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1、第三节,分子学说的建立与早期原子量的测定,现状,道尔顿提出了原子学说抓住了化学中的化合与分解这一核心问题，用原子的结合和分解来说明各种化学现象的本质，对当时已知化学变化的材料进行了一次大综合，因而使当时的一些化学定律得到了合理解释。,问题,但是，道尔顿原子学说也残留着一些形而上学观点，特别是后来，他否认分子的存在，抹杀原子和分子之间的关系，致使原子学说在自身发展所积累的材料中碰到许多越来越多难以解决的矛盾。,解决,出现问题，如果不加以修正、补充和发展，就不能发挥它应有的作用。这样，人们在新的科学事实和原子学说的基础上，提出分子假说，并进而发展成原子-分子学说。,本节内容,一、盖吕萨克气体化合简
2、比定律的提出 二、阿佛加德罗分子假说 三、早期原子量的测定工作 四、康尼查罗的贡献,一、盖吕萨克气体化合简比定律的提出,正当道尔顿考虑原子学说的时候，法国物理学家、化学家盖-吕萨克却在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系。,(一) 化学领域中的探险者盖吕萨克,法国的物理学、化学家盖吕萨克(Gay-Lussac, J.L.1778-1850)，生于法国利摩日地区的圣雷奥纳尔镇。他的父亲是当时的检察官，家境比较富裕。盖吕萨克在家乡受初等教育后，就进入巴黎工业学校学习。他热爱化学专业和实验技术，深得该校著名化学家贝托雷(Berthollet,C.L.1748-1822)的赏识。1880年毕业后，当
3、贝托雷的助手。,1.盖吕萨克生平,(1).相信真理,当时贝托雷正在同化学家普罗斯(Proust, J.L. 1754-1826)争论有关定比定律问题。定比定律是普罗斯1799年提出来的，他认为，“两种或两种以上的元素相互化合成某一化合物时，其重量之比例是天然一定的，人力不能增减”。贝托雷对此结论坚决反对，要求盖吕萨克作实验论证自己的观点。盖吕萨克经过反复实验和分析研究，所记录的事实和所得的结论都证明贝托雷的反对是错误的。,(2)贝托雷的态度,贝托雷看了盖吕萨克的实验结果后，忽然皱起额头表现出深深的失望。作为大科学家来说，真理总是比自尊心更为可贵。他想，做出这一成果的不是别人，而是刚刚踏上科学道
4、路的年轻人盖吕萨克的。这时贝托雷阴沉的脸上露出了笑容，把手搭在盖吕萨克的肩上说：“我为你感到自豪。象你这样有才华的人，没有理由让你当助手，哪怕是给最伟大的科学家当助手。你的眼睛能发现真理，能洞察人们所不知道的奥秘，而这一点却不是每一个人都能做到的，你应该独立地进行工作。从今天起，你可以进行你认为必要的任何实验。”贝托雷忘掉了自己争论问题的失败，高兴地认为，世界上又出现了一位伟大的化学家，他不在别处，而是在我贝托雷的实验室里，法国将为有此骄子而自豪。,(二) 气体简比定律,在1808年，盖吕萨克发表了气体物质相互化合的作用一文，阐述了气体简比定律。,“气体物质在相互作用时，其参加反应气体体积间，
5、是有一个简单的整数比；在化合后生产的气体体积的收缩和膨胀与参加反应的气体也有一个简单整数比。在固体或液体中，则没有这种比例，若以重量论，也没有。,1. 简比定律提出的实验过程,(1). 空气成分的研究,1805年，在研究空气的成分时，往空气中掺入氢气，将混合气体点燃，氧气和氢气化合成水而剩下了氮气。根据燃烧后所得水的量来计算出空气中氧的含量。发现氢气与氧化合时，氧气的体积总是氢气体积的一半。,发现问题,这个简单的体积关系促使盖吕萨克想到，是不是其它的气体化合时其体积间也有这样的关系？因而他决心研究其它气体化合的反应，看这个体积关系是不是具有普遍性。,(2). 氢气和氧气反应的研究,他用等体积的
6、氢气和氧气混合，用电火花点燃这种混合气体，使之生成水，经多次反复实验得出：氢气和氧气化合成水，其体积比永远是200:100。在他与德国科学家洪堡德共同撰写的论文大气成分比例率的试验中写道：“总是100个体积的氧气与200个体积的氢气化合并形成水。”,3. 其它研究,(1) 一氧化碳与氧作用，体积比是2:1；并证明反应后生成CO2和参加反应CO和O2体积比是2:2:1。 (2)氮气和氢气化合时，体积比是1:3；并证明生成NH3与参加反应的H2和N2之间的体积比2:3:1。 (3) 氧气与二氧化硫化合时，体积比是1:2；并证明生成SO3和参加反应的SO2和O2的体积比是2:2:1,2.盖吕萨克提出
