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近代化学的孕育过程
时间2021-06-18 02:08  

  近代自然科学革命 14世纪以后,欧洲城市商品经济的发展加速了封建经济的解体,促进了手工工场的出现,它标志着欧洲资本主义生产方式的诞生。这种生产方式又推动了生产技术的改进,提出了技术革新和使用机器的要求,于是各种机械装置纷纷出现,促进了工业生产的发展。中国印刷术的传入也促进了科学的发展和新思想的传播。工业发展强烈地冲击各种旧意识形态和自然观,14~16世纪扩展到整个欧洲的文艺复兴运动,不仅造成了欧洲近代文学和艺术的繁荣,也促进了科学的解放,鼓舞了知识界摆脱传统神学观念和提出自由探讨学术问题的强烈要求,导致了近代的自然科学革命。

  近代自然科学革命中,天文学、医学和物理学等领域的新学说从根本上动摇了神学的基础。这时自然科学逐步从哲学中分化出来,形成了分别研究某一类自然现象和运动形式的分支学科,强调理论与实践的统一,对种种见解、学说以及理论,要求通过实验加以检验,而不像古代哲学那样只靠逻辑推理和思辨进行猜测。这就促使科学研究进入了实验室,联系生产实践,创造了一整套自然科学研究方法。各国科学研究机构和学术团体的建立以及科学专业期刊的出版也促进了近代自然科学革命。

  化学元素概念 英国科学家R.玻意耳首先冲破亚里士多德和P.A.帕拉采尔苏斯以来的旧思想牢笼,迈出决定性一步。他在化学中试图对各种化学反应进行机械论的描述,把各种物质间的相互作用与一架机器相比拟。他对物质在火的作用下所产生的都是元素的旧观念,进行了令人信服的驳斥。他在一系列新的实验基础上作了总结,大大推动了分析化学的发展。他在1661年为化学元素作出了科学而明确的定义:“它们应当是某种不由任何其他物质所构成的或是互相构成的、原始的和最简单的物质”,“应该是一些具有确定性质的、实在的、可察觉到的实物,用一般化学方法不能再分解为更简单的某些实物”。这个朴实的科学定义为人们研究自然界中各种物质的组成指明了方向,为使化学逐步成为一门真正的科学作出划时代的贡献。他根据气体的可压缩性和物质的溶解和挥发性,发展了物质的微粒学说,并提出了火的微粒说,认为金属煅烧加重是由于金属和火微粒的结合。

  燃素说 17世纪到18世纪中期,很多化学家和医学、生理学家曾广泛地研究了燃烧和呼吸现象,并对这种现象提出了各种学说,其中,以德意志医生兼化学家G.E.施塔尔为主提出的“燃素说”影响最为深远。他认为一切可燃的物质中都含有一种气态的要素,即所谓燃素,它在燃烧过程中从可燃物中飞散出来,与空气结合,从而发光发热;而且把一切化学变化,甚至物质的化学性质乃至颜色、气味的改变都归结为物质释放燃素或吸收燃素的过程。这一学说固然把当时所知的大多数化学现象作了统一的解释,帮助人们摆脱、结束了炼金术思想的统治,促使化学得到解放,起到了积极作用。但是当人们对化学反应进行了更多的定量研究之后,它便陷入了自相矛盾的困境。

  重要气体的发现 17~18世纪,化学家们发现并区分了碳酸气、氢气、氮气、氧气、氯气以及氧化氮、硫化氢、笑气、氨、氯化氢、氧化硫、氟化氢等等气体。虽然许多人并未能正确地解释它们,但认识了空气的复杂性和气体的多样性,积累了一些化学知识。英国化学家J.梅奥、J.布莱克、H.卡文迪什、J.普里斯特利,瑞典化学家C.W.舍勒等为此作出了卓越的贡献。

