高中化学/理论的早期发展

你之前学过宇宙中的所有物质都是由称为原子的小小的积木构成的。原子的概念被所有现代科学家所接受，但当原子在 2500 年前首次被提出时，古代哲学家却嘲笑这个想法。一直以来，都很难让人们相信那些小到无法用肉眼看到的事物的存在。然而，人们对原子进行了许多观察，这些观察并不涉及实际看到原子本身，而科学就是关于观察和设计一个理论来解释这些观察发生的原因。我们将花一些时间来考虑说服科学家相信原子存在的证据（观察）。

课程目标

简述原子概念的历史。
阐述定比定律。
阐述倍比定律。
阐述道尔顿原子论，并解释其历史发展。

德谟克利特和“原子”

在我们讨论多年来让科学家相信物质是由原子构成的实验和证据之前，我们应该首先向提出“原子”的人致敬。2500 年前，早期的希腊哲学家认为整个宇宙是一个巨大的实体。换句话说，“一切都是一体的”。他们相信所有物体、所有物质和所有物质都是作为单个的、巨大的、不可改变的“事物”而连接在一起的。现在你可能对“不可改变”这个词感到不安。当然，你已经看到周围的世界发生了变化，早期的希腊哲学家也一定看到了。那么，为什么他们会认为宇宙是不可改变的呢？嗯，虽然今天听起来很奇怪，但在当时，普遍接受的理论是世界没有改变——它只是看起来变了。换句话说，希腊哲学家认为所有的变化（和所有运动）都是一种幻觉。这都是在你脑海中！与这个疯狂的想法相比，原子看起来好多了，不是吗？

第一个提出“原子”的人之一就是一位名叫德谟克利特的人（图 4.1）。德谟克利特不喜欢认为生活是一种幻觉的想法，就像你可能不喜欢一样。作为替代，他建议世界确实发生了变化，他通过提出atomos 或atomon 来解释这种变化——构成宇宙中所有物质的微小、不可分割的固体物体。

然后，德谟克利特推断，当一个物体中的许多 atomos 以不同的方式重新连接或重新组合时，就会发生变化。德谟克利特甚至扩展了他的理论，认为存在着不同种类的 atomos，它们具有不同的形状、大小和质量。然而，他认为形状、大小和质量是区分不同类型 atomos 的唯一属性。根据德谟克利特的说法，其他特征，如颜色和味道，并不反映 atomos 本身的属性，而是源于 atomos 相互组合和连接的不同方式（图 4.2）。

图 4.2: 德谟克利特认为，颜色等性质取决于 atomos 如何相互连接，而不是取决于 atomos 本身。有趣的是，德谟克利特部分正确——绿色祖母绿和红色红宝石都包含铝、氧和铬的原子。然而，祖母绿还包含硅和铍原子。

尽管 atomos 的想法似乎比试图将经验解释为一种幻觉更合理，但早期的希腊哲学家不喜欢它，而且他们不喜欢的原因如下。如果所有物质都由微小的 atomos 组成，这些 atomos 在周围漂浮，相互碰撞，并以各种方式连接在一起，那么这些 atomos 一定漂浮在某物中。但什么？嗯，根据德谟克利特的说法，原子漂浮在虚空中（空的空间或“虚无”）。这确实有点奇怪，不是吗？当然，如果你用拳头敲打你面前的桌子，你不会感觉里面有任何空的空间。更重要的是，希腊哲学家认为空的空间是不合逻辑的。他们认为，为了存在，虚无必须是某种东西，这意味着虚无不是虚无，但这是一种矛盾。他们的论据变得相当混乱，但最终结果是，希腊哲学家完全否定了德谟克利特的理论。可悲的是，花了 2000 多年才完全理解 atomos（或今天的“原子”）的理论。

希腊哲学家没有做实验

早期的希腊哲学家不喜欢德谟克利特的 atomos 理论，因为他们认为虚空，或完全的“虚无”，是不合逻辑的。对古代思想家来说，违背“逻辑”的理论远比违背经验或观察的理论更糟糕。那是因为希腊哲学家真正相信，最重要的是，我们对世界的理解应该依赖于“逻辑”。事实上，他们认为，世界根本无法通过我们的感官来理解，因为我们的感官会欺骗我们（当然，这些人也是认为世界上所有的变化都是一种幻觉的人）。因此，希腊哲学家没有依赖观察，而是试图用他们的头脑，更确切地说，是推理的力量来理解世界。

