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化学的黄金时代 |
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物质构造的探讨 工业革命兴起后，机器大工业所产生的精密天平、分光仪器、化学试剂、电解方法等，为化学研究提供了大量新课题和物质技术手段。 玻义耳在18世纪提出元素概念，把化学确立为科学。紧接着拉瓦锡提出燃烧的氧化学说，推翻了燃素说，使化学走L了正确的发展道路。 19世纪，化学由它的经验阶段迈进到理论阶段，建立了由无机化学、有机化学、分析化学、物理化学组成的完整体系，成为化学发展的黄金时代。 19世纪无机化学的发展，主要是围绕原子一分子学说的创立、各种新元素的发现和化学元素周期律的最后完成来展开的。 原于一分于学说，是化学各个分支共同的理论基础，在它创立之前，化学上发现了当量定律、定比定律等一系列的经验定律。 1791年，德国化学家李希特尔在进行完全化学反应时。发现一定量的一种元素总是和一定量的另一种元素相互作用。在酸碱反应中，他发现中和一定数量的酸，也需要确定的相当数量的碱，反之亦然。于是，他提出了中和定律和当量定律。 法国化学家费歇尔揭示了任何纯净的化学物质在相互化合时，都按照相当的量成比例地进行。在1802年，他制定出早期的酸碱化合当量表。 1799年，法国药剂师普罗斯在大量的实验中，通过定量研究发现，两种或两种以上的元素，在化合成某种化合物时，它们的比例是天然一定的，各种成分既不能增加，也不能减少。于是他在系统的、精密测定的基础上，提出了定比定律。 普罗斯的定比定律没有立即得到人们的承认，而是引起怀疑和反对。当时，法国化学界的权威贝特雷从“化学亲合力”的角度，认为一种物质可与有相互亲合力的另一种物质以一切比例相化合。直到1860年，比利时化学家斯达才把这一定律确定下来。 随着当量定律和定比定律的发现，人们感到氧化学说不能解释一切化学现象。 怎样科学地解释在化令物和化学反应中的数量关系呢？人们想到化学元素可能是由占希腊人提出的原子构成的，也可能是玻义耳等人主张的物质微粒所构成的。 古希腊哲学家德漠克利特提出了比较系统的原子学说。他认为，原子是一种不可再分的最小的物质粒子，是构成物质世界的统一的物质本原。原子本身具有运动的属性，物质世界的运动，实际是原于的运动。 玻义耳认为，物质是由基本微粒构成的，微粒的不同排列和组合，构成了各种物质。 原子论的创立 但是，无论是原子说还是微粒说，都只是一种猜测，近代化学的物质结构学说需要有可靠的实验事实、精确的定量分析、合理的逻辑论证。 这首先是由英国化学家道尔顿完成的。他所创立的科学的原子论，对化学、物理学乃至整个科学都产生了极为深远的影响。 约翰·道尔顿于1766年9月6日出生在英国坎伯兰郡一个穷乡僻壤的茅屋里。父亲是个贫苦农民兼做织工，由于收人微薄还要养活6个子女，家庭经济相当困难。 尽管家境贫寒，在道尔顿6岁时，父母还是想方设法让他上了本村小学。道尔顿好学深思，成绩优秀。对于一些难题，一般学生在做不出来时，就去请教老师了。但道尔顿有股韧劲，解不出难题决不罢休。 有时候，为了一个难题，道尔顿要思考几天，老师便想指点一下，道尔顿说：“请不要帮忙，我一定要自己做。”因此，道尔顿深受老师的喜爱，弗莱彻先生称赞说：“在这些孩子中间，就思想的成熟而论，谁也比不上道尔顿。” 几年后，由于家里实在交不起学费，道尔顿被迫辍学。但热爱学习的道尔顿仍然不时地去学校旁听。 道尔顿在12岁时担任本村小学的教师，一边教书，一边从事田间劳动。 1781年，15岁的道尔顿外出谋生，来到肯代尔镇，在他表兄办的中学担任教员。在教学之余，他发奋读书，无论是数学、物理，还是哲学、文学，他都爱不释手，广泛阅读。 1793年，道尔顿受聘到曼彻斯特一所新学院，讲授数学和自然哲学。 这一年，道尔顿第一部科学著作 《气象观察和研究》在曼彻斯特出版。在这部著作里，道尔顿分析了云的形成、蒸发过程和大气降水量的分布等，总结了他的观测结果，对气象学的形成和发展，起了一定的启蒙作用。 这部著作的出版，使年仅27岁的青年教师道尔顿引起了科学界的重视。 在曼彻斯特期间，道尔顿教学负担繁重，又缺乏实验室，妨碍了他对自然界的科学探索。1799年，道尔顿毅然辞去了教授职务，以当家庭教师为业，过着清贫的生活，在科学的道路上不断地探索、研究。 道尔顿原子论的建立是从对混合气体扩散的考察开始的。 道尔顿说：“由于长期做气象记录，思考大气成分的性质，我常常感到奇怪，为什么复合的大气，两种或更多种弹性流体的混合物，竟能在外观上构成一种均匀体，在所有力学关系上都同简单的大气一样。”为了了解混合气体的组成和性质，他开始了气体和气体混合物的研究。 1801年，道尔顿在一组论文中认为，各地的大气都是由氧、氮、二氧化碳和水蒸汽四种主要物质成分的无数微粒或终极质点混合而成的。 混合是怎样发生的呢？道尔顿指出，气体混合物的形成是因为气体彼此扩散的缘故。 