从古至今,人们对物质世界微观结构的探索从未停止过。“存在于自己身边的种种物质,究竟是如何构成的?”这是诸多先贤智者冥思苦想的一个问题。
19世纪之前,关于原子论思想都是凭空想象的,并没有科学支撑。由于科技设备限制,当时的人们无法全面准确地观测到真正的微观世界。
直到19世纪,一位科学家才“看见”了原子。他,就是近代原子学说的创始人——英国著名化学家、物理学家道尔顿。
令人意想不到的是,“看见”原子的道尔顿,居然患有色盲症。他出生于偏僻乡村的贫寒家庭,凭借惊人毅力自学成才,当上了乡村教师,后来成为曼彻斯特新学院的教授。
作为一个气象迷,道尔顿从21岁起,每天进行气象观测,57年从未间断。通过大量研究,他提出了著名的“气体分压定律”。对大气物理的不断研究,让道尔顿原子论思想不断成熟。
那时,道尔顿经常思考:“气体之间复杂的压力关系是怎样的”“这些关系又该如何用微粒结构来解释”……一个偶然机会,他读到一本关于古希腊哲学家提出原子思想的书,从中大受启发。于是,道尔顿趁热打铁,进行了各种量化对比分析。结合之前提出的“气体分压定律”,他又总结出“化合物倍比定律”。他按这一定律,首次提出了原子量的概念,并制出一张原子量表。
至此,微观世界原子的神秘面纱在道尔顿面前徐徐揭开。
1803年,在曼彻斯特文学和哲学学会的一次集会上,道尔顿第一次提出了科学的原子论:“不同元素原子重量不同,原子不可再分,也无法称量,但我们可以求得它们的相对重量。我们把最轻的元素氢原子重量规定为1,就可以求得其他元素的相对原子量。”此言一出,给整个化学界带来了“拨云见日”般的全新感觉。
5年后,道尔顿的名著《化学哲学新体系》一书出版,被誉为科学界原子论的奠基之作。道尔顿在书中不仅系统地阐述了原子论,还以实验证明:不同元素化合时,原子以简单整数比结合,从而形成化学过程的化合现象。他提出的原子量概念,使原子论由假说变成了科学理论,引导着化学家把定量研究与定性研究结合起来,为化学规律的探索指明了一条正确道路。
科学探索如同一场接力赛,旧的问题解决了,新的问题又会出现。道尔顿的原子论发表后,不少质疑声随之而来,许多科学家对到底能否测量出原子量提出质疑。
法国科学家盖·吕萨克通过实验发现,同温同压下,相同体积的不同气体中包含着相同数目的原子。这一结果让道尔顿的原子论陷入了困境。这是因为,假如盖·吕萨克的实验站得住脚,那么实验中两个氢原子和一个氧原子应当生成两个复杂的“水原子”。如此一来,每一个“水原子”中不就只含有半个氧原子吗?于是,一场学术风波随之掀起,孰是孰非一时间难以定论。
关键时刻,意大利科学家阿伏伽德罗巧妙地解决了这一问题。阿伏伽德罗从盖·吕萨克的观点中受到启发,首次提出“分子”概念。阿伏伽德罗认为,在盖·吕萨克的实验中,氢分子是由两个氢原子构成,氧分子由两个氧原子构成,而水分子则由两个氢原子和一个氧原子构成。因此,盖·吕萨克的理论应该表述为“在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子”。
原子与分子虽然只是一字之差,但正因阿伏伽德罗“分子”概念的提出,巧妙地用盖·吕萨克定律验证了道尔顿的原子论。就此,原子论被定论,分子论也正式登上近代化学舞台。