原子論的興起(1790至1805年)

講座二十

本講座追溯了元素分析發展的過程,始於拉瓦錫早期在燃燒和發酵實驗中用以測量有機化合物組成的技術,卻也顯示了他在實驗數據處理上一種新而天真的態度。道耳吞的原子論與定比、當量比、倍比定律的實證結果一致。我們目前的結構符號及精確分析方法基礎由Berzelius建立,但人們對於原子量的倍數卻有所疑惑,這一點本可藉由亞佛加厥和給呂薩克定律早日澄清,但這個疑惑卻持續了超過半個世紀。

講座二十: 原子論的興起(1790至1805年)

    第一章:元素分析的發展:拉瓦錫早期的燃燒及發酵實驗 教授:好,你們或許還記得,在考試之前,我們討論了化學如何真正開始發展;在我們擁有這些強大的技術之前,人們如何能夠瞭解關於鍵、原子排列及分子反應,它們主要發展期間是在過去25或30年,一直到它們在有機化學上的實際應用。但人們如何在這期間之前發現這些,這始於我們所謂的「化學革命」,由拉瓦錫於1789年-與法國大革命同年,撰寫的這本《化學基本論述》開始。你們記得嗎,他開始進行這些只因為他對改善命名法有興趣,但發現命名法和科學之間有如此密不可分的關係,也就是事實和理論,他無法在不改善其中一項的情況下使另一項得到進步,所以我們上一堂課看到,他發展出一種-在發展一種新命名法的過程中,他也開發了儀器,使他能為氣體稱重,因為事實證明,稱重在所有十九世紀的化學中扮演了相當重要的角色,毫無疑問是最重要的一項技術。但他也可以測量沒有任何重量的熱量,因此他與Laplace共同開發了量熱計,我們看過他如何以融化的冰進行實驗。所以現在我們要看看這本書中一些其他的發展,特別是氧化的概念。 毫無疑問地,對拉瓦錫來說,最重要的元素就是氧,因為氧在他的化學理論中扮演了關鍵角色。因此,所有其他元素都被稱為基或根,對嗎?它們可以與氧反應,變成新的東西。氧化有幾個程度,如這張來自於他著作之英文翻譯版本中的表格。所以,首先你得到一個氧化物,所有元素的氧化物都列在第一個表格中。例如,氫氧化時會產生水,在第二列。但第一列是熱質,這有點謬誤,至少以我們的觀點來看。熱質,熱,當它氧化時會產生氧氣。但還有進一步程度的氧化,如果跟更多氧反應的話。所以,根據他的理論,第二度氧化會產生酸,系統性的字尾是o-u-s,所以是 -ous。我們現在使用的這些名稱,如cuprous(亞銅)、ferrous(亞鐵),直接來自於拉瓦錫的命名法,因此這是酸的較低氧化狀態,對嗎?所以這裡有,例如,nitrous acid(亞硝酸)、carbonous acid(亞碳酸)、sulfurous acid(亞硫酸)、phosphorous acid(亞磷酸),他寫著;然後有更高程度的氧化,第三度,字尾為 -ic 的酸;所以這裡有nitric acid(硝酸)、carbonic acid(碳酸)、sulfuric acid(硫酸);注意,其中有許多尚屬未知,其中有許多尚未被發現,因為這個理論並非完全正確。例如,當時尚未發現carbonous acid(亞碳酸),可在第二欄、第二列、第二項中看到,對嗎?然後有第四度氧化,他稱之為oxygenated ic acid(氧化酸),他沒有使用如我們現今常用的過氧酸,但他使用了,例如oxygenatednitric acid(氧化硝酸);這尚屬未知,Oxygenated carbonic acid(氧化碳酸),亦尚屬未知,硫酸或磷酸也一樣。