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  化学家的故事——道尔顿         ★★★ 【字体:
化学家的故事——道尔顿
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:7163    更新时间:2010-10-6    
    1766年9月6日约翰·道尔顿出生在英国西北部一个贫穷、落后的农村。他的父亲是一个手工业者,养活着六个子女,家庭十分拮据。道尔顿只读了几年私塾,从十二岁起就接替老师一边教私塾一边种地。十五岁那年他应表兄之邀,到一个城市的寄宿制初中担任助理教员。  
    在这里,道尔顿努力自学拉丁语、希腊语、法语、数学和“自然哲学”(相当于理化生物的综合)。从偏远的农村来到这虽不算大的城市,道尔顿感到天地开阔。他十分希望得到博学的老师的指点。当他听说学校附近住着一位双目失明的学者时,马上赶去拜访。这位学者名叫豪夫(1752——1825),道尔顿在他的辅导和鼓励下,学到了很多外语和科学知识,并开始对自然界进行观察,搜集动、植物标本,特别是每天详细记录气候变化。  
    为了观察气象,道尔顿经常到山区、林区和湖沼地带去旅行。他用他自制的温度计、气压计观测气象,五十多年如一日坚持记录气象数据,全部观测记录达二十多万条。当时气象学还是一门很薄弱的科学,很少有人进行这方面的研究。1793年道尔顿出版了他的第一部科学著作——《气象观测论文集》,初步总结了他的观测结果,对气象学的发展,起了一定的启蒙作用。这年道尔顿27岁。从此这位初中助理教员引起了科学界的注意和重视。  
    这一年,由于这部论文集的出版,加上那位盲学者豪夫的推荐,道尔顿被曼彻斯特城一所专科学校聘去担任讲师,讲授数学和“自然哲学”。曼彻斯特是当时英国蓬勃发展的纺织业的中心,交通便利,文化发达。道尔顿在这里很容易接触到新的知识,加速了他在科学上的成长。他经常到那里的公共图书馆借出各种书籍,阅读到深夜。他在给故乡亲友的一封信中曾叙述他那一段时间的学习情况:“我的座右铭是:午夜方眠,黎明即起。”  
    专科学校借重道尔顿的名声,却无意于培养道尔顿这样好学的青年。道尔顿在这所学校里的教学任务很重,又没有实验室,特别是没有从事研究的时间,他感到很烦恼。到了1799年,他毅然辞退了讲师职务。  
    来自于气体研究的原子论 
    辞职以后,道尔顿租了几间房,建立了自己的实验室。他一边学习研究,一边招收了几位学生,私人授课。虽然收入少了,但他却赢得了时间。除了每星期四下午到郊外的草地上打几个小时的曲棍球,作为一星期的娱乐休息外,他的大部分时间都花在他的实验研究上。在这里,他完成了原子论的实验证明和他的名著《化学哲学新体系》。  
    在对气象持久、深入的观测研究中,道尔顿曾经特别注意思考:含一种成分的气体,或者是含多种成分的气体,怎么会变成一个混合均匀的气体(均相)呢?对此,他提出过很多解释,但他自己也感到不满意和缺乏根据。到了1803年,他根据气体的体积或压强随着温度的升高而增大这一事实,把气体间的排斥力解释为热的作用,并且形象而明确地描述了气体微粒——原子。在1803年9月6日的笔记中,道尔顿写到:“物体的最后原子乃是在气体状态时被热质围绕的质点或核心。”也就是说,气体原子有一个处于中心的核,周围被一层热质所笼罩(形成热氛),即中心的核与周围的热氛组成一个气体原子;由于热氛的存在,气体原子之间产生排斥力;当温度升高时,这种热氛就增多,排斥力增大,气体的体积或压强就随之增大。  