通过一系列的实验，道尔顿总结出物理学上的气体分压定律：混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和，而每一组成气体的分压力等于该气体独占混合气体原有体积时的压力。这个定律被称为“道尔顿分压定律”，至今仍被广泛应用。 正是从这里出发，使道尔顿最终走向了有关物质结构和化学反应的原子论道路。 1802年11月，道尔顿在曼彻斯特学会上宣读了他的第一篇化学论文《组成大气的几种气体或弹性流体的比例的实验研究》，揭示了元素化合存在着某种数量关系。 元素化合时为什么会表现出这种数量关系呢？要解释这个问题，必须揭开物质构造的秘密。 道尔顿在研究气体时，提出过微粒的思想。他又想到古希腊的原子论，它认为一切物体都是由不可再分的原子构成的，原子小到不可计量，但是形状、大小和排列都是不同的。 把两者联系起来，道尔顿觉得物质应该是由微粒或者是由原子构成的，但是必须加以证明，才能成为科学的理论。 道尔顿最先提出原子量的概念。他以实验为依据，认为物质一定由原子组成，而且原子有一定的大小和质量。但原子的绝对质量非常小，不可能直接测量。于是他把最轻的氢原子的质量规定为 1，并以此为标准来测定其他原子的相对质量，这种相对质量即元素的原子量。 道尔顿最早规定的一些元素的原子量记载在1803年9月6日的工作日记上，后来他又增补了一些元素的原子量，并对原来的一些原子量数值做了修订。 道尔顿算出的原子量实际是元素的当量，算出的数值也不够准确。但他提出的原子量概念使过去模糊不清的原子观念有了比较明确的定量依据，并促进了原子量测定工作的普遍开展。 恩格斯说：“在化学中，特别是由于道尔顿发现了原子量，现已达到的各种结果都有了秩序和相对的可靠性。已经能够有系统，差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻，就像计划周密的围攻一个堡垒一样。” 1803年10月18日，道尔顿在曼彻斯特“文学哲学学会”上，首次报告了他的化学原子论的要点： 1.化学元素的最终组成是看不见的、不可再分割的物质粒子，这种粒子就是原子。原子既不能被创造，又不能被消灭，在一切化学变化中保持其性质不变； 2.同一元素的所有原子，在质量和性质上完全相同；不同元素的原子，在质量和性质上都不同。每种元素以其原子质量为其最基本的特征； 3.一种元素的原子与另一种元素的原子化合时，它们之间成简单的数值比； 4.有简单数值比的元素的原子结合时，原子之间就发生化合反应而结合成化合物，化合物的原子称为复杂原子。复杂原子的质量为所含各种元素原子质量的总和。同一化合物的复杂原子，其形状、质量和性质也必然相同。 道尔顿为了说明自己的理论，设计出一套符号，如： 氢：⊙ 氮：① 氧：○ 碳：● 水：⊙○ 这种表示方法，实际上是化学分子式的早期形式。 道尔顿还创立了倍比定律。 他在分析当时已知的氮的三种氧化物——笑气（ＮＯ）、一氧化氮（Ｎ 2Ｏ)、二氧化氮(ＮＯ）中氧的质量百分比时发现，如果把笑气中氧的质量 2百分比看成一个常数的话，它与一氧化氮、二氧化氮中氧的质量百分比之间存在着简单的整数比关系。 1804年，道尔顿进行了沼气（甲烷CH）和油气（乙烯CH）这两种气体 4 2的化学成份的分析实验，发现沼气中碳与氢的比例为4.3∶4，而油气中碳与氢的比例为4.3∶2，沼气中的氢含量为油气中氢含量的两倍。 倍比定律证实了道尔顿的原子论。因为，如果原子学说符合事实，原子不可分，那么元素必然以整个原子的形式相互化合，如果同一元素在不同化合物中数量不同的话，就只能成为整数比。 反过来说，如果倍比定律完全正确，也就证明了原子学说的正确性。 这样，在原子观点的启迪下，道尔顿发现并解释了倍比定律，同时倍比定律的发现又成为他确立原子论的重要基石。 道尔顿做了大量的实验，进行了复杂的计算，令人信服地证明了借比定律的正确性，为原子学说提供了可靠的实验基础。 道尔顿认为，化学分解和化学结合是化学科学研究的中心课题。 他说：“化学分解和化学结合只不过是把终极质点或原子彼此分开，又把它们联合起来而已。要创造一个氢原子或消灭一个氢原子，犹如向太阳系引进一颗新的或消灭一颗原有的行星一样不可能。我们所能进行的一切化学变化无非是把处于化合状态的原子分开和把分离的原子联合起来。” 当时的化学领域是一堆杂乱无章的观察资料和实验的配料记录，材料的堆积多于材料的整理，虽然质量守恒定律、当量定律、定比定律等化学基本定律已经发现，但还没有用统一的理论来阐明。 1807年，道尔顿的代表作《化学哲学新体系》一书问世，全面而系统地阐述了他的原子论。 有人说，“原子论”是古老的，不是道尔顿的首创。但是，道尔顿以前的原子理论不是用来揭示化学的奥秘，而是探秘世界本原的含糊的哲学理论。 道尔顿说：“有些人总是把我的理论叫做假说，不过请相信我，我的原子论是真理。我所得到的全部实验结果，使我对这一点深信不疑。” 由于道尔顿的伟大贡献，1808年5月，他被选为曼彻斯特文学哲学学会 “副会长”。 