物质的构成──分子、原子

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1、精品资源物质的构成分子、原子从 1687 到 1887：1687 年是牛顿的自然哲学的数学原理上市的一年。两百年后的 1887 年，麦克斯威去世八年，赫兹正在做电磁波的实验，而两个美国人迈可生与摩利却在实验室中找电磁波的介质以太，得倒找不到的结论。这开始了廿世纪物理革命（对牛顿物理）的第一炮。这两百年中，发生了不少事。近代的世界可以说是在这时期形成， 其面目与牛顿时代之不同， 也必须要努力想象，才能体会。一些世界大事：（ 1683 施琅攻克台湾。） 1689 年俄国的彼得大帝登基，俄国开始西化。 1714 年，清廷禁天主教。 1740 年普鲁士的腓德烈大帝登基，谋取波兰。 1751-65 年，

2、法国的狄德罗 (Denis Diderot, 1713-84) 与达伦柏 (Jean DAlembert,1717-83) 出版了十七卷的百科全书 (Encyclopedia) 。1764 年，瓦特改良蒸汽机。 1765 年，孟加拉国归东印度公司。1776 年，美国独立宣言；同年，亚当司密原富( 英 Adam Smith, 1723-90, The Wealth of the Nations)出版。1789 年，法国大革命。 1798 年，马尔萨斯出版其 人口论 ( 英ThomasMalthus, 1766-1834, Essay on the Principle of Population)

3、。 1804 年，拿破仑称帝。 1825 年，英国第一条铁路通车。1833 年，莱尔出版地质原理（英 ,Charles Lyell,1797-1875,The Principle of Geology ）。 1840 年，中英鸦片战争。 1859 年，达尔文出版物种原始 ( 英 Charles Darwin, 1809-82,The Oringin of the Species by Means of Natural Selection)。 1861 年，美国南北战争；同年意大利建国。 1865 年，日本门户开放。 1867 清廷设同文馆。 1868 年日本明治维新。 1873 年，马克斯资本

4、论 ( 德， Karl Marx,1818-1883,Capital) 第一卷出版。同年，麦克斯威出版了电磁论(Treatise onElectricity and Magnetism)。1879 年，爱迪生发明电灯。以粗线条描述这二百年的欧洲： 民主的浪潮兴起， 近代的国家形成。 西方列强挟其工业化之优势，以资本主义发展经济，以帝国主义在全世界以强权殖民。到了未期，社会主义与民族主义开始抬头与之对抗。西方的势力，连同其学术、思想，也在这时期笼罩全球，包括中国与日本。从伏尔泰（法 Francois Arouet de Voltaire,1649-1778）在欧陆宣扬牛顿开始，经百科全书 学派后

5、继的启蒙运动 (Enlightenment) ，以破除迷信，提倡科学为己任，改变了一代的思想。这时期欧洲的文艺，大体的说，是从冷静的、宫廷的古典时期，走向热情的、民间的浪漫时期。在文学上，从哥德的充满哲理玄思的浮士德( 德 Wolfgang Goethe, 1749-1832, Faust)，走向狄更司描写童工的凄惨命运的孤雏泪 ( 英 Charles Dickens, 1812-70, Oliver Twist) 。音乐上，从巴哈 ( 德 Johann Sabastian Bach, 1685-1750) 严谨庄重的赋格曲，走向威尔第 ( 意 Giuseppe Verdi, 1813-190

6、1) 的悠扬华丽的大歌剧。以蒸汽机为基础的工业革命， 虽然在牛顿的思想下发展。 最初的一百年， 科学在工艺方面的应用不多。 十九世纪以后，科学与技术结合（特别是电力的应用），欧洲工业突飞猛进，遂造成了欧洲横扫世界的殖民霸权。欢迎下载精品资源物质构成的古代思想：物质除了运动之外，一些性质，显然也是重要而且有关系的。如：物质为什么有轻有重？有软有硬？有的易碎，有的坚固？（这些在老式的物理中称为 物性学 ，今称凝态物理 ）。进一步接下来的问题：为什么会这样？物质有几种？有没有合理的分类？如果有， 各种物质可否变化？具体的例子如：海水煮干可以得盐，盐又可溶于水。但木材燃烧成灰之后，便很难恢复原状。其中

7、有无可以理解的道理？这些就是化学的基本课题。各古代文明都有对物质的构成有些说法。例如：中国古代以金、木、水、火、土五行来说明各种物质的基本性质或 成份。亚理斯多德则提出 火、气、水、土四性之说，阿拉伯人则以盐、硫、汞为三要素。这些想法，虽非没有观察基础，但几乎没有数量化的测定，大致是一种经验后的综合信念。在这种信念之下，也相信有办法把一些物质变成别种物质。这在中国就引起了炼丹术，在西方就有炼金术。这可以说是化学的起源。炼丹术与炼金术：中国人有记载的炼丹术最早或许是汉武帝时的淮南王刘安（道家后来奉老子为炼丹的始祖， 很可能是道士符水治病时的附会） 。此后的炼丹名家有东汉时之魏伯阳 （着有周易参同

8、契 ）、晋代的葛洪（着有抱朴子）等。他们的目的是炼出药来，服用之后可成仙或长生不老，但亦有用以治病的。西方的炼金术也有悠久历史。希腊、罗马都有不少记载。公元292 年，罗马皇帝下令禁止炼金术， （认为那是一种巫术）。但到十二世纪，炼金术又从阿拉伯传回欧洲。炼金术的目的是找哲人之石（ Philosophers stone ）以点铁成金。这个目标虽然不曾达到，但发展出一些技术与经验，如：加热、熔解、蒸发等，对后来的化学研究，不无助力。十六世纪欧洲城市中人口渐多， 传染病盛流行。 这使炼金术的技术， 转为制药之用。（这似乎与炼丹术更接近了。）公共应用的倾向，不可避免的引导出公开讨论与理性的态度。 欧