    道尔顿认为同种物质的原子,其形状、大小、质量都是相同的;不同物质的原子,其形状、大小、质量都是不同的。他写到:“我认为不同气体之质点的大小必然各异。因为一体积氮与一体积氧化合,则生成二体积的氧化氮,此二体积中氧化氮的原子总数,不能多于一体积氧或氮所含有的原子数。因此,氧化氮原子必较氧、氮原子为大。”在这段话中隐含着化学反应中原子不能再分的观点。  
    为了解释混合气体的扩散以及压强问题,道尔顿认为同种物质的原子间相互排斥,不同物质的原子并不排斥。“A与B混合在一起时,A微粒之间相互排斥,但A微粒并不排斥B微粒。因此,施加在一个微粒上的压力,完全来自与它相同的微粒。”这就解释了气体分压定律——混合气的总压是每一种气体单独存在时各自分压的总和;同时也解释了存在于一个容器中的两种原子质量不同的气体为什么不会出现分层的问题。  
    道尔顿的挚友亨利(1774——1836)在原子论的创立过程中给予道尔顿很大的帮助。亨利曾说过:“每一种气体对于另一种气体来说,等于是一种真空。”当时这句话引起许多科学家的反对,道尔顿却用实验证明了它的正确性,同时也为道尔顿的气体分压定律建立了坚实的基础。亨利经常有新奇而深刻的想法,但他缺乏勇气将它们系统起来并公之于众。1802年,在道尔顿的鼓励下,亨利在英国皇家学会(不是皇家学院)详细说明了气体溶解度与其分压的关系——一种气体在水中的溶解度(不发生化学反应)正比于这种气体的分压强。这条定律后来被尊为“亨利定律”。道尔顿受亨利的启发,在其后的研究中注意到,在相同的压强下不同气体的溶解度差别很大,于是他设想:“一系列气体的溶解度取决于这些粒子的重量。其中最轻的、最简单的必是最难溶解的。气体粒子的溶解度随其重量与复杂程度而增加。终极粒子(原子)本身的相对重量是我的研究课题。这是一个全新的课题。”这大概就是他格外强调相对原子质量(原子量)的最初想法。  
    只有赋予原子以相对质量(原子量)的意义,道尔顿的原子论才不同于以往哲学臆测的原子论而具有了现代科学定量实验的特征。  
    1803年9月,道尔顿利用当时已掌握的一些分析数据,计算出了第一批原子量。1803年10月21日,在曼彻斯特的“文学和哲学学会”上,道尔顿第一次阐述了他关于原子论以及原子量计算的见解,并公布了他的第一张包含有21个数据的原子量表。在这份报告中道尔顿已经概括了科学原子论的以下三个要点:  
    元素(单质)的最终粒子称为简单原子,它们极其微小,是看不见的,是既不能创造,也不能毁灭和不可再分割的。它们在一切化学反应中保持其本性不变。  
    同一种元素的原子,其形状、质量和各种性质都是相同的;不同元素的原子在形状、质量和各种性质上则各不相同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。  
    不同元素的原子以简单整数比相结合,形成化学中的化合现象。化合物原子称为复杂原子。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,其组成、形状、质量和性质必然相同。  
    次年,着力于普及化学知识的苏格兰化学家汤姆逊(1773——1852)听说了道尔顿的原子论,他专程拜访了道尔顿。在两天的时间里,他们俩热烈、详细地讨论了原子学说,夜里也难以成寐。其后的几年里,汤姆逊热情地称赞和宣扬道尔顿的原子学说,使这一学说很快为广大化学界所熟悉。而道尔顿也受到汤姆逊的启发,将原子论的研究重点由原来的物理方面转向了化学方面。他认识到倍比定律对原子论的证明具有重要意义,便重点研究了这一课题。  
    从定组成定律、倍比定律到创造科学中心 
    1799年,移居马德里的法国药剂师普罗斯(1754——1826)提出了定组成定律——两种或两种以上的元素化合形成某种化合物时,其质量之比是天然一定的,人力不能增减。  
