化学家的故事-第二章

第二章  化学小知识
    1789年,法国化学家拉瓦锡就开始着手把化学元素分类。当时人们只知道33种化学元素(其中还包括一些根本不是化学元素的“热”、“光”之类)。拉瓦锡把这33种元素分成4类,列成一张表格--气体、金属、非金属、土质4类。
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    1815年,英国19岁的青年医生普劳特,提出一个非常大胆的观点--“氢原子构成论”。他认为世界上所有的元素,都是由氢原子构成的。每种化学元素的不同,只不过是由于原子钟所含的氢原子多少不同罢了。普劳特的见解,可以说已经揭开了笼罩着无机化学世界的迷雾,然而在当时看来是几乎不能理解的。在当时,普劳特无法解释许多元素的原子量不是整数的问题,所以,这种可贵的新观点也就被埋没了,无人注意。
    到了1829年,人们发现了54中化学元素。德国化学家段柏莱纳把其中的15个元素,按照3个元素一组,分成5组:
    锂    钙    磷    硫    氯
    钠    锶    砷    硒    溴
    钾    钡    锑    碲    碘
    他发现,每3种元素的化学性质都很相似,称为“3素组”。段柏莱纳还发现了一件耐人寻味的事情--就拿锂、钠、钾这个“3素组”来说,锂的原子量是7,钾的原子量是39,如果把钾的原子量和锂的原子量加起来除以2:
    (7+39)÷2=23
    很有趣,钠的原子量正好是23!
    也就是说,在“3素组”里,第一个元素和第三个元素的原子量之和的平均数,正好等于第二个元素的原子量。
    段柏莱纳的发现,使得化学家们开始注意研究元素和原子量之间的关系。
    1826年,法国地质学家尚古都把各种化学元素按照原子量的大小,排列起来。尚古都做了一个圆柱体,在上面画了一根螺纹似地螺旋线,把化学元素按照原子量的大小从下向上写在螺旋线上,发现性质相似的元素都在同一垂线上。
    紧接着,在1864年,德国化学家迈耶尔在讲授无机化学课程时,为了使学生们容易理解,在博莱斯拉乌大学的化学教室里,挂出了他的“6元素”表。这“6元素”表比段柏莱纳的“3素组”进了一步,每组元素从3个增加到6个,排列的顺序也是按照原子量的大小排列的。
    过了两年,英国化学家纽兰兹又进了一步,把“6元素”扩大成8个元素一组,称之为“8音律”。纽兰兹把化学元素按照原子量大小排列起来,发现第一个元素与第九个元素性质相似,第二个元素和第十个元素性质相似……也就是,每隔8个元素,就出现性质相似的元素,这就是8音律的基本内容。
    然而,当纽兰兹在英国化学会上宣读了自己的论文以后,却遭到了冷嘲热讽。他的论文却拒绝发表,因此,纽兰兹近乎真理的发现就这样埋没了!
    1868年,门捷列夫在一张纸上写下了这样的表格--《根据元素的原子量及其相似的化学性质所制定的元素系统表》,也就是化学元素周期表。在这张表上,门捷列夫把所有的化学元素,都按照原子量的大小排列起来。在这一年,他把化学元素周期表的初稿散发给许多俄罗斯的化学家,征求他们的意见。
    1869年2月17日,门捷列夫正式写出第一张化学元素周期表,以《化学元素的性质和原子量的相互关系》为题发表了于1869年的《俄罗斯化学学会志》上。
    门捷列夫在论文中指出:
    1.“按照原子量大小排列起来的元素,在性质上呈现出明显的周期性。”
    2.“原子量的大小决定元素的特征。”
    门捷列夫的这篇论文,后来被人们誉为“化学史上划时代的文献”。然而,在当时,并没有引起化学学会的注意和重视。相反,门捷列夫却受到了冷嘲热讽!其中特别是门捷列夫的老师齐宁,当时是最有声望的俄罗斯化学家,训斥他“不务正业”。
    【质量守恒定律】
    质量守衡定律,又名物质不灭定律,是最早载人化学史册的定律,它是由俄国化学家罗蒙诺索夫和法国化学家拉瓦锡各自独立发现的。
    1756年,俄国化学家罗蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里燃烧,锡发生变化,生成了白
的氧化锡,但容器和容器里的物质总质量,在嫩烧前后并没有发生变化。经过反复实验,都得到同样的结果后,于1758年,把他得到的结论在《论物质的固体性和液体性》论文中更进一步地明确为:“参加化学变化的物质的总质量,一定跟生成物的总质量相等。”