不幸的是，当希腊哲学家将推理应用于德谟克利特的理论时，他们的论据是不一致的。德谟克利特的虚空必须是“某种东西”才能存在，但同时它又必须是“虚无”才能成为虚空。希腊哲学家不愿意接受“虚无”可能是“某种东西”的想法——这似乎是不合逻辑的。

今天，我们把这些矛盾（比如“虚无”是“某种东西”）称为悖论。科学充满了悖论。有时这些悖论是由于我们的科学理论错误或不完整，有时是由于我们对什么“合乎逻辑”、什么不“合乎逻辑”做出了错误的假设。就虚空而言，事实证明“虚无”确实可以存在，所以从某种意义上说，“虚无”是“某种东西”。

那么，希腊哲学家怎么会知道德谟克利特关于“atomos”的理论是一个好主意呢？这需要一些仔细的观察和一些简单的实验。现在你可能想知道为什么希腊哲学家没有进行任何实验来实际检验德谟克利特的理论。当然，问题是，希腊哲学家根本不相信实验。请记住，希腊哲学家不相信他们的感官，他们只相信头脑的推理能力（图 4.3）。

炼金术士做了实验，但没有寻求解释

正如你在上一节中学到的那样，早期的希腊哲学家试图通过推理和逻辑来理解世界的本质，而不是通过实验和观察。因此，他们有一些非常有趣的想法，但他们没有必要根据生活经验来证明他们的想法。从很多方面来说，你可以认为希腊哲学家是“全都是思考，没有行动”。他们只用头脑就取得了如此多的成就，这真是太了不起了，但因为他们从未进行过任何实验，所以他们错过了或拒绝了许多本来可以做出的发现。

一些最早的实验工作是由炼金术士完成的（图 4.4）。请记住，炼金术士非常热衷于发现“点金石”，这种石头可以将普通金属变成黄金。当然，他们也涉猎医药和治疗，希望找到“长生不老药”以及其他此类神奇的药剂。另一方面，炼金术士并不太关心关于世界本质的任何深刻问题。与希腊哲学家相比，你可以把炼金术士看成是“只行动不思考”的人。炼金术士自由地对他们能找到的一切东西进行实验。不过，总的来说，他们并没有过多地思考他们的结果，以及他们的结果可能告诉他们关于世界的什么。相反，他们只关心是否制造出了黄金。

公平地说，有一些炼金术士试图利用过去实验的结果来帮助提出未来的实验。然而，炼金术一直都抱着非常物质化的目标——比如制造黄金和永生。炼金术士并没有被“宇宙是由什么组成的？”这样的哲学问题所困扰——他们并不关心这个问题，除非他们认为这个问题会帮助他们找到“点金石”或“长生不老药”。

你可能已经从阅读希腊哲学家和炼金术士的文章中注意到，科学史是具有讽刺意味的。希腊哲学家提出了关于宇宙的深刻问题，但他们不相信任何可能导致他们找到答案的实验。相反，炼金术士相信实验，但对实验可能告诉他们的关于世界本质的信息并不感兴趣。令人难以置信的是，将希腊哲学家提出的问题与炼金术士开发的实验工具结合起来，花了 2000 多年。结果是我们对自然和宇宙的理解取得了重大进步，这就是我们接下来要学习的内容。

道尔顿原子论

让我们从一个简单但重要的实验开始讨论道尔顿原子论，这个实验表明物质可能由原子构成。在 18 世纪后期和 19 世纪初期，科学家们开始注意到，当某些物质（如氢气和氧气）结合起来产生新的物质（如水）时，反应物（氢气和氧气）总是以相同的比例（质量）反应。换句话说，如果 1 克氢气与 8 克氧气反应，那么 2 克氢气将与 16 克氧气反应，3 克氢气将与 24 克氧气反应。奇怪的是，氢气和氧气总是以“相同的质量比例”反应的观察结果并不特殊。事实上，事实证明，每个化学反应中的反应物都以相同的质量比例反应。例如，氮气和氢气反应生成氨（你可能用它来清洁你的房子）。1 克氢气将与 4.7 克氮气反应，2 克氢气将与 9.4 克氮气反应。你能猜出多少氮气会与 3 克氢气反应吗？