1816年，道尔顿被选为法国科学院的通讯院士，受到欧洲科学界的推崇。 1817年，道尔顿又被选为“文学哲学学会”会长，直至逝世。 享誉欧洲乃至全世界的道尔顿却不是英国皇家学会的会员。根据惯例，皇家学会不会选任何人为会员，加入者必须自己申请。戴维建议道尔顿提出申请，道尔顿说：“对科学来说，一个科学家摆在哪儿是无关紧要的，重要的是他要对科学作出贡献。” 1820年，戴维当选为皇家学会会长。因享誉世界的道尔顿竟然不是皇家学会会员，使皇家学会受到巨大压力。戴维没有经过道尔顿的同意，提议他为会员。 1822年，道尔顿成为英国皇家学会的会员。1826年，英国政府授予他一枚金质勋章。 1832年，道尔顿被授予牛津大学博士学位。这是牛津大学的最高奖，那时，只有著名物理学家法拉第获得过这一殊荣。 此外，道尔顿还是柏林科学院名誉院士，莫斯科科学协会会员，慕尼黑科学院名誉会员。 道尔顿曾用两句话来概括他的成功经验，那就是：“午夜方眠，黎明即起。” 道尔顿的一生可以说是艰苦奋斗的一生。他性情比较孤独，沉默寡言，然而对科学一往情深，倾注了他的满腔热情和毕生心血。他没有结婚，过着独身生活，原因是“没有时间交女友，谈爱情”。 每天清晨，道尔顿就起床了，第一件事是到实验室里，扫地抹桌生炉子，准备好一天的实验工作。早饭后，他就走进实验室，开始了紧张的研究工作。在实验室里，他往往一呆就是一整天，常常忘了吃中饭。夜幕降临了，他才依依不舍地去吃晚饭。然后回到房间读书，直到深更半夜。 他坚持这种方式生活和工作，几十年如一日，是非常不容易的。 实验用的仪器大多数是道尔顿亲手制作的，实验材料也都是他搜集的不值钱的东西。有一件自制的气压计，度盘是用纸制成的，刻度是用笔划上去的，但却精巧实用。 由此可见，道尔顿一生在极其艰苦的条件下坚持科学研究是多么地努力，并取得了卓越的成就，更是难能可贵。 道尔顿在科学上的最大贡献是创立了原子论，抓住了化学学科的核心和最本质的问题，用原子的化合和分解说明了各种现象及化学定律间的内在联系，成为物质结构理论的基础。 原子论是17世纪末和18世纪初在化学研究中具有划时代意义的成果，对物理学和化学的发展产生了深远的影响。 道尔顿是世界的骄傲，更是曼彻斯特的骄傲，曼彻斯特人为了表达对道尔顿的崇高敬意，在市政府大厅里竖立了道尔顿的半身雕像，推选他为曼彻斯特市的荣誉市民。 1844年7月26日晚，78岁高龄的道尔顿做了最后一次气象记录，这时时间正好是9点差一刻。57年来，他每晚都是在这个时候记录下当天的气象数据。 可是，今天晚上，他的手颤抖着，不听使唤，道尔顿感到已近生命垂危，但是他仍坚强地拿起笔，记录下气压计和温度计的读数，并在最后一格记下了“微雨”两字。他站起身来，忽然发现日期没签上，便又坐了下去…… 几个小时后，这位伟大的科学家已经静静地安息了。 8月12日，100多辆马车护送着道尔顿的灵枢，曼彻斯特人排成长长的送葬队伍，在哀乐的肃穆声中慢慢地向阿尔德维克墓地移动。 1962年，曼彻斯特市教育委员会将市立大学工学院命名为道尔顿工学院，并把道尔顿雕像从市政大厅移至学院新落成的现代化教学楼主楼前。道尔顿双眼凝视着前方，好像是在展望未来的科学发展。 分子学说的证明 道尔顿的原子论揭示了一切化学现象不过是原子的运动这一化学本质，真正地奠定了化学的科学基础。 但他的原子论有两个缺陷，一是否定了物质分割的不可穷尽性，认为原子是不可分的最小的物质微粒；二是忽略了原子和分子的区别，把化合物视为复杂原子。 道尔顿在后期固步自封，阻碍了原子论的进一步发展。 首先创立分子论的是意大利化学家阿佛加德罗。他在1811年发表了一篇题为《原子相对质量测定方法及原子进人化合物时数目比例的确定》的论文，首先提出了分子的概念。 他认为原子是参加化学反应的最小质点，分子是保持物质一定特性的最小单位，分子是由原子组成的。单质分子是由相同元素的原子组成，而化合物分子是由不同元素的原子组成的。在化学变化中，不同物质的分于间各原子重新组合。他还指出，一切气体在同温同压下，相同的体积中含有相等数目的分子。 阿佛加德罗的分子学说是正确的，但是人微言轻，他的理论没有得到化学界的重视，被冷落了大约半个世纪。原因一是阿佛加德罗拿不出充分的实验证据，二是当时化学界的权威如道尔顿等人否定他的理论。 直到 1860年，意大利化学家坎尼查罗调和了原子学说和分子学说的分歧，使原子一分子论成为一个完整的理论体系。 1860年9月，在德国举行的国际化学会议上，坎尼查罗散发出论证分子学说的小册子《化学哲理课程大纲》，强调把分子和原子这两个概念区别开来。他指出，只要把原子和分子区分开来，不固守陈见，就能发现化合物的分子含有不同种类和数目的原子，单质分子中只含有一种原子。 坎尼查罗的论点很快被人们接受，原子一分子论的理论体系得到了完善。 电化学的创立 在道尔顿原子论发表后，理论化学领域除了分子论的提出之外，英国化学家戴维还提出了物质结构的二元学说，同时他还在实验化学领域发现了许多新的化学元素，推动了化学的发展。 1807年的一天，伯纳德兴奋的走进实验室，高声说道：“祝贺您，戴维先生。” 