7、的假说,盖吕萨克在确定气体简比定律后提出一个假说：在同温同压下，相同体积的不同气体-无论是单质还是混合物-中含有相同数目的原子。,推 断,如果这一假说正确，那么不同气体的比重或密度之比，就等于它们的原子量之比，人们可以据此来测量各种气体物质的原子量和确定化合物中各种原子的数目。这比道尔顿武断地规定原子化合数更有根据。,二、阿佛加德罗分子假说,盖-吕萨克把自己的假说看成是对道尔顿原子学说的一个有力支持，然而，第一个反对他的看法的就是道尔顿本人。,(一) 阿伏加德罗简介,阿伏加德罗(A.Avogadro，17761856)意大利化学家、物理学家。1776年8月9日生于都灵市，出身于律师家庭。20岁
8、时获得法学博士学位，做过多年律师。24岁起兴趣转到物理学和数学方面，后来成为都灵大学的物理学教授。,1799年意大利物理学家伏打发明了伏打电池，使阿佛加德罗把兴趣集中于窥视电的本性。 1803年他和他兄弟费里斯联名向都灵科学院提交了一篇关于电的论文，受到了好评，第二年就被选为都灵科学院的通讯院士。这一荣誉使他下决心全力投入科学研究。 1806年，阿佛加德罗被聘为都灵科学院附属学院的教师，开始了他一边教学、一边研究的新生活。 由于阿佛加德罗的才识， 1809年他被聘为维切利皇家学院的数学物理教授，并一度担任过院长。在这里他度过了卓有成绩的10年。分子假说就是在这里研究和提出的。 1819年，阿佛
9、加德罗成为都灵科学院的正式院士，不久担任了都灵大学第一个数学物理讲座的第一任教授。 1850年，阿佛加德罗从这一教职上退休。 阿佛加德罗的主要贡献是他于1811年提出了著名的阿佛加德罗假说。,(二) 分子学说提出过程,1808年，就在英国化学家道尔顿正式发表科学原子论的第二年，法国物理学家、化学家盖吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现，参加同一反应的各种气体，在同温同压下，其体积成简单的整数比。这就是著名的气体简比定律，常称为盖吕萨克定律。,1.气体简比定律的提出,2.假说的提出,盖吕萨克是很赞赏道尔顿的原子论的，于是将自己的化学实验结果与原子论相对照，他发现原子论认为化学反应
10、中各种原子以简单数目相结合的观点可以由自己的实验而得到支持，于是他提出了一个新的假说：在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。他自认为这一假说是对道尔顿原子论的支持和发展，并为此而高兴。 根据这一假说可以得到下面的结果：在相同温度相同压力之下，任何两种气体的相对分子量都与其气体密度成正比。这样分子量（或化学式量）就可以被直接测定了。但是由于当时阿佛加德罗没有对他的假说提出实验证明，以致其假说不易被人接受。,3.假说遭遇反对,没料到，当道尔顿得知盖吕萨克的这一假说后，立即公开表示反对。因为道尔顿在研究原子论的过程中，也曾作过这一假设后被他自己否定了。他认为不同元素的原子大小不会一样，
11、其质量也不一样，因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。更何况还有一体积氧气和一体积氮气化合生成两体积的一氧化氮的实验事实（O2N22NO）。若按盖吕萨克的假说，n个氧和n个氮原子生成了2n个氧化氮复合原子，岂不成了一个氧化氮的复合原子由半个氧原子、半个氮原子结合而成？原子不能分，半个原子是不存在的，这是当时原子论的一个基本点。为此道尔顿当然要反对盖吕萨克的假说，他甚至指责盖吕萨克的实验有些靠不住。,4.争论,盖吕萨克认为自己的实验是精确的，不能接受道尔顿的指责，于是双方展开了学术争论。他们俩人都是当时欧洲颇有名气的化学家，对他们之间的争论其他化学家都没敢轻易表态，就连当时已很有威望的
