高中化學/理論的早期發展

你之前學過宇宙中的所有物質都是由稱為原子的小小的積木構成的。原子的概念被所有現代科學家所接受，但當原子在 2500 年前首次被提出時，古代哲學家卻嘲笑這個想法。一直以來，都很難讓人們相信那些小到無法用肉眼看到的事物的存在。然而，人們對原子進行了許多觀察，這些觀察並不涉及實際看到原子本身，而科學就是關於觀察和設計一個理論來解釋這些觀察發生的原因。我們將花一些時間來考慮說服科學家相信原子存在的證據（觀察）。

課程目標

簡述原子概念的歷史。
闡述定比定律。
闡述倍比定律。
闡述道爾頓原子論，並解釋其歷史發展。

德謨克利特和“原子”

在我們討論多年來讓科學家相信物質是由原子構成的實驗和證據之前，我們應該首先向提出“原子”的人致敬。2500 年前，早期的希臘哲學家認為整個宇宙是一個巨大的實體。換句話說，“一切都是一體的”。他們相信所有物體、所有物質和所有物質都是作為單個的、巨大的、不可改變的“事物”而連線在一起的。現在你可能對“不可改變”這個詞感到不安。當然，你已經看到周圍的世界發生了變化，早期的希臘哲學家也一定看到了。那麼，為什麼他們會認為宇宙是不可改變的呢？嗯，雖然今天聽起來很奇怪，但在當時，普遍接受的理論是世界沒有改變——它只是看起來變了。換句話說，希臘哲學家認為所有的變化（和所有運動）都是一種幻覺。這都是在你腦海中！與這個瘋狂的想法相比，原子看起來好多了，不是嗎？

第一個提出“原子”的人之一就是一位名叫德謨克利特的人（圖 4.1）。德謨克利特不喜歡認為生活是一種幻覺的想法，就像你可能不喜歡一樣。作為替代，他建議世界確實發生了變化，他透過提出atomos 或atomon 來解釋這種變化——構成宇宙中所有物質的微小、不可分割的固體物體。

然後，德謨克利特推斷，當一個物體中的許多 atomos 以不同的方式重新連線或重新組合時，就會發生變化。德謨克利特甚至擴充套件了他的理論，認為存在著不同種類的 atomos，它們具有不同的形狀、大小和質量。然而，他認為形狀、大小和質量是區分不同型別 atomos 的唯一屬性。根據德謨克利特的說法，其他特徵，如顏色和味道，並不反映 atomos 本身的屬性，而是源於 atomos 相互組合和連線的不同方式（圖 4.2）。

圖 4.2: 德謨克利特認為，顏色等性質取決於 atomos 如何相互連線，而不是取決於 atomos 本身。有趣的是，德謨克利特部分正確——綠色祖母綠和紅色紅寶石都包含鋁、氧和鉻的原子。然而，祖母綠還包含矽和鈹原子。

儘管 atomos 的想法似乎比試圖將經驗解釋為一種幻覺更合理，但早期的希臘哲學家不喜歡它，而且他們不喜歡的原因如下。如果所有物質都由微小的 atomos 組成，這些 atomos 在周圍漂浮，相互碰撞，並以各種方式連線在一起，那麼這些 atomos 一定漂浮在某物中。但什麼？嗯，根據德謨克利特的說法，原子漂浮在虛空中（空的空間或“虛無”）。這確實有點奇怪，不是嗎？當然，如果你用拳頭敲打你面前的桌子，你不會感覺裡面有任何空的空間。更重要的是，希臘哲學家認為空的空間是不合邏輯的。他們認為，為了存在，虛無必須是某種東西，這意味著虛無不是虛無，但這是一種矛盾。他們的論據變得相當混亂，但最終結果是，希臘哲學家完全否定了德謨克利特的理論。可悲的是，花了 2000 多年才完全理解 atomos（或今天的“原子”）的理論。

希臘哲學家沒有做實驗

早期的希臘哲學家不喜歡德謨克利特的 atomos 理論，因為他們認為虛空，或完全的“虛無”，是不合邏輯的。對古代思想家來說，違背“邏輯”的理論遠比違背經驗或觀察的理論更糟糕。那是因為希臘哲學家真正相信，最重要的是，我們對世界的理解應該依賴於“邏輯”。事實上，他們認為，世界根本無法透過我們的感官來理解，因為我們的感官會欺騙我們（當然，這些人也是認為世界上所有的變化都是一種幻覺的人）。因此，希臘哲學家沒有依賴觀察，而是試圖用他們的頭腦，更確切地說，是推理的力量來理解世界。