正在忙于实验的戴维满腹狐疑，用一只眼睛不解地看着同事。 “法国拿破仑皇帝发布一项命令，授予英国化学家汉佛利·戴维勋章一枚。” “为什么？” “表彰你在电学及化学方面的功勋。” “确实是很高的荣誉。” “可是指定授奖仪式在巴黎举行，而我们正在和法国打仗，怎么能去敌国受勋呢？” “我不同意您的看法，”戴维严肃地说：“我是为科学，为整个人类而工作的。如果说科学家要进行斗争，那么他只能为夺取某种信念的胜利而斗争，为坚持真理而斗争。” “科学是不分国界的，我决定去法国。” 富丽堂皇的巴黎凡尔赛宫，法国科学院在这里举行了隆重的授奖仪式，授予为科学做出杰出贡献的戴维一枚勋章和3000法郎奖金。 戴维，于1778年10月27日生于英国一个木器雕刻匠的家里，幼年时期受过一定的教育，在文学方面表现出才能，不久父亲病故，被迫辍学。 17岁时，戴维到一家药店当学徒，从医生和药剂师那里接触了化学。从此，戴维迷上了一些简单的化学实验。 1798年，戴维被聘到克里夫顿气体研究所当医药化学家托马斯的助手。 在这里，戴维和托马斯共同发现了“笑气”，即一氧化二氮。 一天向来幽静的克里夫顿实验室，突然传来“哈哈、哈哈哈、……”的阵阵狂笑，隔壁的实验员进来一看，戴维和托马斯不知什么原因而笑个不停。 “你们发神经病了！” 当实验员把他们扶出室外后，渐渐地，他们恢复了平静。 “你那瓶气体被我碰倒打碎后，我就不由自主地笑了起来，现在只感到头疼，戴维，你呢？” “我也不知为什么跟着笑了起来，看来是那瓶气体捣的鬼。” 这就是戴维和托马斯发现的一种奇怪的气体——一氧化二氮。紧接着，戴维反复研究这种气体，发现它具有麻醉作用，能令人狂笑不止。从此，人们称这种气体为“笑气”，戴维也成为“笑气专家”。 戴维发现笑气后，顿时闻名欧洲。 1801年，戴维被聘为伦敦皇家学院教授，讲授应用化学和农业化学。戴维年青有为，讲课极为幽默生动，吸引了大批学生。 戴维同时还进行了电化学的研究，在伏打电池的基础上，对能够组成电池的物质进行了广泛的实验。1806年，他在《论电的某些化学作用》中，探索了电解法在化学实验中的某些作用。 1807年，戴维用250对锌片和铜片组成的强大电堆，成功地实现了对草木灰 （碳酸钾）和苏打（碳酸钠）的电解，在阳极上放出氧气，在阴极上析出金属钾和钠，从而发现了两种重要的新金属元素：钾、钠。 在电化学的研究中，戴维提出了二元论的接触学说。 他认为，物质由带阴电的部分和带阳电的部分组成，把这两部分结合在一起的化学亲和力，就是它们之间的静电引力。因此，化学变化的本质是电变化。 当不同的原子相互接触时，就产生了感应而分别带上了相反的电荷，其强弱随元素而不同，在静电引力作用下将原子结合在一起。 这样，戴维对物质结构理论进行了探讨。 戴维用电解法发现了钾和钠这两种元素后，继续用电解法寻找新元素。他对生石灰、重晶石等进行电解，但是没有成功。 一天，戴维专心地忙于实验，当别人离开实验室去吃饭时，他仍然不停地忙着。 突然，实验室里响起爆炸声。 人们迅速赶来，只见戴维躺在地上，一只手捂住满是鲜血的面孔，不省人事。 戴维被送进医院，悲伤地躺在床上，虽然伤势并不太重，但是他从此只能用一只左眼观看这个美好的世界了。 尽管只是一只眼睛，一般人可能承受不了这个打击，但戴维表现出了一个科学家的刚毅和乐观精神。他说：“幸好只瞎了一只眼睛，但我还有另一只眼睛能看见东西，继续进行研究，这就足够了。” 1808年，戴维成功地对生石灰、重晶石、苦土和锶矿石进行了电解，发现了钙、钡、镁、锶4种新金属元素。 1809年，戴维又锦上添花地析出了硼。 从此，戴维的电解法受到举世瞩目，创立了物理化学中的电化学。 戴维在1808年还研究了元素氯。实验证明氢中不含有氧，它是一个独立的元素，确证酸的主要成分是氢。从而推翻了拉瓦锡“一切酸中都含氧”的错误结论，认为“一切酸中都含氢”。 戴维对科学做出了杰出的贡献。在1808年，重视科学的拿破仑，不顾英法处于战争中的敌对局面，授予他科学勋章。 贝采利乌斯的贡献 道尔顿的原子论，促进了对化学物质结构的研究。戴维在研究中用电解法发现了7种新元素，而瑞典的“化学大师”贝采利乌斯又发现了很多化学元素。 贝采利乌斯系统地发展了道尔顿的原子论，非常准确地测定了大约 50种原子的原子量；创立了以拉丁名称的开头字母作为元素符号，意义重大；提出了“有机化学”的概念，奠定了有机化学的基础。 1779年，贝采利乌斯出生在瑞典南部的一个小山村，不久，父亲去世，为了生活，母亲被迫领着他改嫁。 贝采利乌斯在上中学时，在一位自然史老师的影响下，对自然科学产生了兴趣。17岁时，他考人乌普萨拉大学医学系，一边学习，一边当家庭教师。在这里，他有幸结识一位化学教授，学到了一些化学知识和实验技术，并对化学产生了浓厚的兴趣。 1802年，贝采利乌斯通过了论文答辩，被任命为斯德哥尔摩外科学校的助教。在教学之余，投身到化学实验中，第二年就发现了新元素铈。1806年，贝采利乌斯被任命为该校的化学讲师。 1807年，道尔顿的原子论发表后，贝采利乌斯进行了研究，并立即接受了，但他觉得道尔顿的原子量测量不精确。