    定组成定律受到了当时法国化学权威贝托雷(1748——1822)的激烈反对。他认为“一种物质可以与有相互亲和力的另一种物质以任意比例相化合”。因为他在研究化学反应时,更着重于过程而非产物。例如他曾正确地指出:“某些化学反应是可逆的。在可逆反应中,反应物的数量会影响生成物的产量。”贝托雷做了很多实验来反对定组成定律,但他有时将不同的生成物当成一种物质。  
    普罗斯也写了多篇论文答复贝托雷的批评,他首先承认几种元素可以生成不只一种化合物,但这些化合物的种类是不多的,一般只是两种,而且每种化合物都有各自的组成;在这几种化合物间,化合比例的变动是“猛烈的”,而非逐步地“渐变”。他着重指出贝托雷所引用的实验产物,实际上是“混合物”而非“化合物”。通过这场著名的科学辩论,普罗斯第一次清楚地阐明了化合物与混合物的区别——“混合物的各种成分可以用物理方法分离开,而化合物中的各种成分只能用化学方法来分解”。他指出溶液、玻璃、合金等物质都属于混合物。  
    普罗斯的实验工作十分勤奋,他得出的许多结果足以证明定组成定律的正确性。经过几年的辩论,到了1808年,大家普遍接受了定组成定律。这使拉瓦锡开创的定量化学实验方法得到了巩固,而倍比定律的确立,更给原子论提供了直接的证明。  
    1803年,道尔顿曾经分析过两种碳的氧化物(CO与CO2),测得两种气体中碳与氧的质量比分别是5.4:7和5.4:14。  
    1804年,道尔顿和汤姆逊交谈后,很快便意识到原子论本身就具有倍比定律的含义,或者说倍比定律应当是原子学说必然的推论。他期待着倍比定律的确证,并认真开展了广泛的实验研究。这一年他分析了沼气(甲烷)和油气(乙烯)的组成,测得其中碳与氢的质量比分别是4.3:4和4.3:2,由此可知与同样质量碳化合的氢的质量比为2:1。类似的情况出现于其它成对的化合物中。这使道尔顿明确地提出了倍比定律——当两种元素化合生成两种或多种化合物时,若固定其中一种元素的质量,则另一种元素的质量互相成简单整数比。  
    1808年,道尔顿最重要的著作《化学哲学新体系》(第一册)出版,他在书中全面阐述了原子学说及其实验根据,对1803年的原子量做了多处修正。他还设计出一套符号来表示各种原子,用这些符号的组合来表示化合物中原子的排列。  
    原子学说为质量守恒定律、定组成定律和倍比定律提供了简明而深刻的解释。试想,原子在化学反应中只是重新组合,而个数不变,总质量怎么会不守恒呢?原子总是以简单整数比形成化合物,它们的质量组成当然是确定的。而这样的简单整数比如果出现于同种元素形成的不同化合物,就自然导出了倍比定律——道尔顿解释说:“元素A与元素B可能形成两种化合物;在第一种化合物内,两个A原子与一个B原子化合,而在第二种化合物中,一个A原子与一个B原子化合。假如是这样,则在第一种化合物内与一定质量B化合的A的质量将是第二种化合物内A质量的两倍。实验证明确实如此。”  
    至此,道尔顿建立科学原子论“给整个科学创造一个中心”。科学家们开始用原子论解释实验现象,又将实验结果归结到原子论。从原子论出发,人们建立了一个又一个科学的理论,推动化学乃至整个自然科学向前发展。                    
    原子量测定的困难  
    原子学说赋予每种元素以定量的特征——原子量,使定量实验和化学计算有了理论根据。因此有人说,定量化学时期是从道尔顿而不是从拉瓦锡开始。但是道尔顿测定原子量的工作从一开始就遇到了巨大的困难。  
    确定原子量(即相对原子质量)最困难的是确定化合物内的原子个数比。例如氢与氧化合生成水,一份质量的氢需八份质量的氧。如果假定氢、氧原子个数比为1:1,则氧原子质量是氢原子质量的八倍;如果假定氢、氧原子个数比为2:1,则氧原子质量是氢原子质量的十六倍。不同的原子个数比将得出不同的相对原子质量。在缺乏其它实验方法的情况下,道尔顿认为水中只含一个氢原子和一个氧原子。他把氢定为原子量标准,规定氢的原子量为1,从而得出氧的原子量为8。根据对氨组成的分析(含氢20%,含氮80%),并认为氨中只含一个氢原子和一个氮原子,得出氮的原子量为4。  
