原子分子论与元素家谱

2016-11-16作者:姜萌编辑:谢爽

说到原子论,不妨先一竿子支回到古希腊。


古希腊的德谟克利特提出了古典原子论,他认为世界是由叫做“原子”的微粒组成的,物质只能分割到原子为止。这个观点真是没什么好惊世骇俗的,现在随便一个高中生也都能理解,而且还能指出他的错误——到了核物理层面,原子显然还能继续分割为质子、中子、电子等微粒。


然而,我们应该想到,在几千年前的古希腊,别说核物理,就是什么玩意儿叫做“化学”恐怕都没人知道。在自然科学基本属于荒蛮水平的情况下,德谟克利特竟然能完全凭理性思考就提出了原子论,实在是牛到不行。


发短信不是事儿,但是如果猴子会发短信,可就是个事儿了。


德谟克利特的原子论体现了西方人一直以来对世界本源的追问,中国人则少有这种刨根问底的理性精神。更为深入的是,原子论投射出一种西方的社会观,那就是人类社会也是由“人”这个基本“原子”组成的,而既然人人都是“原子”,那么这个社会的每一个人就必然是平等、独立和自由的。


德谟克利特


这就是中国古代很难提出原子论的原因之一,因为中国人的社会观是以血缘关系为纽带的家族关系为核心的,人与人之间的关系是错综复杂的裙带关系,以及君为臣纲、父为子纲、夫为妇纲的层级关系,独立和平等的概念比较难以被接受。


随着化学学科的发展,德谟克利特的原子论在沉寂了上千年之后,终于在18、19 世纪复活了。在近代原子论诞生之前,化学物质的组成和分子量的测定一直处于混乱的状态。有的化学书里醋酸的化学式竟然有十几个之多,化学物质中的化学元素到底按什么比例组成,化学家们一直是一头雾水。


近代原子论,在跟各种气体的“斗气”中逐渐诞生。


气体运动的事儿咋也躲不开“热”的问题。既然提到了“热”,热力学第二定律的始祖克劳修斯马上笑嘻嘻地凑了上来。他认为一个气体分子的撞击微不足道,但是无数气体分子形成团队组团撞击容器壁,宏观上就形成了比较稳定的力,这个力就是气体的压力。而且他认为气体的动能跟温度有关系,温度越高,气体动能越大,撞击也就越猛烈,反映出气体的压强也就越大,这就是他对盖—吕萨克定律的解释。


克劳修斯


热力学第二定律的克劳修斯跑来解释气体运动,奥地利物理学家玻耳兹曼则跑去拿气体运动来解释热力学第二定律。


他认为热力学第二定律里所说的“熵”,就是气体的混乱程度。所谓“熵增”,就是如果不对气体输入能量或做功,气体将不可避免地走向混乱和无序。就像没人管的员工,将不可避免地走向迟到早退和躺在家里睡懒觉。


气体的运动遵从着“不患寡而患不均”的平均主义思想,而这个思想是按照统计学的标准进行的。很难出现一堆气体分子挤在容器一边,而另一边空空如也;也很难出现高温气体分子凑在一起,而低温气体分子凑在一起的情况。随着时间的推移,容器内的气体分子将必然走向压强和温度的平均。


就像随着时间流逝,生活将不可避免地走向庸俗。


认识到了这个悲观的结局,搞热学研究的科学家们纷纷缄默,低下了理想主义的头颅。然而电磁学天才麦克斯韦大师不甘寂寞,也跑到热学领域来“斗气”,因为他坚信颠覆一个行业的,一定是“外行”。


麦克斯韦


他将统计学的理论引入到了分子运动理论当中,还修正了克劳修斯认为所有气体分子运动速度一致的观点,用气体的温度来表征气体分子的平均动能。最重要的是,他不服输、不信邪,坚持要挑战热力学第二定律的悲观结论。


他提出了著名的“麦克斯韦妖”,也叫“麦克斯韦精灵”,与后来的“薛定锷的猫”一起堪称科技史上最能折腾的两个动物。


麦克斯韦做了一个假想实验:在一个充满气体的容器里放一个隔膜,一侧被称为高温区,一侧被称为低温区。在隔膜上安装一个小门,这个小门由“麦克斯韦妖”把守。当高温区过来一个低速分子的时候,小妖就打开小门,把这个低速分子放行到低温区。反之,当低温区过来一个高速分子的时候,小妖就打开小门,把这个高速分子放行到高温区。小妖周而复始地做着筛选工作,高温区和低温区的温差也就不断加大,热力学第二定律就此被颠覆。


麦兄,这个天天上班不领加班费的小妖,难道不需要吃饭喝水上厕所吗?要知道,判断分子的温度和开关小门,本身也是需要能量的,而这个能量从哪里来?


