原子原来如此！

第二十二章　原子原来如此！

拉瓦锡被送上断头台不久，时光进入了新世纪——19世纪，在这个世纪里，化学又将前进一大步，一个像拉瓦锡的氧化说一样新型的理论诞生了，对化学产生了革命性的影响。

这个新理论就是新的原子理论。

西方人的原子理论我们前面已经提了若干次，例如早在古希腊时代就有著名的德谟克利特原子说，但在这里原子说才终于走向了科学，让我们了解原子原来如此！

—科学的原子说—

新的原子论是由道尔顿提出的。道尔顿是英国人，生于1766年，既是杰出的物理学家，更是伟大的化学家。道尔顿虽然是物理学家兼化学家，但他最感兴趣的似乎是气体。他从20来岁开始就当起了业余气象观测员，终其一生不变，坚持作气象观测前后近60年。对气象的爱好使他对空气也产生了浓厚的兴趣。在对空气的研究中，他发现了气体的分压定律，即组成气体的微粒只排斥同类微粒，对不同类的微粒却毫无作用。

这是为什么呢？道尔顿作出了解释。他认为，物质都是由原子组成的，同种物质的原子，其大小、重量等都相同，不同物质的原子，其重量大小都不同。因此，当同种气体混合时，由于组成它们的微粒重量大小都一样，相互之间就会产生排斥，而当异种气体混合时，由于组成它们的微粒大小、重量等都不同，因此就不会产生排斥。

这不难理解。我们可以打个比方。在一个箱子里放许多橘子，然后再往上放一些别的橘子，请问后面的橘子会与先放的橘子混合吗？当然不能，因为它们都是橘子，每个的大小、重量都差不多，原来就放满了橘子的地方自然不能让这些新橘子钻进去。但如果我们再放上一些红枣或者黄豆呢？不用说，原来的橘子就不会排斥红枣或者黄豆了，它们会从容不迫地从橘子之间的空隙里钻进去。这就是因为红枣、黄豆的大小与重量与橘子不同的缘故。

进一步地，道尔顿又将这一观念运用于对化合物的研究之中，他认为，化合物可能也是不同种类的原子之间的混合。他研究发现，在一氧化碳与二氧化碳之间，两种气体中碳与氧比重分别是5.4∶7和5.4∶14，同时它们之间氧的比重比为1∶2。

为什么会有这样简单的整数比呢？道尔顿猜想，这可能是因为每种元素或者化合物都是由原子组成的，同种元素的每个原子的重量都是一样的。对于化合物，它是由几种元素之间由不同的原子数目组合而成的，例如一氧化碳，它是由一个碳原子与一个氧原子组成的，即在碳原子与氧原子之间数目是1∶1；而二氧化碳则是由一个碳原子与两个氧原子所组成的，即在碳原子与氧原子之间数目的比是1∶2。这样，在一氧化碳与二氧化碳之间，它们氧原子的数量之比就是1∶2，重量之比也是1∶2。

从这里可以看出来，原子的重量是一个关键因素，只要知道了每个原子的重量，就可以知道许多东西。因此，道尔顿开始想尽办法去测量原子的重量。

道尔顿的原子理论是第一种真正科学的原子学说，是现代科学原子论的基础。

1804年时，另一个英国科学家T·汤姆逊拜访了道尔顿，接受了他的原子学说，并在这个基础上提出了更为完整科学的原子学说，其基本观点是：

1.化学元素是由非常微小、不可再分的物质粒子组成的，这种粒子就是原子。

2.原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质。且既不能被创造，也不能被消灭。

3.一元素的所有原子的性质，特别是重量，完全相同。不同元素的原子的性质与重量不同。原子的重量是元素的基本特征。

4.不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物原子称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量之总和。同种化合物的复杂原子，其性质与重量也必定相同。

