是以相同的质量比含有相同的元素。这一时期发现的其他重要化学计算定律还有：酸碱中和的当量定律，含同种元素化合物的倍比定律等。

原子论的提出，则为整个自然科学找到了中心。在道尔顿的原子论中，各种原子是以其质量为基本特征的。

1808年，时年42岁的英国中学教师道尔顿以他非凡的科学洞察力提出了原子学说，对上述化学定律提供了简明而深刻的解释。

不同种类原子化合时，质量比与它们的相对质量和原子个数比相联系。例如氢（H）与氧（O）化合生成水（H₂O），一份质量的氢需八份质量的氧，若氢、氧原子个数比为1∶1，则说明氧原子质量是氢原子质量的八倍；若氢、氧原子个数比为2∶1，则说明氧原子质量是氢原子质量的十六倍。不同的原子个数比将得出不同的原子相对质量。因为缺乏其他实验方法，道尔顿误认为水中只含一个氢原子和一个氧原子。他把氢定为原子量标准，规定氢的原子量为1，从而得出氧的原子量为8。他还认为氨中只含一个氢原子和一个氮原子，又通过分析得知氨含氢20%、含氮80%，从而误断氮的原子量为4。这些错误的出现，主要是由于道尔顿对化学式随意的设想而引起的。

1809年，瑞典化学家贝采里乌斯受道尔顿原子论启发，在论证自己的研究时运用了原子论，并以其深邃的目光预见到原子量测定的意义及其复杂多样性。在赞赏原子论之余，他还指出可以公正地责备道尔顿在解决问题的过程中不太重视实验。他预言缺乏实验根据的原子量会淹没原子论的辉煌。他写道：“我明白了，首先应当以最大的精确度测出尽可能多的元素的原子量。不这样，化学理论所望眼欲穿的光明白昼就不会紧跟着它的朝霞而出现。这是那时候化学研究的最重要任务，所以我完全献身于它。”

2．贝采里乌斯的探索

在贝采里乌斯广泛的研究领域中，原子量测定的研究耗费了他20多年的时间和精力。他在简陋的实验室里，用多种简捷却不失严谨的方法测定了约2 000种化合物的质量组成，得出相当精确的数据，为精确计算原子量打下了坚实的基础。

测定原子量最困难的是确定化合物的化学式，即化合物中各种元素的原子个数比。贝采里乌斯将他的电化二元论用于化学式的确定，认为一切化学亲和力较大的强碱都必须具有RO₂的化学式，如BaO₂、CaO₂、MgO₂、NaO₂、AgO₂等。这样，他计算出的Ba、Ca、Mg的原子量相当于现代值的二倍，而Na、Ag的原子量相当于现代值的四倍。他于1814年发表了第一份包含41种元素的原子量表，1818年又发表了第二份原子量表。

1819年，法国科学家杜隆（1785～1838）和培蒂（1791～1820）发表论文，指出多数固体单质（尤其是金属）的比热与贝采里乌斯发表的原子量的乘积近似为一常数的整数倍。他们把这一常数称为“原子热容”，并且认为这一结果是因为贝采里乌斯的化学式和原子量有错误。他们提出“原子热容定律”：金属的比热与其原子量的乘积都应近似等于这个常数，而不应是其2、3倍甚至4倍。用现代语言表述即

摩尔质量（g／mol）×比热（J／g℃）≈25（J／mol℃）

该方程虽然可以估算许多金属的近似原子量，却很不准确，且物质的比热随温度而发生很大变化。

例如测得锌的比热为0．39J／g℃，则近似原子量（近似摩尔质量）为25÷0．39＝64，而贝采里乌斯测得氧化锌内锌、氧元素的质量比为4．032∶1＝64．51∶16。这说明氧化锌的化学式应当是ZnO而不是ZnO₂，锌的原子量应当是64．51而不是原来的129．03。

根据原子热容定律，贝采里乌斯将其1818年发表的原子量表进行了较多修正，1826年发表了包含49种元素的新原子量表。

新的原子量测定应用了“同晶形定律”：两种化合物结晶类型相同时，通常具有类似的化学式。这一定律是贝采里乌斯的学生米希尔里希（1794～1863）于1818年发现的。例如铬酸盐与硫酸盐具有同晶形，则这两种盐应有类似的化学式，铬酸和硫酸也应有类似的化学式CrO₃和SO₃（当时将酸酐称为酸）。由于氧化铬中与同量铬结合的氧的质量仅为铬的酸中的一半，因而确定氧化铬的化学式为Cr₂O₃，铬的原子量因此减少一半。