这一年，他被任命为斯德哥尔摩大学的化学教授，开始了原子量的测量工作。 道尔顿的原于量是以氢作为基数1而间接推算出来的。贝采利乌斯认为氢只能与少数的元素结合成化合物，那些不能与氢化合的元素原子量就难以测定了。而与氧结合的元素要比与氢结合的元素多得多，因此应该以氧的原子量为基数。 在贝采利乌斯测量原子量时，条件是非常差的，一是仪器设备较简陋，一二是缺乏试剂，就连分析用的盐酸都要亲自制取，但他有奉献的精神、满腔的热情、惊人的毅力、高超的技巧、不依靠助手的帮助，独自进行了浩繁的原子量测量工作。 1813年，贝采利乌斯准备发表他的原子量测定报告，由于当时化学界使用的元素符号和化学式不相同，他感到有必要建立一个统一的符号系统。 贝采利乌斯最早使用了字母作为元素符号，规定每种元素的拉丁名称的开头字母作为元素的代号。如氧的拉丁名称是Oxygenium，它的元素符号就用第一个字母“O”来表示。 如果拉丁名称的第一个字母相同，就在第一个字母后加上第二个字母或者别的字母加以区别，如：用B表示硼，用Bi表示批，用Ba表示钡，用Br表示溴。这套符号一直沿用至今。 贝采利乌斯还把他的元素符号运用到化学式中。 贝采利乌斯对2000多种化学物质进行了分析，把当时已知的40多种化学元素的原子量进行了较为精确的测定，他花费的劳动量可想而知。 辛勤的劳动结出了丰硕的成果，1814年、1818年、1826年，贝采利乌斯先后3次发表了原子量表。精确度达到小数点后第三位，绝大多数数值和现代值相差极小。 贝采利乌斯在原子量方面做出了卓越的贡献。 贝采利乌斯在物质分析中，发现了一些化学元素。1803年发现了铈，1817年发现了硒，1823年发现了硅，1824年发现了钽，1828年发现了钍。 贝采利乌斯还指导学生发现了新元素。塞尔斯达姆在研究铁矿时，发现一颗不寻常的黑色颗粒，便预感到这是一种新元素的化合物，便和老师共同分析研究。连日来的实验，使塞尔斯达姆失去了信心，因家里有事便回老家去了。 学生走了。但老师仍然耐心地研究着，不久，终于发现了钒。 从钒的发现过程来看，它可以说是贝采利乌斯发现的，而他非常谦逊，把这一发现让给了塞尔斯达姆一人独享。 贝采利乌斯除了精确地测量原子量、创立科学的元素符号和化学式、发现一系列的元素外，还探讨了物质结构理论。 在1812年，贝尔利乌斯发表了以二元学说为基础的电化学说，认为任何物质都是由带正电和带负电的原子相互吸引而形成的，一切化合物的亲和力，在本质上都是静电力和两种相反电荷的相互吸引。 贝采利乌斯最早在互806年引用“有机化学”的概念，认为它是研究动物、植物有机体的化学，从而和无机界的矿物化学相区别。还提出了催化剂的概念，在1830年还研究了物质结构的同分异构现象。 贝采利乌斯很重视教学，编写了《化学教程》，培养了莫桑德尔、维勒等一批著名的化学家。 贝采利乌斯既是理论化学大师，又是实验化学大师，是永放光芒的一代宗师。 1848年8月7日，辛勤劳动一生的贝采利乌斯，终于能够安静地“休息”了… 贝采利乌斯用分析方法、戴维用电解法分别发现了很多元素。 19世纪，英国的武拉斯顿、台耐特和俄国的克劳斯，进一步发现了钯、铱、锇、铑、钌等元素。 法国化学家库特瓦和德国的罗威分别发现了碘和溴。 法国的另一化学家莫瓦桑还成功地制得了最难分离的氟。 氟的化学性质非常活泼，且有剧毒，要制取它十分不易，充满危险。虽然在18世纪末期就已发现了它的存在，科学家们通过奋斗和牺牲，一直制取不出来，被视为科学研究的“死亡之路。” 从1884年汁始，法国的莫瓦桑以超人的胆略，知难而上，决心征服这个元素。他在实验中虽有失败，但终于在1886年首次制得了单质氟。 除了分析法、电解法，人们还用光谱法寻找新元素。创立光谱分析的是德国化学家本生和物理学家基尔霍夫。 在1811年，德国的哥廷根诞生了一个婴儿，他就是后来成为著名科学家的本生。1830年，他获得博士学位，即从事化学研究，为科学事业奋斗终生。 1853年，他发明了“本生灯”，也就是煤气灯。他用煤气灯做实验时发现，各种金属盐在火焰中呈现不同的颜色，如钠盐呈黄色，钾盐呈紫色，钡盐呈绿色。 本生把这一发现告诉了朋友基尔霍夫。他很感兴趣，两人决定共同研究化学物质的光谱。 1859年，他们把望远镜和三棱镜联合起来，创制了分光镜。用分光镜可以精细地观察各种金属元素所呈现的分立的彩色线条，这些线条叫做谱线，故称“线状光谱”，这与7色依次相连的太阳光线是不同的，太阳光线称之为“连续光谱”。 他们用分光镜研究了一系列元素的线状光谱，认识到每种金属元素各有其特征的谱线，并且不受其他元素的于扰，不受含量多少的限制。这就为人们寻找含量稀少的新元素，提供了可靠的手段。 1860年5月10日，他们利用分光镜从矿泉水中，发现了金属元素铯。1861年2月23日，他们又从锂云母矿中，发现了金属元素铷。这两个元素的光谱呈现美丽的蓝线和红线。 1861年，英国物理学家、化学家克鲁克斯，利用光谱仪测定制备硫酸的剩余残渣的光谱时，发现了一条明亮的绿色谱线。