  分析化学的进展 这一时期,不仅在矿物检验中吹管分析和熔珠实验得到广泛应用,而且兴起了水溶液检验,发现了一系列溶液中的定性分析反应。18世纪后期,重量分析法出现,使分析化学迈入了定量分析的时代。德意志矿物学家A.S.马格拉夫和M.H.克拉普罗特、瑞典化学家T.O.贝格曼、英国化学家R.柯万等对重量分析法的创建都有重大贡献。这就促使化学进一步向定量研究的方向前进,过渡到近代化学的发展时期。

  近代化学的创建

  氧化学说 1772~1785年间,法国化学家A.-L.拉瓦锡对一系列燃烧现象进行了周密的定量研究,并从英国化学家普里斯特利那里了解到从氧化汞制取氧气的方法,于是提出了正确的关于燃烧现象的氧化学说,彻底批判了燃素说,从而把倒立在燃素理论基础上的化学理论端正了过来;并确认氮、氢、氧为元素;对水的组成则从分解和合成两方面做出了科学的结论。拉瓦锡在他的一系列化学实验和论述中实际上都自觉地遵循和运用了质量守恒定律,而且又以严格的实验对这一定律做了证明,并在1789年作出科学的陈述,从而对化学的发展建立了革命性的功绩。

  第一张元素表 1789年拉瓦锡在其《化学概要》著作中列出了第一张元素表,并把元素分为简单物质、金属物质、非金属物质和成盐土质四大类。此外,他还以元素的特性和化合物的元素组成做为元素和化合物的新命名原则。拉瓦锡的一系列新思想很快为各国科学家普遍接受,从此,化学科学的发展进入了新纪元。

  最早的化学基本定律 18世纪末到19世纪初,在化学领域中,基本定量的研究,确立了酸碱当量定律,定比定律、倍比定律等最早的几个化学基本定律。

  原子-分子学说 19世纪初,英国化学家J.道尔顿从混合气体产生的压力、混合气体的相互扩散、气体的热胀冷缩等事实出发,提出了新的原子学说,认为同种物质的原子的形状、大小、重量必然相同,不同物质的原子必然不同;各种原子都为“热氛”所包围;同种原子之间是相互排斥的。他把单质的原子称为简单原子,把化合物的原子(即现在所谓的分子)称为复杂原子。他的原子论中突出地强调了各种元素原子的质量为其最基本的特征,因此提出了测定原子量的课题。为了确定各种元素的原子量,他设想了各种原子在化合时的最简比例原则。据此,他在1803~1806年间,先后几次提出不断改进和充实的原子量表。他的原子论使当时已知的各种化学现象和各种化学定律以及它们之间的内在联系找到了合理的解释,成为说明化学现象的统一理论,因此很快得到整个学术界的普遍承认和重视。

  鉴于道尔顿原子学说得到广泛的支持,在19世纪的前半叶,很多伟大的化学家曾致力于原子量的测定。为此,不仅促进了定量化学分析准确度的提高,而且围绕着如何确定化合物中各种元素的原子比问题,提出和确立了一系列新的化学定律。例如,1805~1808年,法国化学家J.-L.盖-吕萨克发现了气体化合体积定律,并提出“一切气体在同温同压下,在相同体积中含有相同数目原子”的假说。为了弥补盖-吕萨克假说中的一些缺陷,1811年意大利物理学家A.阿伏伽德罗又提出了分子学说,认为“一切气体在相同体积中含有相同数目的分子”,“而单质气体的分子可以由一个以上的原子构成”。1819年法国化学家P.-L.杜隆和A.T.珀替提出原子热容定律(即杜隆-珀替定律),即单质金属的比热容与其原子量的乘积为一常数。在这些定律的指导下,瑞典化学家J.J.贝采利乌斯以他精湛的分析技艺和周密的思考、推理,终于在1826年提出了在当时来说已是相当准确的原子量表(钠、钾、银的原子量值仍不正确)。