    在没有其它实验根据的情况下,道尔顿看不出怎样确定原子个数比,于是他假定:凡是两种元素只能形成一种化合物,则化合物内两种元素的原子个数比为1:1;若能形成两种化合物,则在这两种化合物内,原子个数比分别为1:1和1:2 
。错误的假定导致了错误的结果。加上当时实验数据的缺乏和精确度差,道尔顿的原子量与现代值相比有很大出入。在定量实验和化学计算中使用错误的原子量就得不到符合实际的正确结论,透彻的原子理论的应用因而也遇到了巨大的阻力。这就是为什么戴维和法拉第认为没有必要相信原子论的原因。1834年法拉第电化当量定律的发现,使人们更趋向于使用撇开原子论的当量值。而原子量测定工作一再出现矛盾和反复,原子论终于几乎无人问津。对原子论来说,这真是一个黑暗的时期,只有那些具有远见卓识的科学家在黑暗中坚持苦苦摸索。他们认识到了原子理论和原子量测定工作对于化学乃至整个自然科学发展的重要意义,相信原子理论辉煌照耀的光明白昼一定会来到。  
    在这些坚毅的探索者中,瑞典化学大师贝采里乌斯为测定原子量付出了二十年的时间,他和他的同事、学生分析了约两千种化合物的组成,采用了多种理论和方法,取得了十分接近现代值的原子量。他们这些浩繁的工作为原子论的复兴打下了坚实的基础,令人难以忘怀!
    晚年道尔顿  
    道尔顿的《化学哲学新体系》第二册、第三册陆续出版。在第二册中他描述了当时已知元素的化学性质;第三册补充了一些实验结果。中国科学院藏有该书初版的第一、第二两册,在第二册扉页上有道尔顿赠爱丁堡医学会的亲笔字迹,弥足珍贵。  
    道尔顿终生没有结婚,他自己曾解释说,是没有时间交女朋友。我想,这主要是没有机缘。我们顺便提到法拉第,他曾信誓旦旦地写了一首长诗,要将终身献给崇高的科学事业,一辈子不结婚。当他把长诗拿给一位朋友看后,法拉第很快知道了这位朋友的妹妹暗恋着他。法拉第没有辜负这位姑娘,他很快燃起了热情,将原来的长诗改成了情诗。法拉第夫妻一生没有孩子,但他们过得十分愉快、和谐。  
    和法拉第幸福的晚年生活相比,道尔顿即使在享有盛名之后,经济情况仍不富裕。和他同时代的许多著名学者,如戴维、法拉第、布朗、歌德等,都和他有通信来往,常常还有学者来拜访道尔顿。他们看到道尔顿简朴的房间,大都感到意外。由于这些学者的呼吁,英国政府才于1833年道尔顿67岁的时候开始每年发给道尔顿养老金,并给道尔顿配置了沙发等。  
    1837年,道尔顿得了轻度中风,行动变得不方便,但他仍坚持做实验并继续教课。他将实验成果写成论文,寄给由他参与创办的英国科学促进会,请人代为宣读。1842年道尔顿已经76岁了,他最后一次参加了英国科学促进会的年会。当会员们关切地询问这位长者的身体情况时,他说:“我还能做化学实验,不过每一次实验所费的时间,要比过去多三倍到四倍,我的计算能力虽然衰退,算起数来很缓慢,但还能计算。”  
    这是一位将一生毫无保留地完全献给科学事业的伟大学者。1844年7月27日清晨,道尔顿在笔记本上记录了当时的气压和温度,在“微雨”两字之后,滴下了一大滴墨水,说明他的手腕已握不牢笔了。次日清晨,道尔顿在他安静的卧室里,象一个熟睡的婴儿似的,没有一点痛苦的表情,心脏停止了跳动。他终于走完了他艰辛、果敢、睿智、富于意义的一生。  
    在曼彻斯特市政广场,后人雕塑了道尔顿铜像。每年来自世界各地的凭吊者络绎不绝,表达他们对这位伟大学者最深切的缅怀。

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