氧化muriatic acid(鹽酸)-之前被稱為去燃素海洋酸,但他使用一種更系統化的名稱,顯示其氧化程度,因此我們現在依然沿用的這些帶有-ous及–ic字尾的名稱,直接來自於拉瓦錫。 或許他所開發的第二重要的工具就是元素分析工具。記得嗎,你可以做近似分析,找出所研究物質中其他化合物的含量;或者你可以做最終分析,找出每種化合物中含有多少元素。這是使用有機油做元素分析的方法,所以它含有碳、氫、氧,對嗎?所以這個倒置的大桶,放在另一個裝著水的桶內,是他用來收集燃燒時所產生氣體的方法,因為倒置的桶會浸入水面,對被困在裡面的氧造成壓力,它會從連接在水槽上、你們所看到的導管中流出,通過一個乾燥器,進入這個發生燃燒的立式大圓柱筒中-藉由虹吸管供應所需的油,因此其中有一盞燈;使油與空氣燃燒,燃燒所產生的蒸汽上升,從右邊的管子流出,所以這是燈。氣體流出,水凝結在螺旋管中,在這裡;然後滴落,收集在你所看到的罐子裡;部分未凝結的水被收集到那個瓶子裡,被其中含有氯化鈣乾燥劑的水平管子吸收。因此,實驗結束後,你將罐子裡的水稱重,加上氯化鈣所增加的重量,就知道其中含有多少水。這讓你知道關於化合物的什麼?什麼東西有多少?藉由將水稱重,可測量到油中的什麼元素?可測量到氫。所以他必須知道水中所含氫的重量百分比。然後,如果他測量燃燒所產生的水,測量燃燒的油樣本中含有多少氫,接著氣體繼續通過石灰水-氫氧化鈣;因此它會吸收二氧化碳,產生碳酸鈣,因此那些玻璃球的質量會增加,他在這裡放了兩個;所以任何通過第一個的物質也會被下一個收集到。還有另一個乾燥管,在較遠的一端;因為這些溶液,當氣體通過它們時,它們會失去一些水份,對嗎?因此它們的重量會減少,也會因吸收CO_2而增加重量,對嗎?但失去的水會重新被收集在最後這個管子中。所以當你最後將其測重,現在你有-你可以修正這些玻璃球所損失的水。現在你知道二氧化碳的重量,如果你知道CO_2中碳的重量百分比,你們可以看看星期五要交的習題,你們可以分組合作,其中顯示了他如何知道有多少-二氧化碳中碳的重量百分比。所以測量二氧化碳的含量之後,他知道油中含有多少碳,所以他測量到氫及碳的含量。因此,如果這是一種碳氫油就沒問題。如果這種油中含有氧呢?注意,他加入了空氣中包含的所有氧氣,因此,他如何知道其中含有多少氧,如果他燃燒的是一種醇或其他東西? 學生:(聽不見) 教授:Sam?我聽不見。 學生:剩下的。 教授:就是剩下的。你知道燃燒掉多少油,其中含有多少碳、多少氫,你假設除了氧以外沒有其他物質,所以你由其中差異得到氧的含量,這幾乎是我們一向測量氧的方式,計算其中差異,對嗎?所以,你假設-你必須確保沒有其他元素存在,如果你希望結果是真實的,很顯然。好,所以這是一個大工程,它需要,你知道,有人控制空氣的供應,確保它是穩定的。注意,順帶一提,這裡有一個T形管,所以這裡還有另一組設備,另一組雙層桶裝置,對嗎?為什麼? 學生:(聽不見) 教授:啊,所以當你將其中一桶空氣用完後,切換閥門,將其轉向另一組裝置,然後再回到第一組裝置,所以會有無限的空氣供應量,足以燃燒這些油,對嗎?但需要有人來控制,需要有人確保燈保持點燃,確保它吸入適量的油,以及氣流正常輸入,需要另一個人-在二氧化碳收集器那裡,氣體只是從液面流過,對嗎?因此頂端必須有個小栓將它鉤住,使它保持在液面下,必須有人站在那裡做這件事,不斷攪動它,對嗎?像這樣攪動;因此至少需要三或四個人進行這件事,對嗎?建造它需要花很多錢,因此沒有其他人能建出一個。事實上拉瓦錫並不一定真的用過這個,雖然它確實存在,對嗎?