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选定原子量基准的故事

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:在道尔顿的启发和影响下,很快就有一些科学家去从事测定原子量的工作,其时,取得较大成就的,是瑞典的化学家贝采里乌斯。他还时刻注意别人的科研成果,分析利用,使他在原子量测定的工作上,比道尔顿又近了一步。在选定原子量基准问题上,1860年又发生了一次重大变革,有一比利时科学家斯达,建议采用氧等于16为基准。

选定原子量基准的故事

原子量不是原子的绝对质量。原子很小,不能用天平等仪器直接称出一个原子的质量。化学上一直采用了对比的方法,做时的思路是,如果一种化合物(或化合物的分子)中,含有A、B两种原子个数相同,分析后又知两种元素各占总值量的50%,去掉百分号则为50。两种原子的质量比就是50∶50,化简后则为1∶1。两个原子真实的质量比,当然不会这样简单,常是两个带小数的数值之比,在应用时不太方便。而且取任意两种原子的比值,如在另一化合物中,A与C的两个原子的质量比是3∶1,那么A的原子量在前物中是1,在后物中是3,不能固定下来,也是没有意义的。科学家开始就想到应该找一种元素的原子做标准,人为的先把它原子量固定为一个值,用它去跟所有其他原子相比,这就是原子量基准。其他元素原子量的数值,都是跟基准对比之下得出来的。

第一个提出原子量概念的人,是英国的化学家道尔顿,时间是1803年的10月18日,同时他还提出了根据他的思想,由事实测定而编制的原子量表。在这张表中,他把氢的原子量定为1.0,这就是他采用的原子量基准。在道尔顿的原子量表中,其他元素原子量,氧为5.5;氮为4.2;碳为4.3;硫为14.4;水为6.5……。现在看来,这些数值除氢为1是正确的以外,其他都是错的,而且不应该有水的原子量(6.5)。

道尔顿的出发点是正确的,为什么结果又都是错的呢?

第一,道尔顿本人在那时,并没有弄清楚被他研究的化合物中,原子的实际个数之比是多少,而是主观武断定下来的。如他认为水中氢、氧原子数是1∶1。

第二,那时的实验设备粗糙,能用来对物质进行分析的方法又少又不精确。若按水中氢、氧原子数1∶1,氧的原子量就应是8,而他只测出5.5,误差实在太大了。

第三,道尔顿提出原子论之初,头脑里还没有分子的概念,认为一种元素的原子是简单原子,多种元素原子,以简单数目的比结合起来,就是复杂原子,所以出现了水的原子量、氨的原子量(他定为5.2),硫酸(他主观定为硫1、氧2)的原子量(25.4)等错误。

应该肯定,由道尔顿首先提出了测定原子量的历史任务,为其后原子量测定方法的改进,并导致发现元素周期律,迈出了第一步。

随后1806、1808和1810年,道尔顿又再三发表了新的原子量表,每一新表都比旧表增加了元素的数目,并对旧的原子量有所修改。毕竟时间较短,他的观点和做法并没有根本改变,新表中的错误仍然存在。

在道尔顿的启发和影响下,很快就有一些科学家去从事测定原子量的工作,其时,取得较大成就的,是瑞典的化学家贝采里乌斯。

贝采里乌斯年轻时学医,接着在斯德哥尔摩医学院任教,后来对化学发生兴趣,从事多方面的研究工作,作出过很多贡献。由1810年开始他在大约20年的时间里,致力于原子量的测定,1814年发表了他的第一张原子量表。

贝采里乌斯对工作十分认真,尤其是从事化学实验更是特别的精细。他在极为简陋的化学实验室中,曾对约2000多种的物质,进行了准确的分析,从而得到各种原子量的有关数据。他还时刻注意别人的科研成果,分析利用,使他在原子量测定的工作上,比道尔顿又近了一步。

从贝采里乌斯所发表的原子量表上,可以看到有两个特色。第一,他取氧原子作基准,因为他在实践中,接触的多数是氧化物,以氧做准,比较方便。但他把氧的原子量定为100,这样,其他元素的原子量就都是比较大的数值,氢的原子量也成了6.2398。第二,他的原子量表中已没有了化合物,而元素的种类也增多到49种。不过当时还没有化合价的概念,使他所得元素原子量,有的则是应得比值的倍数。如钾、钠原子量被他定为489.916和290.897,若按氧是16折算,则是78.39和46.54,分别是接近现今原子量的2倍。

开始由于测定原子量只靠化学方法,可做的平行实验也较少,出现了误差,相互校正的关系不明确,有时只好取其平均数,当然误差仍然存在。

随着时间向前推移,科学上研究的新成果不断涌现。

1818年,有人发现了固体单质的比热跟原子量之间,有一定的比例关系,这为修订某些元素的原子量,提供了一个物理的途径。

也是在1818年,贝采里乌斯的学生米希尔里斯,在研究化合物的晶体时,发现了某些不同盐,晶体的形状却相同,他们分析了这一现象,并用于修订和测定原子量,改变了旧原子量表上出现的倍数的错误。

1827年,法国科学家杜马,发明了用蒸气密度法测定挥发性物质的分子量,并由此推算出原子量。但由于他误认为蒸气的分子都是双原子分子,所得原子量有些就是错的。

在选定原子量基准问题上,1860年又发生了一次重大变革,有一比利时科学家斯达,建议采用氧等于16为基准。他用了近25年的时间,精密测定原子量,若干元素原子量的有效数字,竟到达第四位数。

后来原子量的精度又进一步提高,并于1914年发现了同位素。

在化学界以氧16为基准的原子量,一直应用了一个世纪。由于原子物理及核物理学的发展,在1929年发现了氧还有两种同位素O17和O18,化学上所用原子量是以天然氧(三种氧原子的混合态)为16来测定的,就比物理学界以氧的同位数中的O16为16所得的原子量要小一些。两个学科所用原子量不同,尽管差别极小,在两科之间,必须把化学原子量乘以1.00275,或把物理原子量除以1.00275,才能通用

1959年,关于原子量基准的最近一次改革发生了。这一年,在慕尼黑召开的一次国际化学协会会议上,有人(马托赫)建议,另取碳的一种原子——碳-12作为基准,把它定为12.000000,由此来衡定其他元素的原子量。1960年在同一地点召开的国际物理学会,也表示认同。一个碳-12原子的绝对质量等于12×1.6605655×10-27千克,其他原子的绝对质量也就不难推算出来了。

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