    由于罗蒙诺索夫的用金属加热的实验在定量化方面受到限制,因此他发现的物质不灭定律,在当时并没有引起化学界注意。直到1777年法国的拉瓦锡做了同样的实验,也得到同样的结论,这一定律才获得公认。但要证明或否定这一结论,都需要极精确的实验结果,而拉瓦锡时代的木具和技术(小于0.2%的质量变化就觉察不出来)不能满足严格的要求。直到1908年德国化学家朗道耳特(Landolt )及1912年英国化学家曼莱(Manley)做了精确度极高的实验,所用的容器和反应物的质量为1000g左右,反应前后质量之差小于0.0001g,质量的变化小于一千万分之一,这个差别在实验误差范围之内。至此,科学家一致承认了这一定律。
    法国化学家拉瓦锡(1743-1794)在化学上有着卓越贡献,他是近代化学奠基人之一。他最大的特点是能够把别人完成的实验接过来,用定量实验来补
    充、加强,对旧理论的缺陷,常常能敏锐地观察到并通过严格的合乎逻辑的步骤,提出
未成年的主张更合理的解释。
    拉瓦锡做的是糖发酵生成酒精的实验。这是一个复杂的生化反应。他把100磅糖、400磅水和含有7磅水的酵母溶液混合,让其充分地发酵,发酵后定量测定的结果是放出的气体含二氧化碳35磅、水蒸气14磅,余下460磅的液体中含水、酒精、醋酸、糖和酵母。此外,拉瓦锡还做了许多化学实验证明物质不灭,并在他的名著《化学概要》中指出:“无论是人工或是自然作用都没有创造出新东西,物质在每一化学变化前的数量,等于反应后的数量,这可以算是一个公理。”
    至此,质量守衡定律作为化学家发现的第一个定律载人史册。虽然拉瓦锡时代的实验的工具和技术不能得到极精确的实验结果,但在实验误差允许
    范围之内,科学家们一致承认了这一定律。后来,科学家们根据质能关系公式计算及实验结果证明,质量守衡定律是完全正确的。
    【燃烧的本质】
    一七四三年,拉瓦锡出生在一个律师之家。二十岁的时候,拉瓦锡从大学法律系毕业。
可是,他酷爱化学,二十五岁时成为法国科学院院士。
    就在他成为院士的时候,他读到的一篇论文,说金刚石在空气中加热,会燃烧起来,变成一股气体,消踪匿迹(金刚石的化学成分是碳。它会燃烧,变成二氧化碳)。这篇论文使拉瓦锡深感兴趣。
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    拉瓦锡重做实验。不过,他采用不同的方法:他在金刚石上面涂了一层厚厚的石墨稠膏,加热到发红。几小时以后,冷却,剥掉外面的稠膏,金刚石好端端的,没有烧掉!
    “燃烧,跟空气大有关系。”拉瓦锡猜测道。他认为,用石墨稠膏涂在金刚石上,使金刚石隔绝了空气,所以金刚石没有烧掉。也就是说,空气在燃烧现象中,扮演了很重要的角。
    一七七二年十一月,法国科学院收到拉瓦锡密封的论文。永芳化妆品
    院士们拆开信封,获知拉瓦锡对于燃烧现象的研究,又前进了一步:磷,在空气中会燃烧,冒出白的浓烟,这是早就知道的化学现象。拉瓦锡别出心裁地想办法把这些浓烟全部收集起来。他指出,浓烟是一种极细的白粉末,它的总重量比原来的磷要重!也就是
说,在磷燃饶的时候,可能与空气化合了。
    两年之后--一七七四年十月,普利斯特里来到巴黎,拜访了拉瓦锡。拉瓦锡盛宴招待普利斯特里。在宴会上,普利斯特里把自己两个月前的重要发现,告诉了拉瓦锡。拉瓦锡非常仔细地听着,脸上露出了惊讶的神。
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    也就在这个时候,拉瓦锡还收到瑞典化学家舍勒九月三十日的来信,舍勒把自己发现氧气的情况告诉了拉瓦锡。不过,舍勒也是一个“燃素学说”的虔诚的拥护者,他把氧气称为“火空气”。正因为这样,他同样没有揭开燃烧的奥秘,坐失良机。
说出来就过时    拉瓦锡受到普利斯特里和舍勒的启发,做了很精细的实验。由于这个实验一连进行了二十天,所以被人们称为“二十天实验”。拉瓦锡夫人是拉瓦锡在化学研究工作中的好助手。她不仅帮助拉瓦锡做实验,而且精确地描绘了实验时的情景,使后人能够一目了然。拉瓦锡所有化学著作的插图,几乎都是拉瓦锡夫人亲手绘制的。
    从一张拉瓦锡夫人绘制的插图,可以看出“二十天实验”是怎么回事。

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