科学家们研究了一个又一个反应，但每次结果都一样。反应物总是以“相同的质量比例”或我们所说的“定比定律”反应。因此，科学家们提出了定比定律（图 4.5）。该定律指出，在给定的化学物质中，元素总是以相同的质量比例结合在一起。

早些时候，你已经了解到“元素”是一种只包含一种原子类型的分组——当然，当定比定律首次被发现时，科学家们并不知道原子或元素，所以该定律的表述略有不同。不过，我们将坚持使用这个现代版本，因为它最容易理解。

定比定律适用于元素反应在一起形成相同产物的情况。因此，虽然定比定律可以用来比较两个实验（氢气和氧气反应生成水），但定比定律不能用来比较一个实验（氢气和氧气反应生成水）和另一个实验（氢气和氧气反应生成过氧化氢）（过氧化氢是另一种可以用氢气和氧气制成的物质）。

虽然 18 世纪末的科学家们并没有制造很多过氧化氢，但一位名叫约翰·道尔顿的人正在用几种反应进行实验，在这些反应中，反应物元素会形成多种类型的产物，这取决于他使用的实验条件（图 4.6）。他研究的一种常见反应是碳和氧气的反应。当碳和氧气反应时，它们会产生两种不同的物质——我们将这些物质称为A 和B。事实证明，在给定相同量的碳的情况下，生成B 总是需要恰好是生成A的两倍氧气。换句话说，如果你可以用 3 克碳和 4 克氧气制成A，那么可以用相同的 3 克碳和 8 克氧气制成B。道尔顿问自己——为什么B 需要两倍于A的氧气？为什么不是 1.21 倍的氧气，或 0.95 倍的氧气？为什么是一个整数，比如 2？

当道尔顿尝试用不同的物质进行类似的实验时，情况变得更加奇怪。例如，当他让氮气和氧气反应时，道尔顿发现他可以制造三种不同的物质——我们将它们称为C、D 和E。事实证明，对于相同量的氮气来说，D 总是需要两倍于C的氧气。同样，E 总是需要恰好是C的四倍氧气。再一次，道尔顿注意到小整数（2 和 4）似乎是规律。

道尔顿利用他的实验结果提出了倍比定律：当两种元素反应生成不止一种物质时，与相同质量的另一种元素（如氮气）结合的另一种元素（如氧气）的不同质量之比为小整数之比。

道尔顿思考了他的倍比定律，并试图找到一个可以解释它的理论。道尔顿还了解定比定律和质量守恒定律（记住，质量守恒定律指出质量既不会被创造也不会被毁灭），所以他真正想要的是一个理论，能够用一个简单可信的模型来解释这三条定律。解释道尔顿和其他人观察到的关系的一种方法是，建议像氮气、碳和氧气这样的物质是由称为“原子”的小的、不可分割的量组成的（参考德谟克利特的最初想法）。道尔顿利用这个想法产生了现在被称为道尔顿原子论*的内容。

物质是由称为原子的微小粒子构成的。
原子是不可分割的。在化学反应中，原子会重新排列，但它们不会分解，也不会被创造或毁灭。
给定元素的所有原子在质量和其他性质上是相同的。
不同元素的原子在质量和其他性质上不同。
一种元素的原子可以与另一种元素的原子结合形成“化合物”——新的复杂粒子。但是，在给定的化合物中，不同类型的原子总是以相同的相对数量存在。

∗有些人认为道尔顿在提出倍比定律之前就提出了他的原子论，而另一些人则认为倍比定律虽然没有正式提出，但实际上是第一个被发现的。实际上，道尔顿可能同时思考这两个概念，尽管很难从他的实验室笔记中判断出来。