他经过分析研究，断定这是一种新元素发射的，把这种新元素命名为铊。 1863年，德国化学家赖希发现了新元素铟。 这样，通过不断的分析研究，到19世纪60年代，人类已经发现60多种化学元素。 化学元素的分类 随着时间的推移，人们发现的元素不断增加，对元素性质的认识也不断深入。 那么人们不禁要问，自然界到底有多少元素？元素之间有没有什么关系？当时人们在测定元素原子量的同时，开始对元素进行分类研究。 最早把元素分类的是法国的拉瓦锡，把他认为是元素的33种元素分为4类：金属、非金属、气体、土质。这个分类只能是个尝试，其中有很多不是元素，也没有触及到元素之间的内在联系。 瑞典化学家贝采利乌斯把元素分为3类，即负电性元素、过渡性元素、正电性元素。他试图以元素的本质来分类，稍微有些进步。 1851年，英国医生普劳特第一次试图把所有的元素统一在一定的秩序下。他根据当时测定的原子量都近似整数，并且是氢原子量的整倍数，提出所有元素都是由氢原子构成的假说。 普劳特假说过于牵强，当然不能成立，但他第一次从原子量方面来研究元素之间的关系，影响较大。 1829年，德国化学家德贝莱纳在探索元素的原子量和其化学性质相互关系的基础上，对元素进行局部分类，提出“三元素组”的分类法，从已知元素中抽出15种，分为5组： 第一组：锂钠钾 第二组：钙锶钡 第三组：氯溴碘 第四组：硫硒碲 第五组：锰铬铁 德贝莱纳发现，原子量相近的元素，其性质也比较接近，在上面划分的5组中，同组元素的性质相近，中间一个元素的性质介于前后两个元素之间，而它的原子量正好是前后两个元素原子量的算术平均数的近似值。 “三元素组”分类法，向人们揭示了元素的原子量和元素的性质之间确实存在着内在关系，为人们指明了探索元素规律的方向。 1850年，德国药物学家培顿科弗提出，性质相似的元素原子量相差常为8或8的倍数，井对“三元素组”分类法进行了修正，把一些原子量相近、性质相似的元素加进相关的组中去。 另外还有法国化学家尚古多把元素按原子量大小排列的螺旋图，英同化学家纽兰兹把8个元素按原子量递增排列的“八音律”等等。 在化学元素周期律最后完成之前，人们对元素的分类不下50种，有些比较牵强，有人挖苦地说：“把元素按字母顺序排列起来，是否能得出什么规律呢？” 但人们对元素规律的探索，为最终的元素周期律打下良好的基础。正是在这样的条件下，德国化学家迈尔和俄国化学家门捷列大最后完成了化学元素周期律。 1830年 8月19日，罗塔·迈尔生于德国奥顿堡，父亲是医生，母亲是护士。由于家庭环境的影响，迈尔上了医学院，在 1854年获得医学博士学位，但他并不喜欢医生这个职业，而对化学兴趣极大，于是在毕业后并没有开业行医。 迈尔来到海德堡大学，著名化学家本生和他的朋友基尔霍夫正致力研究光谱学，影响很大、迈尔拜他们为师，努力学习化学知识，并学到了一定的实验技术。 1858年，迈尔被聘为布累斯劳大学的物理化学讲师，教学之余，也加入了元素规律研究的行列。 1864年，迈尔出版厂《近代化学物理论》一书，发表了第张化学元素周期表。 这是迈尔在详细研究各元素物理性质的基础上，按照元素原子量的顺序编排的“六元素分类表”。这个表只列入了当时已经发现元素的一部分，表中留有一些空格，表明他认识到还有一些元素有待发现。 迈尔已清楚地认识到原于量和元素性质之间的内在联系，明确指出：“在原子量的数值上具有一种规律性，这是无疑义的。” 这个表按原子量排成顺序，对元素的分族作得已经很好，有了周期表的雏形。只可惜表中元素还不及当时已知元素的一半。 揭示元素周期律 德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫，1834年2月7日生于西伯利亚的托波尔斯克，父亲是中学校长。 1841年秋天，不满7岁的门捷列夫考进了托波尔斯克中学，成为当地的一大新闻。由于年龄太小，需要在中学一年级学习两年。他十分爱好数学、物理和地理，成绩优秀，父母为儿子的聪明和好学而自豪。 门捷列夫非常喜爱大自然，他和老师一起外出旅行，采集花卉和昆虫标本，深得老师的器重。 1847年，门捷列夫的父亲去世，第二年他母亲经营的玻璃工厂也失火倒闭。 1849年春，门捷列夫中学毕业了。老师们都说他具有卓越的才能和智慧，将来一定很有出息。母亲也了解儿子的志趣，希望儿于能成为科学家，便带着他到莫斯科求学去了。 然而，莫斯科大学并不欢迎这位西伯利亚的乡间少年，因他不是豪门贵族出身而拒绝让他入学。 他母亲不气馁，又带着他去了彼得堡。幸好他父亲有一位朋友现在身居要职，帮助门捷列夫进了彼得堡师范学院物理系。 在学院一些有名望的教授和物理学家椤次、数学家奥斯特罗格拉德斯基、地质学家库托尔加等的指导下，门捷列夫一方面受到了良好的科学教育，特别在矿物化学方面打下了坚实的基础，另一方面开始了创造性的科学研究。 1854年，门捷列夫以优异的成绩从彼得堡师范学校毕业，前往敖德萨一所中学任教。在1855年5月，他荣获了“一级教师”的光荣称号和金质奖章。 