不幸的是，當希臘哲學家將推理應用於德謨克利特的理論時，他們的論據是不一致的。德謨克利特的虛空必須是“某種東西”才能存在，但同時它又必須是“虛無”才能成為虛空。希臘哲學家不願意接受“虛無”可能是“某種東西”的想法——這似乎是不合邏輯的。

今天，我們把這些矛盾（比如“虛無”是“某種東西”）稱為悖論。科學充滿了悖論。有時這些悖論是由於我們的科學理論錯誤或不完整，有時是由於我們對什麼“合乎邏輯”、什麼不“合乎邏輯”做出了錯誤的假設。就虛空而言，事實證明“虛無”確實可以存在，所以從某種意義上說，“虛無”是“某種東西”。

那麼，希臘哲學家怎麼會知道德謨克利特關於“atomos”的理論是一個好主意呢？這需要一些仔細的觀察和一些簡單的實驗。現在你可能想知道為什麼希臘哲學家沒有進行任何實驗來實際檢驗德謨克利特的理論。當然，問題是，希臘哲學家根本不相信實驗。請記住，希臘哲學家不相信他們的感官，他們只相信頭腦的推理能力（圖 4.3）。

鍊金術士做了實驗，但沒有尋求解釋

正如你在上一節中學到的那樣，早期的希臘哲學家試圖透過推理和邏輯來理解世界的本質，而不是透過實驗和觀察。因此，他們有一些非常有趣的想法，但他們沒有必要根據生活經驗來證明他們的想法。從很多方面來說，你可以認為希臘哲學家是“全都是思考，沒有行動”。他們只用頭腦就取得了如此多的成就，這真是太了不起了，但因為他們從未進行過任何實驗，所以他們錯過了或拒絕了許多本來可以做出的發現。

一些最早的實驗工作是由鍊金術士完成的（圖 4.4）。請記住，鍊金術士非常熱衷於發現“點金石”，這種石頭可以將普通金屬變成黃金。當然，他們也涉獵醫藥和治療，希望找到“長生不老藥”以及其他此類神奇的藥劑。另一方面，鍊金術士並不太關心關於世界本質的任何深刻問題。與希臘哲學家相比，你可以把鍊金術士看成是“只行動不思考”的人。鍊金術士自由地對他們能找到的一切東西進行實驗。不過，總的來說，他們並沒有過多地思考他們的結果，以及他們的結果可能告訴他們關於世界的什麼。相反，他們只關心是否製造出了黃金。

公平地說，有一些鍊金術士試圖利用過去實驗的結果來幫助提出未來的實驗。然而，鍊金術一直都抱著非常物質化的目標——比如製造黃金和永生。鍊金術士並沒有被“宇宙是由什麼組成的？”這樣的哲學問題所困擾——他們並不關心這個問題，除非他們認為這個問題會幫助他們找到“點金石”或“長生不老藥”。

你可能已經從閱讀希臘哲學家和鍊金術士的文章中注意到，科學史是具有諷刺意味的。希臘哲學家提出了關於宇宙的深刻問題，但他們不相信任何可能導致他們找到答案的實驗。相反，鍊金術士相信實驗，但對實驗可能告訴他們的關於世界本質的資訊並不感興趣。令人難以置信的是，將希臘哲學家提出的問題與鍊金術士開發的實驗工具結合起來，花了 2000 多年。結果是我們對自然和宇宙的理解取得了重大進步，這就是我們接下來要學習的內容。

道爾頓原子論

讓我們從一個簡單但重要的實驗開始討論道爾頓原子論，這個實驗表明物質可能由原子構成。在 18 世紀後期和 19 世紀初期，科學家們開始注意到，當某些物質（如氫氣和氧氣）結合起來產生新的物質（如水）時，反應物（氫氣和氧氣）總是以相同的比例（質量）反應。換句話說，如果 1 克氫氣與 8 克氧氣反應，那麼 2 克氫氣將與 16 克氧氣反應，3 克氫氣將與 24 克氧氣反應。奇怪的是，氫氣和氧氣總是以“相同的質量比例”反應的觀察結果並不特殊。事實上，事實證明，每個化學反應中的反應物都以相同的質量比例反應。例如，氮氣和氫氣反應生成氨（你可能用它來清潔你的房子）。1 克氫氣將與 4.7 克氮氣反應，2 克氫氣將與 9.4 克氮氣反應。你能猜出多少氮氣會與 3 克氫氣反應嗎？

