分子的发现史

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'分子的发现史'
最早提出比较确切的分子概念的化学家是意大利阿伏伽德罗,他于1811年发表了分子学说,认为:“原子是参加化学反应的最小质点,分子则是在游离状态下单质或化合物能够独立存在的最小质点。分子是由原子组成(构成)的,单质分子由相同元素的原子组成(构成),化合物分子由不同元素的原子组成(构成)。在化学变化中,不同物质的分子中各种原子进行重新结合。”   自从阿伏伽德罗提出分子概念以后,在很长的一段时间里,化学家都把分子看成比原子稍大一点的微粒。1920年,德国化学家施陶丁格开始对这种小分子一统天下的观点产生怀疑,他的根据是:利用渗透压法测得的橡胶的分子量可以高达10万左右。他在论文中提出了大分子(高分子)的概念,指出天然橡胶不是一种小分子的缔合体,而是具有共价键结构的长链大分子。高分子还具有它本身的特点,例如高分子不像小分子那样有确定不变的分子量,它所采用的是平均分子量。   随着分子概念的发展,化学家对于无机分子的了解也逐步深入,例如氯化钠是以钠离子和氯离子以离子键互相连接起来的一种无限结构,很难确切地指出它的分子中含有多少个钠离子和氯离子,也无法确定其分子量,这种结构还包括金刚石、石墨、石棉、云母等分子。   在研究短寿命分子的方法出现以后,例如用微微秒光谱学研究方法,测得甲基(CH3·)的寿命为10-13秒,不但寿命短,而且很活泼,其原因是甲基的价键是不饱和的,具有单数电子的结构。这种粒子还有CH·、CN·、HO,它们统称为自由基,仅具有一定程度的稳定性,很容易发生化学反应,由此可见自由基也具有分子的特征,所以把自由基归入分子的范畴。还有一种分子在基态时不稳定,但在激发态时却是稳定的,这种分子被称为准分子。从分子水平上研究各种自然现象的科学称为分子科学,例如动物学、遗传学、植物学、生理学等正在掌握各种形式的不同种类分子的性能和结构,由分子的性能和结构设计出具有给定性能的分子,这就是所谓分子设计。在化学变化中,分子会改变,而原子不会改变。(抄于百度百科)分子的发现通常情况下的气体,没有颜色,没有气味,看不见、摸不着,气体里面的微粒,才是真正的分子。有什么事实来证明这一论点是正确的呢?这还得从化学的发展谈起。波义耳,是英国的化学家,同时也是一位物理学家。他研究了气体体积和压强的关系,并于1660 年公布了有名的波义耳定律。一百多年后,法国物理学家查理,又研究了气体体积和温度的关系。于1787 年提出了有名的查理定理,这两个定律虽然只说明了气体的物理性质,但却为人们从化学变化中,去研究气体体积变化规律创造了条件。1808 年,法国的化学家盖吕萨克,在研究气体跟气体发生化学反应时,得出了气体体积发生变化的规律。他发现参加反应的各种气体,彼此的体积(在一定压强和温度条件下)成简单整数比。这是他通过许多实验事实证明而得出这一结论的。在盖吕萨克提出他的气体反应定律之前,英国的化学家道尔顿刚刚宣布了原子论。但是,如果根据道尔顿当时的原子论,却无法解释盖吕萨克的气体反应定律。因此,当时他们这两种观点曾引起了一场争论,直到建立了分子的概念,弄清楚了原子跟分子的联系和区别之后,这场争论才结束。他们两种观点发生争论的焦点在什么地方呢?首先要明确的几个问题是:第一:波义耳和查理的定律,适用于任何气体。这个事实可以设想为:在同温同压下,任何气体的体积相同时,所包含有的微粒数相同。第二:盖吕萨克的气体反应定律,也同样适用于任何气体。这一事实我们可以设想成:参加反应的气体微粒数之间,呈简单的整数比。但是以上的设想产生了这样一些矛盾。