在此期间，道尔顿的原子论和贝采利乌斯的二元学说，引起了门捷列夫的极大关注，促使他探索物质的内部奥秘。他一边教书，一边准备硕士论文。 1856年，门捷列夫顺利通过彼得堡大学的硕士论文答辩。第二年初被批准为彼得堡大学的化学副教授，时年23岁。 门捷列夫讲授的是理论化学和有机化学，教学工作非常繁忙，但他主要把精力放在科学研究上。当时，研究条件是非常差的，他的实验室是石头铺的两间小房子，设备非常简陋，连基本的试管也很少。 俄国当时的科学发展水平也很落后，无法和西欧一些国家相比。这些常常使门捷列夫感到苦恼。1859年，他获得去德国海德堡大学深造的机会，跟随著名化学家本生研究物理化学。 1860年9月，国际化学会议在德国的卡尔斯厄召开，门捷列夫也出席了这个盛会。在会上，化学家们广泛地探讨原子、当量以及分子、原子价等问题，并希望统一化学符号。 门捷列夫得以全面了解欧洲化学的实验水平和理论现状。特别是意大利青年化学家坎尼查罗不畏权威，力陈阿佛加德罗的分子观点，给门捷列夫留下了为真理而斗争的伟大形象。 1861年，门捷列夫回国。为了反映化学新成就，他着手编写教材。但在编写的过程中，如何排列已发现的63种化学元素呢？ 当时，大多数科学家热衷于研究物质的化学成分，醉心于发现新元素，但很少有人整理和概括这方面的材料。虽然一些有识之士也曾探索这方面的理论，由于存在这样或那样的缺点，不断遭到攻击，研究的人越来越少。 门捷列夫知难而上，渴望能在理论上有所建树。这需要多么大的勇气啊！ 门捷列夫从事纯理论工作，没有得到德高望重的前辈们的赞同。一位老教授劝告他不要搞这些难有结果的研究，不妨做些别的工作。就连他的老师齐宁也不支持他的工作，甚至在门捷列夫发现了元素周期律后，还毫不客气地训诫他是不务正业，希望他干点正事。 门捷列夫坚持自己的奋斗方向。 他说：“当我在考虑物质时，总不能避开两个问题：物质有多少和物质是怎样的？就是说，有两个概念，物质的质量和化学性质。我相信物质质量的永恒性，也相信化学元素的永恒性。因此，自然而然地产生出这样的思想：在元素的质量和化学性质之间一定存在着某种联系。” 于是，门捷列夫紧紧抓住原子量这个元素的基本特性，去探索原子量和元素的性质之间的相互关系。 在这个过程中，首先对前人的工作进行了认真地核对，批判地继承了前人的成果，又对所掌握的大量资料进行比较、核对和验证，进行去粗取精、去伪存真的整理工作。 在研究元素的原子量和原子价时，为了便于排列，门捷列夫把每个元素制成一个卡片，上面详细地注明他们的原子量、原子价、溶解度及性质，然后按照原子量的大小摆满了宽大的实验台。 门捷列夫的家人看到一向珍惜时间的教授突然热衷于“纸牌”游戏，感到非常奇怪。而他却拿起卡片像玩牌一样，一会摆到这儿，一会摆到那儿。 通过对卡片深人的研究，他发现各种元素的原子量可以相差很大，而不同元素的原子价变动范围却比较小。而且有许多元素具有相同的原于价。 在比较同价元素的性质时，发现它们的性质非常相似，而且所有1价元素都是典型的金属，7价都是典型的非金属，4价元素的性质介于金属和非金属之间。这使他坚信各种元素之间一定存在着统一规律性。 门捷列夫把元素按原子量的大小排列起来，发现像氯和钾这两个性质截然不同的元素，其原子量相差不多。而钾和钠的原于量相差很大，性质却十分相似。在钾以后的元素随原子量的增加其性质又显示出与钠到氯相类似的变化。 这些有规律的现象的出现，使门捷列夫更坚信各种元素的性质呈现出周期性变化的规律。 门捷列夫认为元素呈周期性变化的规律，应设法把它们排列起来。可是，排来排去都觉得不满意。夜深了，彼得堡大学的化学实验室仍然亮着灯光，门捷列夫仍在排列卡片，他已经从鲜花盛开排到落叶缤纷，从赤日炎炎排到大雪飘飘，排了一年又一年… 这一天，他仍然在排着，已经三天三夜没合眼了，不知不觉中坐在椅子上睡着了，很快进人了梦乡，梦到了井然有序的元素周期表。 醒来后，立即排出梦中的表，后来发现只有一处需要修正。 这就是门捷列夫的第一张元素周期表，时间是1869年2月。 门捷列夫制成周期表后，立即把它打印出来，分送给他熟悉的物理学家和化学家，并决定在3月份举行的俄罗斯化学学会上发表。 化学学会召开了，由于门捷列夫患病不能亲自出席，便委托他的朋友门舒特金代为宣读了题为 《元素属性和原子量的关系》的论文，阐述了元素周期律的基本论点： 1.“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”； 2.“原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样”； 3.“应该预料到许多未知单质的发现，例如预料类似铝和硅的，原子量位于65至75之间的元素”，“元素的某些同类元素将按它们原子量的大小而被发现”； 4.“当我们知道了某元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量”。 这样，门捷列夫初步实现了使元素系统化的任务，把已发现的63个元素全部列进表中。