看得出来，这些理论已经基本上同我们现在流行的原子理论一样了，不同的只是现代的原子论里没有那个“复杂原子”。

不过，我们也看得出来，这个复杂原子的概念已经被另一个概念所代替了，那就是分子。

—元素的符号—

在讲分子之前，我还要插进来讲一讲我们现在通行的元素符号是如何来的。

将各元素用各种方式表示，西方早已有之，例如炼金术士们，他们就用各种符号来表示诸元素，例如：

这些符号怪里怪气，太不实用，因此，道尔顿后来提出了他自己的符号系统，特点就是用不同特点的圆圈来表示所有元素及其化合物：

这样表示是因为道尔顿认为所有原子都是圆形的，因此这样形象一点。但这种方式的不方便也是显而易见的，而且也并不形象，因为我们并不能看到圆形的原子呢！

提出我们熟悉的现代形式的化学元素符号的是一个叫贝采里乌斯的人，他在1813年时建议用每种元素的拉丁文名称的开头字母作为化学元素的符号，如用O表示氧，用C表示碳，它们的拉丁文名字分别是：oxygenium、carbonicum，如果第一个字母相同，就再加上下一个字母，如S表示硫，sulphur，Si则表示硅，即silicium。

他后来又提出了表示化合物的方式，例如用CO²表示二氧化碳，看得出来，这种方式和现在也差不多，只是那个“2”从右上角移到右下角来了。

贝采里乌斯方法的好处是显而易见的，不但简单明了，方便记忆，而且能直接地表示化合物的组成及其中每种元素的原子个数，经过一番折腾后，这种美妙的方式终于被化学界广泛采用。

—原子与分子—

上面我们提到了汤姆逊理论中的复杂原子，它确实是道尔顿原子论里遗留的最大毛病，由于这个毛病的存在，使原子论还不能解释许多现象。完成这一步的是盖吕萨克和阿佛伽德罗。

盖吕萨克是一个法国化学家，开始时他想知道空气的组成是否与地域分布有关，他特别想测定空气中氧的含量。具体而言是用定量的氢在定量的空气中点燃，使氢氧化合成水，经过一系列精巧的试验，他发现了一个有趣的现象，就是无论在什么地方，当氢氧完全反应时，参加反应的氢氧体积之比永远是2∶1。他想，是否其他元素之间的反应也存在类似的情形？进一步实验的结果表明这种情形确实广泛存在，例如氮与氢反应生成氨时的体积比是1∶3，氧与一氧化碳反应生成二氧化碳的体积比是1∶2等。

由此，盖吕萨克得出了一个简单的结论：气体在相互化合时，参加反应的气体的体积之间是一个简单的数值比。

随后他又进一步测定了参加反应物与反应物三者之间的体积比，得出它们之间同样存在简单的整数比，例如在一氧化碳与氧生成二氧化碳的反应中，三者的体积之比是2∶1∶2。在氢与氮生成氨的反应中，三者的体积之比是3∶1∶2。这说明，反应后生成的气体与参加反应的气体的体积之间也是一个简单的整数比。

这时候，他想到了道尔顿的理论：在化学反应中，原子是以简单的整数比相结合。这样就有了两个整数比：一个是两种反应物之间体积之比，一个是两种反应物之间原子的个数之比。是不是这两个整数比间有某种联系呢？当然可能。而这种可能性之下只有一个可能的结果，那就是：在同温同气压下，相同体积的不同气体，且无论是单质还是化合物，都含有相同数目的原子。

这样一来，就把两个整数比统一起来了。我们前面讲道尔顿的原子论时说过，不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。现在，由于在同温同气压下，同体积的气体含有的原子数目也相等。因此它们反应时气体之间的体积之比也必定成一简单的整数比。

盖吕萨克得到这个结论后，以为为道尔顿的原子论找到了一个最好的证明，道尔顿应该感谢他，想不到道尔顿不但不感谢，反而起来反对他的理论。道尔顿认为，说同体积的不同气体内含有相同数目的原子是不可能的，因为不同元素的原子大小不同，如何能够在相同的体积内装下相同数目的原子呢？这就像一边是大苹果，一边是小李子，能够在一样大的箱子里装上相同数目的苹果与李子又将它们同时装满吗？这显然是不可能的。还有，前面说过，一体积的氮与一体积的氧化合后，会生成两体积的氧化氮。根据这种说法，就要将每个氧原子与每个氮原子剖成两半，然后让它们形成一个氧化氮原子，使氧化氮原子的个数扩充两倍，这样一来才能充满那两个体积。这显然也是荒唐的。