因為當這個實驗進行時,他正忙於其他跟法國大革命有關的事,但這是科學的大工程,對嗎?他非常富有,所以才能做這樣的事。但他將實作方法顯示在這張圖中,所以這不是秘密,不像煉金術士的做法。有人有問題嗎?沒有。請說,Lucas? 學生:他們曾測量過空氣供應量嗎? 教授:他們是否測量過- 學生:他們測量過輸入空氣的量嗎?他們知道空氣的量嗎? 教授:我不認為,因為這沒什麼作用;你不在乎輸入多少空氣,因為大部份空氣就只是流過,不需要收集,對嗎?它只是將其他氣體攜入,其中的水和CO_2會被收集。 學生:嗯,我想如果他們知道空氣的成份,似乎可以直接測量有多少氧。 教授:收集氧嗎?可以這麼做,但他們從來沒做過;收集所有空氣並做準確測量並非很困難。好,現在,如果有一個不會燃燒殆盡的物質,是否就無法測量這些氣體?注意,順帶一提,氣體在瞭解事物中扮演的角色,因為它們很容易分離,對嗎?然後,既然他能夠稱重氣體,之前曾經做過,然後他知道氣體的密度,所以現在你需要做的,從這裡開始,原則上是測量氣體的體積,這樣就可知道其中含有多少物質,因此氣體在整個過程中扮演相當關鍵的角色。 但假設有一個不會燃燒的物質,你無法將它轉變成蒸汽和二氧化碳,那要怎麼做?例如葡萄糖。因此,在十三章這裡,他提到 le suc des raisins,葡萄糖。它會被燒焦,不會燃燒殆盡,所以,你會怎麼做?好,如同他在頂端所寫:「tout le monde sait comment se fait le vin」,「大家都知道如何釀酒蘋果酒和蜂蜜酒」,對嗎?所以,你知道他打算怎麼做嗎?所以,這是做這個實驗的設備,許多地方大致上是類似的,但你不需要空氣-不需要放入空氣。你有的是一個大燒瓶,起初裝著糖、酵母和水,對嗎?因此酵母使糖發酵,將它變成二氧化碳,所以你必須-它會冒泡,如果你看過某種東西發酵;所以你必須有某種擋住泡沫的東西,使它不會進入裝置中,然後將某種吸水的東西放入。現在這裡的水不只是-它不像之前那個實驗,其中的水完全由那個物質形成,因為這裡起初就有一大堆水,對嗎?因此這不是你要測量的。你要測量的是這個葡萄糖中含有多少碳、多少CO_2,所以你放入這些氫氧化納溶液,這個鹼會吸收CO_2,變成碳酸鹽,所以你測量這些物質之前和之後的重量;而多餘的氣體,如果其中有另一種氣體,將被收集在遠端這個裝著汞的管子中,所以他可以測量CO-糖中所含的碳,藉由發酵將其完全轉變成二氧化碳。 第二章:實驗數據的修正:早期處理實驗數據的方法 在談到發酵時,他說,這提供了一種分析糖的方法,因此,無法與空氣氧化,即使與氧或硫酸或氧化汞反應,仍無法使糖燃燒殆盡,只會得到炭化的糖。但如他在這裡所寫-這是關於他處理數據最有趣的事,他說,「我可以將進行發酵的材料及發酵後的產物,視為一個跟重量有關的代數方程式。」你們知道他在這裡的假設是什麼嗎? 學生:(聽不見) 教授:Sam? 學生:兩邊重量相同- 教授:兩邊重量相同。他假設質量守恆,對嗎?所以他可以列出一個左右重量相等的方程式。好,所以是一個代數方程式。「反過來,假設這個方程式中每個元素都是未知的,我可以得出一個值,藉由計算修正實驗,並藉由實驗修正計算。」他這麼說是什麼意思?所以,如果你有這個方程式,定量的糖和定量的氧,產生定量的二氧化碳,例如這樣,對嗎?所以兩邊的重量應該相等。他不知道其中一個,對嗎?但如果他知道所有其他的,這是一個代數方程式,就可以解出這個。所以他在這裡寫著:「我可以得出一個值,藉由計算修正實驗。」你們聽說過有人這麼做嗎?Lexie? 