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科学方法/化学史上的实验

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门捷列夫 和元素周期表

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元素周期表是一个将大量看似混乱的信息整理成秩序的例子。在它被开发之前,类似化合物之间的趋势更难或不可能被直观地看到。元素周期表中可以粗略地预测出许多性质,包括

  1. 元素如何反应
  2. 元素将与什么反应
  3. 原子有多大
  4. 电子如何围绕原子排列。

周期表中还有其他一些可以很好地预测的性质。门捷列夫并不是第一个注意到这些规律的人,但他第一个以科学界接受的方式提出了一种组织方案。特别地,他做了几件事与他的前辈不同

  1. 选择不同的模式作为他排序方案的基础。以前的元素组织尝试都遇到了失败,因为它们是基于原子量的增加,当两个不同的化合物出现在表格的同一列时,它们会根据重量排序,而不是根据性质排序 [1]
  2. 门捷列夫不仅调换了分子量,使同一列元素的性质相似,而且还留下了空位,以便在没有合理重量范围的元素发现时填补。这样他就超前思考,为后来的发现留下了空间。 [2]
  3. 在他为那些他留下了“空白”的元素中,有几个元素被发现了之后,他就能说服人们他的方案的价值。

这个例子表明,科学在很大程度上受益于组织信息的能力。组织信息对于概括已知信息和从观察到的趋势中产生新的理论是必要的,并且是假设生成和检验的关键步骤。

波义耳 和他的定律

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波义耳在 17 世纪帮助证明气体有重量,它们的密度取决于施加在它们身上的压力。特别是,他发现了波义耳定律,该定律大体上说,如果你将施加在气体上的压力加倍(在恒温下),它的体积将减半 [3]

他使用一个 压力计 来做到这一点,压力计是一种 U 形仪器,通过被排开的液体的的高度来测量压力。他盖住一端,并在另一端倒入一些水银,从而将空气困在中间。然后他测量了压力,并添加了足够的水银来使管中存在的空气体积减半 [4]。然后他测量了那一刻的压力,并通过许多测量表明体积和压力成反比。

这个例子表明,科学家有时必须非常聪明才能获得新的发现。许多开创性的实验,包括这个实验,都涉及使用相当新的发明或装置,这些发明或装置可以巧妙地用来测量数量。只有通过测量才能证明假设。

阿伏伽德罗 和原子与分子的本质

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在阿伏伽德罗对气体理论做出敏锐的、统一的观察之前,科学家不确定如何有用地定义原子和分子,因此在测量化合物的分子量方面遇到了困难。然而,阿伏伽德罗通过假设在相同温度和压力下占据相同体积的任何气体都具有相同数量的分子,而不是相同数量的原子,并且这些分子是由结合的元素构成的,从而弥补了这一缺陷 [5]。科学家后来能够通过使用该理论比以前更准确地测量原子量,然后将它们组合起来得到已知分子化合物的重量来证明这一点。

阿伏伽德罗的理论很重要,因为它调和了其他几个理论:道尔顿的理论,即一切都是由原子构成的,以及盖-吕萨克的观察,即气相反应中气体的体积变化与消耗或产生的气体分子成正比 [6] [7]。这种统一是科学进步的核心。

巴斯德和酒石酸的对映异构体

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巴斯德在其许多成就中,是第一个发现某些分子具有称为手性的性质的人之一。如果一个分子的镜像或对映异构体与原始分子不同,则该分子被认为是手性的。这的一个典型的物理类比是手套:你不能把手套戴在左手上,因为拇指是“反的”(除非它们是专门设计成适合两手,在这种情况下,手套就是非手性的)。

巴斯德的实验包括从含有两种对映异构体的混合物中分离酒石酸的对映异构体。现在,对映异构体通常不容易彼此分离,因为它们通常具有相同的物理和化学性质,但酒石酸是不寻常的,因为它形成的晶体在方向上明显不同 [8]。因此,巴斯德能够在视觉上分离两种对映异构体。

分离后,他借鉴了让·毕奥的工作,并用光照射每种对映异构体。毕奥先前曾表明,由于某种未知的物理现象,某些物质会将光旋转一个方向,某些物质会旋转另一个方向,而某些物质则根本不会旋转。巴斯德假设这是由于不对称的对映异构体的存在,当他检验他的理论时,他被证明是正确的。

现在已知许多化合物由于碳-碳键的性质而是非手性的。特别是,如果一个碳原子连接了四个不同的取代基,那么该碳原子就是手性的 [9] 巴斯德的实验帮助推断了手性化合物的结构,并促进了关于其生物学意义的实验。

参考文献

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  1. 艾萨克·阿西莫夫。阿西莫夫科学指南。纽约:基本书籍,1972 年,230。
  2. [元素周期表的历史]
  3. 波义耳定律演示
  4. 波义耳测量方法的描述
  5. 阿伏伽德罗理论
  6. 盖-吕萨克定律
  7. 阿伏伽德罗假设
  8. 巴斯德实验
  9. http://www.chemguide.co.uk/basicorg/isomerism/optical.html#top 手性分子]
华夏公益教科书