尤为注目的是，他在表中列出了4个只有原子量而没有元素名称的空位，表明门捷列夫预示必有这种原子量的未知元素存在。他还对表中的钍、碲、金、铋4个元素的原子量表示了怀疑。 门捷列夫的发现没有立即被承认，甚至他的老师也不支持。但门捷列夫深信自己的研究工作具有重要意义，不顾名家和权威的指责，继续对周期律进行更深人细致的研究。 门捷列夫从元素周期律的基本观点出发，大胆地修改了某些元素的原子量。 他在把元素按原子量大小排列时，发现元素铍破坏了化合价周期变化的规律。同时锂与硼之间相差太大，而碳与氮之间相距太近，好像前面少了 1个元素，而后面多了1个元素，那么这个元素是铍吗？ 于是他把铍放在锂和硼之间，化合价便呈现由小到大的规律性变化，但是原子量从小到大的变化却被破坏了，便果断地把被的原子量由 13.5改为9。紧接着他重新测定了铍的原子量，果然是9.4。 门捷列夫还对铀、铟、镱、饵、铈、针等元素的原子量进行了修改。 1871年，门捷列夫发表《化学元素的周期性依赖关系》，制作了第二个 “元素周期表”。 在这个表中，他首先将元素周期表由竖行改为横排，使同族元素处于同一竖行中，更突出了元素化学性质的周期性；在同族元素中，他和迈尔一样划分为主族和副族。他还预言了未知元素的性质。 元素周期律在化学发展史上具有重要的科学价值。从此，自然界的各种元素不再被看作是彼此孤立、不相依赖的偶然堆积，而是把它们看作是有内在联系的统一体。 元素周期律的发现，使人们对世界的物质统一有了进一步的认识。 元素周期表中，表明了元素性质发展变化的过程是一个由量变到质变的过程。每一周期的元素随着原子量的增加显示出性质逐渐地发生量变，到周期的末尾就显示出质的飞跃。到下一个周期不是简单的重复，而是由低级到高级的发展过程，从而反映了物质内部的本质联系，证明了辩证唯物主义的正确性。 门捷列夫的元素周期律是19世纪科学的重要成果，对当时以及后来的化学，还有相关科学产生了深远的影响。 门捷列夫的元素周期律为进一步寻找新元素提供了理论依据。 他在元素周期表中留有6个空位，预言其中有3个元素的性质分别类似于硼、铝、硅，他们的原子量大约是44、68和72。 他指出，类铝这个元素的原子量为68，原子体积为11.5，比重为5.9～6.0，它熔点低，易挥发，可希望在光谱分析中发现。 在门捷列夫预言的4年后，即1875年，法国化学家布瓦博德朗，在分析比利牛斯山的闪锌矿时，用分光镜发现了一个新元素，命名为“镓”。他把这一成果发表在 《巴黎科学院院报》上，关于镓的几个数值是： 原子量：69.9，原子体积：11 .7，比重：4.7。 布瓦博德朗发现的镓正是门捷列夫预言的“类铝”。他兴奋地看到了这一消息，但布瓦博德朗的比重是4.7，和自己预言的5.9～6.0之间相差较大， “肯定是他弄错了，或者是那块物质纯度不够！”门捷列夫非常自信。 不久，布瓦博德朗收到了门捷列夫的来信。信的大意是：衷心祝贺你发现了新的元素镓，但根据我的元素周期律推测，它的比重应该是5.9～6.0之间，希望你重新测量一下。 布瓦博德的感到非常奇怪，自己是世界上唯一拥有镓的人，这个俄国人怎么知道它的比重应该是5.9～6.0呢？于是将信将疑地重新进行了测定。 在对镓进行进一步的提纯后，布瓦博德朗测得的比重为 5.94，正处于5.9～6.0之间。 布瓦博德的大为惊讶，立即回信对门捷列夫表示感谢，并著文盛赞他的元素周期表的成功，并指出：“我以为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了。” 化学史上第一次预言的新元素发现了。 镓元素的发表，在科学界引起了巨大的反响，元素周期律迅速地闻名天下，得到了人们的承认。各个国家的实验室迅速行动起来，以期发现门捷列夫的其他元素。 在这场竞赛中，瑞典化学家尼尔森在1879年首先发现了“钪”。这是他在对硅铍钆矿石和黑稀金矿进行研究时发现的，它的特征几乎和门捷列夫预言的“类硼”完全符合。 钪的发现又一次光辉地证实了门捷列夫的元素周期律。 1886年，德国化学家文克勒发现了“锗”，这又与门捷列夫预言的“类硅”极其相似。文克勒大为惊奇，由衷地赞叹道：“再也没有比‘类硅’的发现能这样好地证明元素周期律的正确性了，它不仅证明了这个有胆略的理论，它还扩大了人们在化学方面的眼界，而且在认识领域里迈进了一步。” 门捷列夫的元素周期律获得了伟大的胜利，它的天才成就得到了全世界的公认。 门捷列夫一生著述颇丰，发表431部（篇）著作，在1869～1871年写成的名著《化学原理》，是有史以来第一部根据元素周期律安排材料的化学教程，生前再版8次，各种外文本也多次再版。 门捷列夫的成就得到了全世界的承认，几乎所有的外国科学院都聘请他为名誉院士，他还担任了世界上100多个科学团体的名誉会员。 门捷列夫从一个西伯利亚的穷孩子，成长为世界上杰出的科学家，是他不懈努力的结果。 1907年1月27日，门捷列夫坐在椅子上，手里握着笔。人们发现他已经逝世了。 |
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