學生:(聽不見) 教授:是否有人-你們會在實驗室這麼做嗎?修正實驗數據?你們認為可能有任何不法的人,會在實驗後用計算修正他們的實驗數據嗎? 學生:(笑聲) 教授:不,我無法想像有人會這麼做,對嗎?好,但拉瓦錫直言不諱,對嗎?甚至可以說他吹噓這一點;他有這個代數方程式,可以修正他的實驗數據,對嗎?「我經常從這種修正實驗初步結果的方法中獲益。」沒人告訴他科學不是這麼來的,對嗎?「你必須做實驗,你必須調整理論,使其能解釋實驗。」對嗎?記得嗎,他是為法國官方徵稅公司的財務主管,對嗎?所以他已習慣簿記,每樣東西都必須平衡,直到恰好符合,對嗎?所以他將同樣的方法應用於化學。所以表一是發酵材料。他放入定量的水,400磅;定量的糖,100磅;還有酵母。現在他知道酵母是濕的,因此其中含有定量的水。他放入10磅的酵母,但他是藉由分析得知,藉由近似分析,對嗎?不是其中有什麼元素,而是有什麼物質-在10磅的酵母中,濕酵母,水的重量有7磅3盎司6格羅斯(gros)和44格令(grains)。事實上,1格羅斯相當於72格令,8格羅斯相當於1盎司,所以1格羅斯相當於28.35克;所以如果你們想要的話,可以自己加總一遍。 你們認為他的分析有那麼準確嗎?他可以知道下至格羅斯的精確數值嗎?不,他不可能知道這些,但每樣東西都必須平衡,對嗎?所以他做出一個近似值,然後計算到小數點後18位,就像你們用計算機計算一樣,對嗎?好,所以他還不知道關於有效數字的事,對嗎?所以在表二中他算出在這麼多水、糖、酵母中,其中有多少-在每一項中含有多少水、多少氫、多少氧,所以他知道這些。所以現在他知道,在他所用的400磅水中每個元素的含量,單位到百分之一格羅斯。順帶一提,他從未使用過400磅的水,他只是調整數字或將數字倍乘,將它們放到那麼大。他使用大量的水,但沒那麼大量,好的。 所以,如果你有100磅的糖,可以得到一定量的氫、氧和木炭-也就是碳;如果你有一定量的乾燥酵母,就可以得到這些。然後他又做了第三個表,將其重新排列,所以他將所有元素集中在一起,因此可看到起始原料中有多氫、氧和碳,對嗎?所以他得到411磅12盎司6格羅斯1.36格令的氧;格令和格羅斯,得到這個數字,喔,格羅斯和格令,好,是的。好,那麼多氧及一些氫和木炭,還有酵母中一定量的氮;因為他知道其中有氮,好的,這只佔極小的重量,因為酵母的量並非很大,總和剛好是510磅,對嗎?因此,他的計算平衡表就像銀行家希望的那樣。好,現在他-他著眼於產物。他收集一定量的二氧化碳,就是碳酸;他知道氧和木炭有多少,在那裡;一定量的水,一定量的酒精,以純酒精來說;所以他必須收集酒精,看看其中含有多少酒精和水;有多少乙酸,剩下多少已發酵的糖;最後是多少乾酵母,然後他將它們加總,精確無誤,總共是510磅0盎司0格羅斯0格令對嗎?QED(證明完畢)。對嗎?然後他將其重新整理,根據氧、木炭和氫的含量,再次準確無誤地達成平衡。好的,所以他將其重整成這樣,這就是他進行的方法。 對嗎?因此,這是一個實驗描述,寫在《化學基本論述》第88到92頁當中。好,他讓火在這裡燃燒,燃燒的木炭之間有一個玻璃管通過,對嗎?右邊連接著一個燒瓶,放在一個火爐上,他在管中放入28格令的碳,不是塊,是22格令重(應是28);我們之前看過1格令相當於多重,換算結果是,他在管內放了1.38克的碳。好,順帶一提,你們認為碳會蒸發嗎?如果你把它放在火焰中?你們知道會如何嗎?你怎麼知道它不會蒸發? 學生:它不會。 教授:碳從何而來?