  1855年意大利化学家S.坎尼扎罗针对当时原子量、当量概念上的混乱情况,重新论证了阿伏伽德罗分子学说的合理性,并根据同一元素的各种化合物的蒸气密度及该元素在这些化合物中的百分含量,提出了令人信服的确定分子量和原子量的方法,终于建立了原子-分子学说,巩固和充实了原子论,澄清和扫除了化学发展中的很多障碍。他的观点和论著经德意志化学家J.L.迈尔的介绍,很快得到了化学界的公认,极大地推动了化学的进一步发展。

  电化学的兴起

  18世纪,物理学家已经对静电有了相当多的了解,例如区分了正电和负电、导体和非导体;发明了巨大的起电器和有效的贮电瓶──莱顿瓶;弄清了正负电间的相互作用力与电量、两极间距离之间的关系;认识到了静电感应现象;发明了验电器等等。化学家则发现了电火花可以引起氢氧、氮氧间的化学反应,但那时还没有能产生稳定电流的装置。

  伏打电堆 1786年意大利解剖学家L.伽伐尼在偶然中发现了金属对青蛙肌肉所引起的抽搐现象。1880年意大利物理学家A.伏打辨明了这一现象源于两种金属之间的接触,并发明了以银、铜为极板的伏打电堆,接着又发明了所谓“杯冕”电堆,即世界上第一具可以提供持续、稳定电流的实用铜锌电池。他在研究金属起电现象的过程中发现了金属的如下起电顺序:

  锌—铅—锡—铁—铜—银—金—石墨

  其中任何两种金属相接触时,都是位序在前的一种带正电,后面一种带负电。

  电解 发明伏打电堆的消息传出后,化学家们立即使用这种新装置来研究电所引起的化学反应。1800年英国化学家W.尼科尔森和A.卡莱尔用伏打银锌电堆实现了水的电解,证明了水的化学组成是氢和氧。1806年左右,英国化学家H.戴维发现了金属盐类水溶液在电解时,正负电极附近溶液中产生了酸和碱,证明溶液中的盐在电的作用下发生了分解反应,从而启发他提出了金属与氧之间的化学亲合力实质上是一种电力吸引的见解。这一事实和见解启发了贝采利乌斯提出了各种原子和分子都是偶极体,但却净荷不同的电性的学说,认为不同原子间的结合都是源于这种电性而产生的吸引力。这一假说即所谓“电化二元论”。1807年戴维用强力的伏打电堆实现了对苛性钾和苛性钠的电解,制得了金属钾和钠。接着又电解了石灰、氧化锶和氧化钡,于是主要的碱金属和碱土金属先后都被发现。1886年法国化学家H.穆瓦桑于-23℃的低温下电解无水氢氟酸和氟氢化钾的混合物,终于分离出了单质氟。

  电化当量 1830~1833年间,英国科学家M.法拉第致力于电流引起化学效应的研究,提出了一系列专门术语,如电极、正负极、离子、正负离子、电解质、电解作用等。不过他赋予这些术语的含义与今天的不同。他注意到了纯水和固体氯化铅是非导体,熔融的硝酸钾、硫酸钠、氯化铅等则是导电体。1833年法拉第又通过一系列实验发现,电解出的物质量与通过的电流之间存在着正比关系,而电池的电压以及电解槽的电场强度并不影响电解量,只影响电解速率。他还发现,当相同的电量通过电路时,电解出的不同物质的相对量正比于它们的化学当量。他把这个量称为电化当量。但他从没有试图去找出电化当量与化学当量出现一致性的内在联系,更没有把这项发现引伸,与原子量的测定联系起来。所以这个规律直到半个世纪以后,当原子-分子学说确立时,才引起化学家们的注意。在电化学研究过程中,法拉第发明了最早的量电计(1902年后改称库仑计),即在电路中串联一个电解水的电解槽,根据电解过程中释放出的氢气或氧气的体积来衡量流过的电流量。

  参考书目

  《化学发展简史》编写组编著:《化学发展简史》,科学出版社,北京,1980。J.R. Partington, A History of Chemistry,Vol.1~4,Macmillan,London,1961~1970.

  来源:化科院素质教育网

 
 
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