9、洲文艺复兴以后， 十七世纪时量化的研究与逻辑理论建构（这正是古中国科学中缺少的）受到重视，现代的化学逐渐出现。原子观念之重现： 所有的物体都可以细分， 但这种细分有没有限制？公元前五世纪便有希腊哲人（ Leucippus, Democritus, Epicurus 等），为了了解在变动的世界中的不变，主张所有物质都有一个不生不灭的最小单位，称为原子（ atom）。但这个观念，纯由哲理玄思而来，在各种学说争鸣之下（大部份的人相信物质是连续的），亦没有受到特别重视。牛顿也有相似的猜测，但他很清楚尚须观测证据支持。 一直到十七世纪， 它又被提出来解释一些化学现象， 原子的科学研究方才开始。爱尔兰化学

10、家波义尔（ Robert Boyle,1627-1691) 在 1661 年出版了怀疑派的化学家（ The Sceptical Chymist) ，首先提出了区分元素（不由任何其它物质构成的原始而简单的物质）、化合物的观念。1666 年，他又在形态与性质之原始（ Origin of Forms and Qualities) 提出了原子与分子（但未用这样的名称）的概念：原子是构成元素的最小物质粒子，有一定的形态。 而原子又可以与其它原子构成特定的形态， （今称为分子），是化合物的最小物质粒子。 他认为：有了这些观念， 较易理解为何重复的化学实欢迎下载精品资源验（如燃烧），会得到相同质量比例的数值

11、结果，换言之，一种分子中的原子成份是一定的（定比定律）。这些观念成为近世化学的基础。 爱尔兰人称他为：化学之父与科克伯爵之叔父。波义尔虽然有这些观念，但他寻找元素的成绩有限。他与他的助手虎克，研究改进真空技术，发现了波义尔定律 （气体之体积与压力成反比）。他们也发现如果容器中空气很少， 其中的小动物会窒息而死， 火也会熄灭； 而且这过程中，容器中的空气只减少一小半（现在知道减少了氧），剩余的气（氮与二氧化碳）却不能维持燃烧或供呼吸。因此他证明了空气是混合物。但他们却无法取得纯气来研究其性质。燃素与氢、氧的发现：西方古来对燃烧有一种燃素（ phlogiston）的说法：物体中含有燃素的才会燃烧，

12、燃素烧尽，燃烧便停止。例如：硫磺被认为是纯的燃素，因其烧后留下的灰烬不多。这也解释了木材烧成灰后，不能再烧，而且重量减轻的现象。在封闭的玻璃容器中，燃烧不能完全，是因为空气中燃素太浓会抑止燃烧。波义尔也研究燃烧。 他发现金属（铅、锡等）在封闭的玻璃容器内锻烧之后，重量反而增加，但却并不变得较为可燃。这引起了对燃素的怀疑（现在知道这是氧化的关系，波义尔却用一种能穿透玻璃的火粒子来解释这现象）。在波义尔后一百年， 人们继续对最常见的空气与水的性质作研究，终于发现了氢与氧。1766 年英国人凯文德许把锌片浸在稀硫酸中，收集其产生之气。他发觉这种气可以产生强烈的燃烧（爆炸），故称之为可燃空气。（很多人

13、希望这就是气态的燃素，但其它燃烧却不产生此气，故仍难自圆其说。）这是现在的氢。1774 年英国牧师普列斯特利（Joseph Priestley,1733-1804)用聚光镜照在三仙丹（朱砂、氧化汞）上，收集其产生之气体。他发觉这种气体有助燃之能力。他称之为缺燃素空气。这种空气会吸引木材中的燃素，使它跑出来的快一点，故能助燃。这自然是现在的氧。他有一次为了娱乐朋友，把氢气与空气混合后点燃，产生爆炸。他发觉容器壁上有些水珠，但他不以为意。凯文德许听到之后，加以研究，做出了合成水，并量出氢氧的比例。凯文德许出身富豪之家， 但生性孤僻， 除了做科学研究之外， 没有任何其它兴趣。普列斯特利一生清贫，但安

14、贫乐道，兴趣广泛（他发明了汽水）。这两位个性完全相反的英国人虽首先发现了氢、氧，但仍不能突破燃素的说法，故不能认出这即为波义尔所寻找的元素。与他们同时的法国人拉瓦锡，却完成了这工作。拉瓦锡（ Antoine Laurent Lavoisier, 1743-94) 出身于巴黎的一个以法律出名的世家。 早年也学法律， 但不久他的科学才能就显露了。 二十一岁以一篇论街道照明的文章， 获得法国科学院的奖章。 二年以后他被选入科学院。 但他一年以后又加入了有贪渎恶名的税务工作。 二十八岁成婚， 妻子既美且慧， 鼓励他的欢迎下载精品资源科学工作。 1789 年法国大革命爆发，税吏成为民众最恨的对象之一。拉瓦锡受审时提出其科学成就请求赦免，法官说： 共和国不须要学者。这样，为后世所公认的化学之父在五十一岁时上了断头台。拉瓦锡与前人方法不同的最大的地方， 也许是他的重视量的精确。 他也许是第一个使用器皿前，坚持澈厎清洁的化学家。他最重要的成就是：(1) 证明水不会变土。拉瓦锡以前，很多人（包括牛顿）相信水烧久了就会凝结成土（可见当时之水有多混浊） 。拉瓦锡将水蒸馏八次， 发觉水量几乎未减，余渣也微。(2) 证明了在化学反应中，质量之守恒。他重做了有关燃烧、锻锡、三仙丹还原等实验，小心地防止气体之逸失。证明了反应前后质量没有变化。这使