他叫它什麼? 學生:木炭。 教授:他稱它為木炭。你因燃燒而得到木炭,對嗎?所以缺乏足夠的氧使它燃燒,所以顯然它不會蒸發,只會留在那裡。好,所以他在燒瓶A中放了水,因此其中有水;然後他點燃下方的火,水開始沸騰,蒸餾後通過管子,被收集在H中,對嗎?字出現了,對嗎?但你注意到過程中發生了什麼嗎?要我回頭再放一次嗎?發生了什麼事? 學生:木炭消失了。 教授:木炭消失了。這是怎麼回事?好,我們來看看他發現了什麼。因此,28格令的碳消失了,對嗎?最後他得到一開始放入的水,但並非所有的水,重量少了85.7格令,因此,所有的碳和一些水消失了。到哪裡去了?好,從管中跑出去了。所以它從管中跑出去了,他說,得到144立方英寸;因為他知道密度,他知道重量是多少,正好100格令的碳酸氣,CO_2,我們稱之為CO_2-及380立方英寸的易燃氣體。因此,其中一種氣體將會被石灰水吸收,碳酸氣,另一種氣體將會直接通過。你們認為易燃氣體是什麼? 學生:氫。 教授:氫。因此在這個過程中,氧結合了碳,氫成為氫元素,對嗎?現在,看這個,這就是巧妙之處。所以他得到了100克-抱歉,100格令的碳酸氣和13.7格令的氫;根據他的說法,當你燃燒水時得到的產物,對嗎?這沒錯,是正確的。你注意到什麼,以量化來說? 學生:它們是相等的。 教授:它們絲毫不差,一直到十分之一格令,對嗎?現在,如果以現代理論重新計算,你用28格令的碳做這個實驗,應該得到多少氣體?應該得到157及313立方英寸,而不是144和380立方英寸;你應該得到103格令的碳酸氣和9.4格令的可燃氣體,因此他的實驗並非完美,對嗎?這並不奇怪,也沒什麼丟臉的,但現在我們會說,他做錯了什麼? 學生:他調整實驗結果。 教授:他調整了實驗結果以符合他的理論,對嗎?但這是早期的事。他認為,事實上他說,在92頁中:「我認為最好藉由計算修正,以最簡單形式來呈現實驗。」現在,以最簡單形式來呈現實驗會有什麼問題?你會漏掉任何新東西,任何可能在實驗中發現的東西,對嗎?但他發現了很多東西,所以我們原諒他這一點,對嗎?他確實是一位偉大的科學家。 那麼,他的貢獻是什麼?最重要的是闡明事物,對嗎?事實、觀念及名稱必須彼此結合且一併改善的概念,以及他對事實的貢獻,就是這些-我展示這些儀器及其他儀器。重點在於定量,使用數字;人們之前並未使用這些,至少沒那麼大的效用;致力於使物質平衡;用質量做為物質含量的標準,但在氣體的情況下也使用體積,但測量其密度,讓人們知道體積和質量的關係-質量是一個基本量。 他發現了一些新物質-雖然他在這方面的貢獻不是很多。其他人,像他之前的Scheele,已發現許多新的純物質,這不是拉瓦錫的強項-還有反應;然後是觀念方面,元素是什麼的觀念。這不是某種柏拉圖式的理想,但這只是意味著目前我們能分析物質並將其分解,如果我們無法將其進一步分解,我們將假設它們目前是元素,但或許將來並非如此。質量守恆的觀念,當然,這是關鍵,氧化是有機化的原則;根的觀念,元素是某種物質的基,可藉由氧化變成酸;還有鹽的觀念,來自於元素的結合。在名稱方面,觀念在於名稱必須是有意義的,特別是元素及氧化狀態的名稱,所以他發展了這些字尾:-ous、-ic、-ide、-ite及-ate,這都是拉瓦錫的貢獻。鹽類組成的觀念,為其命名的方法;例如,sodium hydrox-ide(氫氧化納)、sodium chlor-ide(氯化鈉)、chlor-ate(氯酸鹽)或chlor-ite(次氯酸鹽),這代表元素不同程度的氧化,好的。 