这个事儿,后来的诺贝尔物理学奖得主普里戈金在他的“耗散结构”理论中说得很明白——一个系统要想变得有序,有一个必要条件就是必须对这个系统输入能量。如果不给小妖吃喝,小妖就会累死,容器中的气体还是最终走向了混乱。


普里戈金


热力学第二定律至今无人能破。分子运动论虽然讨论得这么热闹,但当时还没人见过分子长啥样。1827年英国植物学家布朗发现的“布朗运动”可以被看做分子存在的有力证据,然而他也没实现突破。直到后来爱因斯坦出场,才从数学上对“布朗运动”进行了解释。


气体研究与分子运动的混乱局面直到近代原子论诞生,才得以被全面解释。


提出近代原子论的是英国化学家道尔顿。道尔顿是个色盲,分不清红色和黑色的袜子,他就顺手研究了一下色盲问题,并发表了人类历史上第一篇研究色盲的论文。


道尔顿


不过,中国高校则明确规定化学专业不招收色盲考生,这是在讽刺“化学家”道尔顿吗?


1803年,道尔顿将古希腊哲学层面的古典原子论发展为了定量层面的近代原子论。他认为化学元素是由原子组成的,同种元素原子质量相同,不同元素原子质量不同,原子是化学反应中的最小单位,原子在化学反应中按照整数比例进行结合。当然,他认为原子不可分等观点,也有一定时代局限性。


1808年,道尔顿出版了《化学哲学的新体系》,系统阐述了自己的原子论。原子论提出以后,道尔顿着实火了起来。但是对于原子量的测定工作,一直是困扰科学家的难题。另外一个难题就是,虽然我们之前说了一大堆“分子”的事,但是在原子论都已经诞生的情况下,“分子”的概念还没有准确地诞生。


意大利物理学家阿伏伽德罗于1811年提出了“分子”的概念。他认为相同体积的气体,分子数是一样的。因为有的气体可能是多个原子构成的分子,并提出了阿伏伽德罗常数。但是他这个提法刚提出的时候化学界完全不睬,因为他的这个理论跟已经得到公认的瑞典化学家贝采利乌斯的“电化二元论”理论矛盾——“电化二元论”认为同元素原子携带电荷相同,因为斥力不可能结合。


阿伏伽德罗


直到1860年,著名的国际化学会议召开。会上大家就原子量问题吵得不可开交,直到即将结束时,意大利化学家康尼查罗散发了自己论文,呼吁重视阿伏伽德罗提出的“分子论”,阿伏伽德罗才终于进入科学界的视野。


这是一次团结的大会、奋进的大会、胜利的大会。这次大会基本确立了化学界对原子分子论的认可,原子量的测量工作也从此步入正轨。


随着原子量的测量工作全面开展,人们逐渐开始思考元素与原子量之间到底是什么关系。人们把不同原子量的元素进行排序,试图发现它们之间的规律,给各种元素排一个有关联的“家谱”出来。


全面揭示元素“家谱”的,是俄国化学家门捷列夫。他的胡子和头型跟达•芬奇有点像。1860 年那次著名的化学大会他也去了,康尼查罗的论文使他“有了主张”。1869 年,门捷列夫提出了元素与其原子量之间的周期性变化规律,并提出了第一张元素周期表。


门捷列夫


元素周期表的提出,让整个化学界彻底摸清了门道。就像迷宫里的超级玛丽找到了地图,沙漠里的驴友发现了GPS导航仪,考研学生提前买到了考试答案。


尽管后来我们知道元素的顺序是由其原子核中质子数而不是原子量决定的,但是在当时那个“混沌”的年代,能够提出并完善元素周期表,绝对是经天纬地的大事。门捷列夫还通过元素周期表,预言了许多应该存在而没有被发现的元素。而后来一系列诺贝尔奖获得者的所谓成就,无非就是不断发现了这个或那个新元素而已。


而作为解开这张化学神秘大网的先知——门捷列夫,却因小人作梗,以一票之差与诺贝尔奖失之交臂,这成为诺贝尔奖评选史上的一大笑话。


内容来源:书问

作者姜萌/著 邵孟奇/绘
出版清华大学出版社
定价39元
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