12、瑞典化学家贝采里乌斯也在私下表示，看不出他们争论的是与非。,5.解决,就在这时意大利一位名叫阿佛加德罗的物理学教授对这场争论发生了浓厚的兴趣。他仔细地考察了盖吕萨克和道尔顿的气体实验和他们的争执，发现了矛盾的焦点。1811年他在物理杂志上发表了一篇题为：“原子相对质量的测定方法及原子进入化合物的数目比例的确定”的论文，在文中他首先声明自己的观点来源于盖吕萨克的气体实验事实，接着他明确地提出了分子的概念，认为单质或化合物在游离状态下能独立存在的最小质点称作分子，单质分子由多个原子组成，他修正了盖吕萨克的假说，提出：“在同温同压下，相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”“原子”改为“分子”的一字
13、之改，正是阿佛加德罗假说的奇妙之处。,6.借鉴意义,由此可见，对科学概念的理解必须一丝不苟。对此他解释说，之所以引进分子的概念是因为道尔顿的原子概念与实验事实发生了矛盾，必须用新的假说来解决这一矛盾。例如单质气体分子都是由偶数个原子组成这一假说恰好使道尔顿的原子论和气体化合体积实验定律统一起来。根据自己的假说，阿佛加德罗进一步指出，可以根据气体分子质量之比等于它们在等温等压下的密度之比来测定气态物质的分子量，也可以由化合反应中各种单质气体的体积之比来确定分子式。,7.阿伏加德罗的评论,最后阿佛加德罗写道：“总之，读完这篇文章，我们就会注意到，我们的结果和道尔顿的结果之间有很多相同之点，道尔顿仅
14、仅被一些不全面的看法所束缚。这样一致性证明我们的假说就是道尔顿体系，只不过我们所做的，是从它与盖吕萨克所确定的一般事实之间的联系出发，补充了一些精确的方法而已。”这就是1811年阿佛加德罗提出分子假说的主要内容和基本观点。,(三) 分子学说,原子是参加化学反应的最小质点，而分子则是游离状态下单质或化合物能独立存在的最小质点。分子由原子组成，单质分子由相同元素的原子组成，化合物的分子则由不同元素的若干原子组成。化学变化是不同物质的分子间各原子的重新结合过程。,1.分子学说,2.分子学说的实验证明,2体积的氢和1体积氧化合成2体积的水蒸气，按分子学说就可推断它们的反应式为：2H2 + O2 = 2
15、H2O。进而根据反应时的体积比，确定水分子的组成为H2O，而不是道尔顿确定的HO。,3.分子学说对原子量测量的影响,既然2个氢原子和1个氧原子化合成1个水分子，而氧的化合当量为8，那么，如果设氢的原子量为1，氧的原子量就不应是8，而是82=16。,这样，阿伏伽德罗的分子假说还进一步解决了道尔顿所未能解决测量分子量和原子量的问题，也解决了正确书写化学式和化学方程式的问题。,4. 分子学说的影响,(1) 然而在阿佛加德罗提出分子论后的50年里，人们的认识却不是这样。因为原子这一概念及其理论被多数化学家所接受，并被广泛地运用来推动化学的发展上，所以关于分子的假说一提出就遭到了冷遇。1811年，阿佛加
16、德罗发表的关于分子论的第一篇论文没有引起任何反响。,(2) 3年后的1814年，他又发表了第二篇论文，继续阐述他的分子假说。也在这一年，法国物理学家安培，就是那个在电磁学发展中有重要贡献的安培也独立地提出了类似的分子假说，但仍然没有引起化学界的重视。这对已清楚地认识到自己提出的分子假说在化学发展中的重要意义的阿佛加德罗很着急。,(3) 1821年，他又发表了阐述分子假说的第三篇论文，在文中他写道：“我是第一个注意到盖吕萨克气体实验定律可以用来测定分子量的人，而且也是第一个注意到它对道尔顿的原子论具有意义的人”。沿着这种途径我得出了气体结构的假说，它在相当大程度上简化了盖吕萨克定律的应用。,(4) 他在文中讲述了分子假说后，感慨地写道：“在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后，正如我所预言，它将要成为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。” 尽管阿佛加德罗作了再三的努力，但是还是没有如愿，直到他1856年逝世，分子假说仍然没有被大多数化学家所承认。,5. 分子学说不