但就像之後、之前及現今的每個人一樣,他的困擾在於缺乏想像力,對嗎?這對每個研究科學,或許對任何領域的人來說都是缺點。在我們談到的這個序言結尾,他說:「然而,目前化學的進展如此之快,而在現代學說下的事實,呈現如此令人欣喜的條理,我們有理由希望,甚至在我們的時代,看到它能做的應用接近最高完美境界。」對嗎?因此,人們總是這麼想:你知道有幾件該做的事,以填補四處的小漏洞,但其他方面我們已經得知,對嗎?當然,這就是很多人對人類基因組的想法;一旦你知道了人類基因組,所有疾病及其他一切都可迎刃而解,對嗎?這從未成真,幾乎可以肯定至今仍未實現,肯定在當時並未成真。他說,「甚至在我們的時代」,這是他在1789年寫的,1794年他被送上斷頭台。(笑聲)。因此,肯定當他在世時這並未成真。據說,Coffinhal法官曾說,雖然也許不足為信:「共和國不需要一個天才」。事實上,他所有的設備都被共和國政府扣押,包括他放在這些儀器周圍測量氣體的80磅水銀。這種瘋狂狀態只持續了幾年,也許甚至沒那麼久,他的遺孀領回了設備,目前放在巴黎工藝博物館中,我從未親眼見過,但幾位上過這堂課的學生曾在前去參觀時寄明信片給我。好,拉格朗日,這位幫助他建造量熱計的傢伙(建造量熱計的其實是Laplace)寫道:「讓這顆腦袋落地只需一瞬間,但或許一百年也不足以再生出一顆像這樣的頭腦。」所以我們來看看,這些腦袋在下一個100年能完成什麼任務。 第三章:約翰道耳吞的原子比例及理論 所以今天我們要看的是拉瓦錫之後20、25或30年間的事,看看化學發展到哪裡。因此,我們談過波以耳和他的氣體定律還有拉瓦錫,現在我們要接著談道耳吞。所以這是約翰.道耳吞,他住在英國湖區附近,是一位業餘氣象學家,所以他對記錄天氣狀況等很感興趣。他特別感興趣的是,為什麼在大氣中-如果你收集一座山的山頂及山谷底部的空氣,會得到相同的組成;為什麼較重的氣體不會下沉,較輕的不會上升?好問題,對嗎?好,歐洲人曾提出不同氣體會彼此吸引的說法,因此,它們傾向於彼此吸附,保持混合狀態,對嗎?但道耳吞有不同的想法。這是他繪製的氣體圖,頂端是Azote,或氮,底部是氫。所以他說,「一種原子不會排斥另一種原子。」這不是-你們很快就會看到。 好的。所以,他畫在中心的符號代表原子,在這個例子中是氮;在其周圍,有點像光暈的,是連在這個特定原子上的熱「外殼」,所以這些射線向外發散。如果氣體中相鄰原子之間的射線彼此相交,根據道耳吞的理論,它們就會彼此相斥;但如果它們彼此不會相交,如氫和氮,那麼它們就不會互相排斥,對嗎?因此,相同元素的原子傾向於彼此分開,但其他元素的原子完全不受影響地待在一起;他們知道當高度上升時壓力會下降,這是毫無疑問的,對嗎?但為什麼它們不會分層?這是因為不同元素不會彼此相斥,於是,他以homorepulsion,即相同原子彼此相斥的觀念取代了歐洲人使用的heteroattraction(不同氣體彼此吸引)觀念,對嗎?很顯然,事實證明這是無稽之談。但道耳吞根據某些他在關於大氣研究中所使用的原子,發展了三個原理,這些原理被稱為定比、當量比和倍比。 所以定比代表純化合物的組成元素間必定會有相同的質量比,所以你不會得到一個樣本-這部份糖中的碳氫有一定比例,那部份糖中的碳氫比例卻略有不同。他的解釋是,這些化合物由一定比例的元素組成,所以在一個特定的化合物中,其組成比例總是相同。 現在,當量比是個相當簡單的想法,但看起來很複雜。好,假設有一定重量的A與一定重量的B反應,好的,形成AB,對嗎?