应该说，道尔顿的反驳是十分有力的，因此盖吕萨克招架不住。

但招架不住并不等于他错了，只是说明他的武器还不够完好，这完好的工作是由阿佛伽德罗来完成的。

阿佛伽德罗正是从盖吕萨克理论的不完备之处出发的。他最大的创新是提出了“分子”的概念。

阿佛伽德罗指出：原子是参加反应的最小微粒，但原子并不总是独立存在，它们能够相互结合在一起形成分子。当单质或者化合物存在时，它们并不是以原子的形态存在，而是由若干个原子一起构成分子。化学反应则是由不同物质的分子内各原子的重新组合。

进一步地，阿佛伽德罗只将盖吕萨克的理论改了一个字，就形成了阿佛伽德罗定律：

在同温同压下，等体积的各种气体含有相同的分子数。这是由阿佛伽德罗在1811年提出来的，只将盖吕萨克理论中的“原子”改成了“分子”。

这样一来，盖吕萨克理论遭遇的那些诘难便迎刃而解了。例如，为什么一体积的氮与一体积的氧化合后，会生成两体积的氧化氮呢？这是因为氧与氮的分子都是由两个原子组成的，反应后，就是由一个氧原子与一个氮原子组成一个氧化氮分子。这样，氧化氮分子的个数就比氧分子的个数扩大了一倍。因此，它所占据的体积也就要扩大一倍了。从它们的反应式就可以明显地看出来：N₂＋O₂＝2NO。

—妙测原子的质量—

更绝的是，聪明的阿佛伽德罗还进一步找出了测定物质相对质量的一个好办法。

我们想想，既然任何物质变成气体后，在同温同压下，相同体积内所含的分子个数相等，那么，只要称出这时候这个体积气体的总质量之比，这个比值也就是每个分子的质量之比了。这是一个简单的数学问题，大家不难明白。

从此出发，要测量任何元素的原子量——也就是原子的相对质量——就不是难事了。例如要测出氢与氧原子的相对质量，只要准备两个体积一样大的盒子，将之置于同温同压下，然后在里面分别充入氧气与氢气。将他们称一下，再将这两个值一比，所得到的比值就是氢与氧原子的质量比了。当然，这里还有一点要说明，那就是每个氢分子与氧分子都是由两个原子组成的。

其实，不但可以测定气体，就是液体与固体的原子量也测得出来，只要将它们变成气体就行了，这并不难做到。

现在我们测定原子量的法子正是用的阿佛伽德罗办法，采用的是氢原子的质量作为标准，因为它最轻，其余元素的原子量就是它们与氢原子质量的比值。

阿佛伽德罗定律诞生之后，在相当长一段时间里，化学家们的主要工作就是用这个办法来测定各元素的原子量。当然有时也测定各化合物的分子量，仍然是与氢原子质量的比值。

阿佛伽德罗提出他的理论后，由于他当时还是一个无名之辈，因此他的理论没有得到足够的重视，直到1860年，通过一位叫康尼查罗的意大利物理学家的努力才渐渐为化学家们接受。这一年，100多位物理学家在德国聚会，讨论化学问题，尤其是原子量的问题，康尼查罗就是在这次会议上详述了阿佛伽德罗理论及他对之的发展，也正是他的阐述使人们注意到了阿佛伽德罗的理论。

在参加这次会议的人中，有一位来自俄罗斯的化学家，他的名字叫门捷列夫，阿佛伽德罗的理论让他大开眼界，一个革命性的理论就此在他的头脑里酝酿了。这就是我们下章要讲的元素周期律。