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1700972287 对不同种类的物质“元素”的认识,在各种各样的化学实验中得到深化和发展。
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1700972289 近代科学中关于世界基本是由原子组成的观点,可以认为是从约翰·道尔顿(John Dalton,1766—1844年)开始的,他首次将原子的研究从哲学引进到科学。
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1700972291 道尔顿以78岁高龄去世,他终生未婚、安于穷困,只为科学理想而献身。道尔顿是个气象迷,他从21岁开始,连续观测和记录当地气象,几十年如一日,从不间断。一直到临终前几小时,还为他近20万字的气象日记,颤抖地写下了最后一页,给后人留下了宝贵的观测资料。在老耄贫穷之年,他还把英国政府给予他的微薄养老金积蓄起来,捐献给曼彻斯特大学作为奖学金。
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1700972293 道尔顿对色盲做了很多研究,因为他自己就是个色盲。并且,道尔顿希望在他死后对他的眼睛进行检验,用科学的方法找出他色盲的原因。1990年,在道尔顿去世后将近150年,科学家对其保存在皇家学会的一只眼睛进行了DNA检测,发现他的眼睛中缺少对绿色敏感的色素。让我们对这位鞠躬尽瘁,为科学献身的科学家致以深深的敬意。
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1700972295 1803年9月6日,道尔顿提出原子学说,以此庆贺自己的生日。不过现在我们知道,物质并不是直接由原子构成,中间还有一个层次,叫做“分子”。当时道尔顿的原子论并没有假设存在分子,因此出来没多久便碰到了与实验不符合的、难以解决的困难。比如说,1805年盖—吕萨克发现2体积的氢气和1体积的氧气燃烧,会生成2体积的水。如何用道尔顿的原子论来解释这个化学反应呢?根据原子论,氢气由氢原子组成,氧气由氧原子组成,水由“水原子”组成。因此,就像图4-2-1(a)中所画的,根据原子论,这个反应好像意味着:2个氢气原子,加1个氧气原子,生成2个“水原子”。也就是说,1个氢原子和“半个”氧原子,生成1个“水原子”。
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1700972300 图4-2-1 道尔顿的原子论和阿伏伽德罗的分子说
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1700972302 但是,原子论是不允许存在“半个”氧原子的,道尔顿认为,原子不可能一分为二。
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1700972304 其实这个矛盾并不难解决,将反应中的原子数目都乘以2不就行了吗。换言之,我们可以如此来解释氢气和氧气变成水的反应:2个氢原子和1个氧原子,生成2个“水原子”。这也就是意大利化学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro,1776—1856年)所提出的假设。不过这里他还用了一点技巧,建立了分子的概念,称为“分子说”。并且,他所提出的阿伏伽德罗定律认为同温、同压、同体积的气体含有相同的分子数,这个数字等于6.0221367×1023,现在已经成为物理学中重要的基本常数之一。阿伏伽德罗的分子—原子论正确地解释了上面的反应(图4-2-1(b))。
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1700972306 新理论往往不容易被认可。当时欧洲各国的科学家,包括道尔顿,都不接受阿伏伽德罗的理论。一直到差不多过了50年之后,1860年,阿伏伽德罗已经去世,他的学生在欧洲的一次化学学术讨论会上,重新提起阿伏伽德罗假说,这个分子—原子论才得到学术界承认。
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1700972308 化学家们发现了越来越多的化学元素,认识到世界的本源远不是古希腊哲学家们所想象的“四元素”或“五元素”学说那么简单。不过,化学家们也发现各种元素性质不同,但却符合某种周期性的规律,于是,他们便企图将不同的元素按照周期规律进行分类。1789年,拉瓦锡将当时已知的33种元素分为四类,发布了人类历史上第一张“元素表”。1829年,德贝莱纳对当时已知的54种元素提出了三元素组规则。之后,又有好几位化学家提出化学元素的分类方法,其中最具影响的是俄国化学家门捷列夫、德国化学家迈尔等发现的元素周期表。
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1700972310 门捷列夫生于1834年,死于1907年,10岁之前居住于西伯利亚,后来成为彼得堡大学教授。1867年左右,门捷列夫在编著化学教科书的过程中,碰到了如何将元素合理列表的难题。当时已知的元素已经多达63种,这些元素性质各不相同,都很有趣,但63是个不小的数目,难道将它们一个接一个地罗列在书中吗?门捷列夫不满意这种方法,试图寻找一种更合乎逻辑的方式来组织这63种元素。
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1700972312 门捷列夫受到他喜欢玩的扑克牌游戏的启发,制作了63张卡片,将63种元素的名称、原子质量、氧化物、物理化学性质等写在上面,整天将这些卡片用不同的方式排来排去,苦苦思索。有时8个一组,有时又变成3个一行,一会儿想到用金属和非金属分别,一会儿又想到按照固体、液体、气体的不同状态放在一起。
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1700972314 1869年某一天,门捷列夫仍然继续拨弄他的63张卡片。他把常见元素按照原子质量递增的顺序排起来,然后又排不常见的元素,排着排着好像悟出了那么一点规律,发现用某一种排列方法,能使得相似的元素按照一定的周期性出现。
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1700972316 最后,门捷列夫终于将这些“扑克牌”排在一起制成了一张表。表的横行表现元素特性的一定周期,而表的纵行是同族元素。特别有意思的是,门捷列夫在表中留下了一些空格,一般来说是位于原子量跳跃太大的地方。门捷列夫大胆地假设,这些空格是属于某些尚未发现的新元素。因此,周期律不仅表现了已知元素的规律,还可以预言尚待发现的元素。
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1700972321 图4-2-2 门捷列夫发现元素周期律
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1700972323 事实上,在1865年,一位英国化学家纽兰兹也独立地进行过类似的分类研究,也是将元素用原子量递增的方法排列起来。他发现每隔8个元素,物质的物理化学性质便会重复。纽兰兹将此现象取名为“八音率”,这个结论已经十分接近门捷列夫的元素周期率。但是,纽兰兹的工作得到的却是嘲笑和奚落。后来当门捷列夫周期表被人信服之后,英国皇家学会才对过去对纽兰兹的不公正态度进行了纠正。
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1700972325 还有德国化学家迈尔早在1864年发明的“六元素表”,也已具备了化学元素周期表的类似结构。因此,虽然元素周期表的功劳通常归于门捷列夫名下,但客观上来说,其发现是众多化学家共同努力的成果,是科学发展的必然。
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1700972327 150年过去了,如今化学教科书上出现的元素周期表,与当年门捷列夫的周期表已经大不相同。一是元素的数目大大增加,已经有一百多种,其中八十多种是天然发现的,有二十余种为人造元素。另一个区别是:当年门捷列夫按照原子质量来排列元素,现在是按照原子序数来排列,这种排列方式的改变,与后来对原子结构认识的深化有关。尽管有了这些改变,但周期表的基本形式仍然未变,周期律威力不减,成为进入化学研究必经的第一道门槛。
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1700972329 近几十年来,随着与原子有关的实验及理论的发展,对周期律深入探讨和解释的任务逐渐转移到物理学的研究领域。也正是化学元素这种周期分类的重复模式,启发了科学家的思维,感觉其中隐藏着物质结构更为深层更为基本的秘密。最后,发现并证实了所有的原子都是由质子、中子、电子组成的结论。
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1700972334 爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事 [:1700970777]
1700972335 爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事 3.原子模型
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