以及一定量的A與一定量的C反應,形成AC。但如果A的量是相同的,那麼在某種意義上,B和C的重量會彼此等價,對嗎?因為它們與相同重量的A反應,所以它們是等價的。但現在假設有另一種化合物D也與B的b部份反應,A與B的b部份反應,對嗎?這告訴你們什麼?以等價來說? (學生此起彼落發言) 教授:這意味著A的a部份相當於D的d部份,對嗎?所以假設2克的A與3克的B反應,而2克的A與8克的C反應,這意味著3克的B相當於8克的C,以結合這個目的來說,對嗎?假設1.5克的D也與3克的B反應,那麼1.5克的D相當於1克的A(應該是2克),對嗎?現在你們能得出什麼結論?最後一行會是什麼?你們從這裡可以預測到什麼,如果存在這種等價關係的話?B和C之間的等價關係及A和B之間的等價關係?你們看得出來嗎?然後你預測,如果使D和C反應,會發生什麼情形?它們的重量比將會是多少? 學生:d部份- 教授:好,D的d部分會與C的c部份反應,對嗎?因為D就像一開始的A,C就像一開始的B,所以D的d部分會與C的c部份反應,這就是倍比(訂正:當量比),我會給你們看一個例子,對嗎?最後是倍比;如果有來自幾種不同化合物的兩個相同元素,其重量會成簡單的整數比,我會給你們看一個相關例子。因此,這所有觀念都是道耳吞援引以支持物質由原子這個基本單位組成的想法。 現在來看定比。相同化合物中的元素組成比例總是相同嗎?法國學術界在這個問題上看法分歧,Berthollet說,「不對!」,而Proust說-因為他說,當它們是金屬合金或天然的「有機」材料時,分析結果就會有所不同,對嗎?好,而Proust說,「沒錯!」對嗎?這定義了化學是什麼。於是化學家開始只處理遵循這個倍比(訂正:定比)定律的物質,他們基本上不處理合金或擁有相當複雜分子式的複雜大分子,或無法分離的物質,如混合物,因為會在不同次的分析中得到不同的結果。他們假設任何純物質都具有這個-遵循這個定比定律,所以事實上它比較像是定義,而非定律。 好,現在是倍比定律。因此,這些是碳的氧化物,你們還記得,拉瓦錫在1789年定義出CO_2含有44%的碳和56%的氧;同樣的,有一些讓你們共同完成的習題,看看他如何得出這些數據,所以我想這是其中一個習題。然後在1801年,碳酸,當時也是這個名稱,分析結果發現,其中含有21克(訂正:28克)碳和72克氧,對嗎?或在氮的例子中,包含幾種比例是這樣的氧化物,全都是在1810年分析出來的,對嗎?現在,如果想要的話,你們可以看看它們的重量比。氧和碳的比,在第一個當中是1.27,另一個是2.57;或者你們可以看看氮的氧化物,它們的比例是0.58、1.27、2.39,對嗎?現在,你們從這些數字中注意到什麼?能從中瞭解到什麼嗎?這些傢伙得到這些結果,然後坐下來,搔著腦袋,他們想到什麼?有任何深刻的想法嗎?你們看得出這些數字彼此間有什麼關係嗎?或它們只是一些隨機數字?請說,Nick? 學生:這個比例有點像是- 教授:你能說大聲點嗎? 學生:1.27是- 教授:啊,1.27相當接近2.57的一半;並不是剛好一半,但其中會有實驗誤差,對嗎?大約是1到2左右,正確值是2.02;如果你以氮來看,是1:2:4,對嗎?正確值是2.19和4.12。因此,跟往常一樣,當人們以實驗發展事物並觀察其中規律時,會有個疑問,就是什麼是真實情形,什麼只是實驗誤差,一開始是不可能知道的。我們現在有方法可以得知,因為我們知道它們真正的重量。因此它們是整數值,符合簡單原子比例。現在我們知道這些數值的百分誤差。