课程总结

2500 年前，德谟克利特提出，宇宙中所有物质都是由他称为“原子”的微小、不可分割的固体物体构成的。
德谟克利特认为，存在不同类型的“原子”，它们在形状、大小和质量上有所不同。
其他希腊哲学家不喜欢德谟克利特的“原子”理论，因为他们认为它不符合逻辑。然而，由于他们不相信实验，因此他们无法检验“原子”理论。
炼金术士进行了实验并开发了实验技术，但他们更热衷于制造黄金，而不是理解物质和宇宙的本质。
定比定律指出，在给定的化学物质中，元素总是以相同的质量比例结合在一起。
倍比定律指出，当两种元素反应生成不止一种物质时，与相同质量的另一种元素（如氮气）结合的另一种元素（如氧气）的不同质量之比为小整数之比。
道尔顿利用定比定律、倍比定律和质量守恒定律提出了他的原子论。
道尔顿原子论指出
1. 物质是由称为原子的微小粒子构成的。
2. 原子是不可分割的。在化学反应中，原子会重新排列，但它们不会分解，也不会被创造或毁灭。
3. 给定元素的所有原子在质量和其他性质上是相同的。
4. 不同元素的原子在质量和其他性质上不同。
5. 一种元素的原子可以与另一种元素的原子结合形成“化合物”——新的复杂粒子。但是，在给定的化合物中，不同类型的原子总是以相同的相对数量存在。

复习问题

事实证明，道尔顿原子论中的一些想法并不完全正确。不准确的理论是否表明科学是一件毫无意义的事情？
假设你正在决定是穿毛衣还是穿 T 恤。为了做出决定，你给两个朋友打了电话。第一个朋友说：“穿毛衣，因为我今天已经去过户外了，外面很冷”。然而，第二个朋友说：“穿 T 恤。在七月穿毛衣是不合逻辑的”。你会选择相信你的第一个朋友，穿毛衣，还是选择相信你的第二个朋友，穿 T 恤？为什么？
判断以下每个陈述是真还是假。
(a) 德谟克利特认为所有物质都是由“原子”构成的。

(b) 德谟克利特还认为只有一种“原子”。

(c) 早期的希腊学者大多认为世界是“不断变化”的。

(d) 如果早期的希腊哲学家没有那么热衷于制造黄金，他们可能就会喜欢“原子”的想法。
将人物或群体与他们在化学发展中的作用进行匹配。

(a) 早期的希腊哲学家	a. 提出所有物质都是由微小的、不可分割的物体组成的
(b)炼金术士	b. 试图将逻辑应用于周围的世界
(c) 约翰·道尔顿	c. 提出所有物质都是由微小的、不可分割的物体组成的
(d) 德谟克利特	d. 主要关注的是寻找将普通金属转化为黄金的方法

早期的希腊哲学家认为德谟克利特的“原子”理论是不合逻辑的，因为
(a) 无论他们多么努力，他们都无法将物质分解成更小的碎片。

(b) 它没有帮助他们制造黄金。

(c) 硫是黄色的，碳是黑色的，因此“原子”显然是有色的。

(d) 空空间是不合逻辑的，因为它意味着没有的东西实际上是存在的。
哪项定律解释了以下观察结果：一氧化碳可以通过使 12 克碳与 16 克氧反应形成，然而，要形成二氧化碳，12 克碳必须与 32 克氧反应。
哪项定律解释了以下观察结果：一氧化碳可以通过使 12 克碳与 16 克氧反应形成，也可以通过使 24 克碳与 32 克氧反应形成。
哪项定律解释了以下观察结果：当 12 克碳与 16 克氧反应时，会形成 28 克一氧化碳。
哪项定律解释了以下观察结果：当 12 克碳与 4 克氢反应时，它们会产生甲烷，反应结束时没有剩余的碳或氢。但是，如果 11 克碳与 4 克氢反应，则反应结束时会剩下氢。
以下哪项不属于道尔顿原子论的一部分？
(a) 物质是由称为原子的微小粒子组成的。

(b) 在化学反应中，原子会重新排列。

(c) 在核反应中，原子会分裂。

(d) 所有特定元素的原子都是相同的。
考虑以下数据：3.6 克硼与 1.0 克氢反应生成 4.6 克 BH₃。多少克硼会与 2.0 克氢反应？
考虑以下数据：12 克碳和 4 克氢反应生成 16 克“化合物 A”。24 克碳和 6 克氢反应生成 30 克“化合物 B”。化合物 A 和化合物 B 是相同的吗？为什么或为什么不？

词汇

atomos (atomon): 德谟克利特用来表示构成宇宙中所有物质的微小、不可分割、固体物体的词语。
定比定律: 在给定的化学物质中，元素始终以相同的质量比例结合。
倍比定律: 当两种元素反应形成多种物质时，与相同质量的另一种元素结合的不同质量的一种元素的比例为小的整数比。
悖论: 两个看似真实，但相互矛盾的陈述。
虚空: 空空间的另一种说法。

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