科學家們研究了一個又一個反應，但每次結果都一樣。反應物總是以“相同的質量比例”或我們所說的“定比定律”反應。因此，科學家們提出了定比定律（圖 4.5）。該定律指出，在給定的化學物質中，元素總是以相同的質量比例結合在一起。

早些時候，你已經瞭解到“元素”是一種只包含一種原子型別的分組——當然，當定比定律首次被發現時，科學家們並不知道原子或元素，所以該定律的表述略有不同。不過，我們將堅持使用這個現代版本，因為它最容易理解。

定比定律適用於元素反應在一起形成相同產物的情況。因此，雖然定比定律可以用來比較兩個實驗（氫氣和氧氣反應生成水），但定比定律不能用來比較一個實驗（氫氣和氧氣反應生成水）和另一個實驗（氫氣和氧氣反應生成過氧化氫）（過氧化氫是另一種可以用氫氣和氧氣製成的物質）。

雖然 18 世紀末的科學家們並沒有製造很多過氧化氫，但一位名叫約翰·道爾頓的人正在用幾種反應進行實驗，在這些反應中，反應物元素會形成多種型別的產物，這取決於他使用的實驗條件（圖 4.6）。他研究的一種常見反應是碳和氧氣的反應。當碳和氧氣反應時，它們會產生兩種不同的物質——我們將這些物質稱為A 和B。事實證明，在給定相同量的碳的情況下，生成B 總是需要恰好是生成A的兩倍氧氣。換句話說，如果你可以用 3 克碳和 4 克氧氣製成A，那麼可以用相同的 3 克碳和 8 克氧氣製成B。道爾頓問自己——為什麼B 需要兩倍於A的氧氣？為什麼不是 1.21 倍的氧氣，或 0.95 倍的氧氣？為什麼是一個整數，比如 2？

當道爾頓嘗試用不同的物質進行類似的實驗時，情況變得更加奇怪。例如，當他讓氮氣和氧氣反應時，道爾頓發現他可以製造三種不同的物質——我們將它們稱為C、D 和E。事實證明，對於相同量的氮氣來說，D 總是需要兩倍於C的氧氣。同樣，E 總是需要恰好是C的四倍氧氣。再一次，道爾頓注意到小整數（2 和 4）似乎是規律。

道爾頓利用他的實驗結果提出了倍比定律：當兩種元素反應生成不止一種物質時，與相同質量的另一種元素（如氮氣）結合的另一種元素（如氧氣）的不同質量之比為小整數之比。

道爾頓思考了他的倍比定律，並試圖找到一個可以解釋它的理論。道爾頓還了解定比定律和質量守恆定律（記住，質量守恆定律指出質量既不會被創造也不會被毀滅），所以他真正想要的是一個理論，能夠用一個簡單可信的模型來解釋這三條定律。解釋道爾頓和其他人觀察到的關係的一種方法是，建議像氮氣、碳和氧氣這樣的物質是由稱為“原子”的小的、不可分割的量組成的（參考德謨克利特的最初想法）。道爾頓利用這個想法產生了現在被稱為道爾頓原子論*的內容。

物質是由稱為原子的微小粒子構成的。
原子是不可分割的。在化學反應中，原子會重新排列，但它們不會分解，也不會被創造或毀滅。
給定元素的所有原子在質量和其他性質上是相同的。
不同元素的原子在質量和其他性質上不同。
一種元素的原子可以與另一種元素的原子結合形成“化合物”——新的複雜粒子。但是，在給定的化合物中，不同型別的原子總是以相同的相對數量存在。

∗有些人認為道爾頓在提出倍比定律之前就提出了他的原子論，而另一些人則認為倍比定律雖然沒有正式提出，但實際上是第一個被發現的。實際上，道爾頓可能同時思考這兩個概念，儘管很難從他的實驗室筆記中判斷出來。