首先按照道尔顿的说法,氢气、氧气等气体中的微粒是简单原子,即一个微粒只是一个原子,并且道尔顿认为原子是不可分的。那末,就解释不了2 体积氢气正好和1 体积氧气发生反应,生成2 体积的水蒸气这一事实;也就是说2 个氢微粒跟1 个氧微粒化合,能生成2 个水微粒,那么必然每个水微粒中只有半个氧微粒。道尔顿认为氧微粒(即氧原子)是不能分成两半的。然而事实上氧微粒(即氧原子)确是分开了。其次,道尔顿坚持氧微粒(他以为是原子其实是分子)是不可分的,那就只能认为2 个体积氢气中的微粒数和1 体积氧气中的微粒数相等,即2 个氢微粒和2 个氧微粒化合,生成2 个水微粒。那么,这种体积相等的气体中,在同温同压条件下所含微粒数不一定相等的说法,不仅毫无根据,并且跟波义耳、查理两人的定律格格不入。盖吕萨克经过推理认为:不同的气体在同样的体积(指在同温、同压条件下)中,所含的原子(不是前面所说的那种微粒)数,彼此应该有简单的整数比。现在来看,这一推理是正确的,而道尔顿认为微粒(分子)数可以是整数比,甚至不成比例,更不会一定相等的看法是错误的。可惜在当时那场争论中盖吕萨克未能再进一步建立起分子的概念,而道尔顿也一直认为水分子是一个氢原子和一个氧原子结合成的复杂原子。因而道尔顿的原子论中,是把原子和分子混为一谈了。道尔顿原子论的总体思想,对当时化学的发展,具有重大的积极意义,然而其中也掺杂了一些机械的主观的东西。1811 年,意大利的物理学家阿佛加德罗,参与了上述问题的讨论。他精心的研究了道尔顿和盖吕萨克两人的全部资料,经过了认真的思考后巧妙的构思出了一个周到的设想,在道尔顿和盖吕萨克两人的争论分歧之间,架起了一座桥梁,这便是分子,和原子不同的真正的分子。阿佛加德罗所设想的分子,特别是单质的分子,可以由不同数目的同一种原子组成。他认为氢气、氧气等单质分子中,各有两个原子。这样一来,盖吕萨克的气体反应定律,就能得到很好的解释了。这可以用下列方程式来说明:2 体积氢气+1 体积氧气=2 体积水蒸气2nH2+1nO2 = 2nH2O2H2+O2 = 2H2O用我们现有的化学知识,便很容易理解上面的三层关系,既能层层互相联系,各自又很合理。如果第三个式子是2H+O = 2H2O 或2H+2O=2HO 那么都是说不通的。阿佛加德罗提到的分子,是从道尔顿的原子理论中分化出来的。这种分子的概念,是阿佛加德罗根据宏观实验现象所做出的假想。是阿佛加德罗从困境中解救了道尔顿,然而道尔顿却不相信阿佛加德罗的说法。作为原子论的发起人道尔顿,坚持认为同种的原子必然互相排斥,不能结合成分子,否定H2、O2 的存在,从根本上拒绝了阿佛加德罗的一片好心。阿佛加德罗提出的分子假说,根本就是对的,但由于遭到别人的反对,自己却又提不出更有力的事实来作为旁证。加上当时化学学术界,还没有统一的原子量,也没有固定的化学反应式,很多认识比较片面,思想混乱。所有这些,都使得阿佛加德罗的学说遭受冷遇竟达五十多年之久。直到1860 年,在一次国际性的化学会议上,人们还在为分子假说争论不休,毫无结果而散会时,阿佛加德罗的学生意大利物理学家康尼查罗,散发了他的关于论证分子学说的小册子。康尼查罗在小册子的文章中,重新提到了他的老师的假说,用充分的论据明确指出:“??近来化学领域所取得的进展,已经证实阿佛加德罗、安培和杜马的假说,??即等体积的气体中,无论是单质或是化合物,都含有相同数目的分子,但它绝不是含有相同数目的原子。阿佛加德罗和安培的学说必须充分加以利用。”(安培和杜马也曾有跟阿佛加德罗近似
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