課程總結

2500 年前，德謨克利特提出，宇宙中所有物質都是由他稱為“原子”的微小、不可分割的固體物體構成的。
德謨克利特認為，存在不同型別的“原子”，它們在形狀、大小和質量上有所不同。
其他希臘哲學家不喜歡德謨克利特的“原子”理論，因為他們認為它不符合邏輯。然而，由於他們不相信實驗，因此他們無法檢驗“原子”理論。
鍊金術士進行了實驗並開發了實驗技術，但他們更熱衷於製造黃金，而不是理解物質和宇宙的本質。
定比定律指出，在給定的化學物質中，元素總是以相同的質量比例結合在一起。
倍比定律指出，當兩種元素反應生成不止一種物質時，與相同質量的另一種元素（如氮氣）結合的另一種元素（如氧氣）的不同質量之比為小整數之比。
道爾頓利用定比定律、倍比定律和質量守恆定律提出了他的原子論。
道爾頓原子論指出
1. 物質是由稱為原子的微小粒子構成的。
2. 原子是不可分割的。在化學反應中，原子會重新排列，但它們不會分解，也不會被創造或毀滅。
3. 給定元素的所有原子在質量和其他性質上是相同的。
4. 不同元素的原子在質量和其他性質上不同。
5. 一種元素的原子可以與另一種元素的原子結合形成“化合物”——新的複雜粒子。但是，在給定的化合物中，不同型別的原子總是以相同的相對數量存在。

複習問題

事實證明，道爾頓原子論中的一些想法並不完全正確。不準確的理論是否表明科學是一件毫無意義的事情？
假設你正在決定是穿毛衣還是穿 T 恤。為了做出決定，你給兩個朋友打了電話。第一個朋友說：“穿毛衣，因為我今天已經去過戶外了，外面很冷”。然而，第二個朋友說：“穿 T 恤。在七月穿毛衣是不合邏輯的”。你會選擇相信你的第一個朋友，穿毛衣，還是選擇相信你的第二個朋友，穿 T 恤？為什麼？
判斷以下每個陳述是真還是假。
(a) 德謨克利特認為所有物質都是由“原子”構成的。

(b) 德謨克利特還認為只有一種“原子”。

(c) 早期的希臘學者大多認為世界是“不斷變化”的。

(d) 如果早期的希臘哲學家沒有那麼熱衷於製造黃金，他們可能就會喜歡“原子”的想法。
將人物或群體與他們在化學發展中的作用進行匹配。

(a) 早期的希臘哲學家	a. 提出所有物質都是由微小的、不可分割的物體組成的
(b)鍊金術士	b. 試圖將邏輯應用於周圍的世界
(c) 約翰·道爾頓	c. 提出所有物質都是由微小的、不可分割的物體組成的
(d) 德謨克利特	d. 主要關注的是尋找將普通金屬轉化為黃金的方法

早期的希臘哲學家認為德謨克利特的“原子”理論是不合邏輯的，因為
(a) 無論他們多麼努力，他們都無法將物質分解成更小的碎片。

(b) 它沒有幫助他們製造黃金。

(c) 硫是黃色的，碳是黑色的，因此“原子”顯然是有色的。

(d) 空空間是不合邏輯的，因為它意味著沒有的東西實際上是存在的。
哪項定律解釋了以下觀察結果：一氧化碳可以透過使 12 克碳與 16 克氧反應形成，然而，要形成二氧化碳，12 克碳必須與 32 克氧反應。
哪項定律解釋了以下觀察結果：一氧化碳可以透過使 12 克碳與 16 克氧反應形成，也可以透過使 24 克碳與 32 克氧反應形成。
哪項定律解釋了以下觀察結果：當 12 克碳與 16 克氧反應時，會形成 28 克一氧化碳。
哪項定律解釋了以下觀察結果：當 12 克碳與 4 克氫反應時，它們會產生甲烷，反應結束時沒有剩餘的碳或氫。但是，如果 11 克碳與 4 克氫反應，則反應結束時會剩下氫。
以下哪項不屬於道爾頓原子論的一部分？
(a) 物質是由稱為原子的微小粒子組成的。

(b) 在化學反應中，原子會重新排列。

(c) 在核反應中，原子會分裂。

(d) 所有特定元素的原子都是相同的。
考慮以下資料：3.6 克硼與 1.0 克氫反應生成 4.6 克 BH₃。多少克硼會與 2.0 克氫反應？
考慮以下資料：12 克碳和 4 克氫反應生成 16 克“化合物 A”。24 克碳和 6 克氫反應生成 30 克“化合物 B”。化合物 A 和化合物 B 是相同的嗎？為什麼或為什麼不？

詞彙

atomos (atomon): 德謨克利特用來表示構成宇宙中所有物質的微小、不可分割、固體物體的詞語。
定比定律: 在給定的化學物質中，元素始終以相同的質量比例結合。
倍比定律: 當兩種元素反應形成多種物質時，與相同質量的另一種元素結合的不同質量的一種元素的比例為小的整數比。
悖論: 兩個看似真實，但相互矛盾的陳述。
虛空: 空空間的另一種說法。

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