好,這個比例跟正確值的誤差大約是5%或4%,氧和氮的比例誤差,一個是負2%,另一個是正11%,因此誤差大約在5%以內,他們在這個分析上做的很棒。但他們能夠觀察出這個倍比定律,這正是你所預期的。如果這些分子有相同的組成成分,其中原子數會成簡單整數比,因此,這傾向於支持道耳吞關於原子的想法。 第四章:Berzelius對現代精確分析的貢獻及原子量的疑惑 好,所以我們已經談過拉瓦錫,現在我們要進一步來看元素分析;做準確的元素分析,討論原子的概念及二元論,我們馬上就會看到這是什麼。因此,我們將重點放在Berzelius,也會談到給呂薩克。好,所以這是法拉第,我們已經談過了;Berzelius和給呂薩克,還有英國的Davy。好,所以這是瑞典的Berzelius,生於1779年。注意,在上一張投影片中,這些傢伙全都出生在一年之內,1778到1779年間;另一個傢伙出生於同一時期,但不在列表中,但他的雕像在下方,就是Benjamin Silliman,他是同一時期的人。好,所以這是Berzelius,他活了快70歲,做了相當多的東西。因此,他相當擅長分析,包括有機物質和礦物質。在6年當中,他準確分析了2000種化合物中的元素,對嗎?他發展出相當準確的原子量,記得嗎?我們之前看的那些誤差多達10或11%,但他在50個不同元素上得到相當準確的原子量,對嗎?他研究電解,我們將會看到;並藉此發展出二元論及如何-瞭解複分解反應,我們很快就會看到那是什麼。他進行了很多教學和寫作工作,是世界上最受尊敬的化學家。他選擇在他的畫像中-記得嗎,當這些人要畫肖像時,總會選擇一些象徵物放入,他選擇了他撰寫於1803年的教科書(訂正:1808年),但他在化學每年的進展方面做了非常重要的編輯和彙整。他發展了我們沿用至今的結構符號,所以你們將會看到。 好,結構符號,我們要看看它的演化,從煉金術到道耳吞到Berzelius。這是我們所使用的,幾乎一模一樣。好,所以在1774年,這是一張以瑞典文印製的元素及化合物符號表。例如,你們看,這是vitriolum cupri或vitriolum coeruleum,你們知道cupri跟什麼有關?它是這裡用來代表銅的符號,對嗎?那麼,為什麼它曾被稱為coeruleum?你們知道任何跟它有關的字嗎? 學生:Cerulean(天藍色)。 教授:天藍色跟它有什麼關係? 學生:顏色。 教授:我帶了一些來這裡。不是這個,不是這個,是這個。天藍色的,對嗎?像天空一樣,好的。或是鐵,這是鐵的煉金術符號;或vitriol,代表硫酸鹽,對嗎?或硫酸汞,好,這是鉛,對嗎?所以這些是化學符號。注意,特別是頂端那個nitrum,來自於nitrates(硝酸鹽);好,我們將重點放在那裡,看到這和道耳吞用來表示氮的符號完全相同,所以他的原子符號源自於煉金術符號,至少當中很多都是;不是全部。這是一些其他符號,這是Berzelius用於相同元素的符號,你們可以看到這正是我們現在所使用的,對嗎?所以注意-所以這是道耳吞最初使用的煉金術符號,在另一邊;但在下一行,當你看到鐵的地方,它在Berzelius的符號中是Fe,你們看得出來它是什麼嗎?在這個解析度下不太容易看出來,它是一個裡面有字母的小圓圈。代表鐵的字母是什麼?你們看得到嗎?它在第二行中間,是一個「I」,抱歉,解析度不是很好。下一個是Z,然後是C,接下來是L,為什麼?Z代表什麼? 學生:鋅(Zinc)。 教授:鋅。C呢? 學生:銅(Copper)。 教授:銅。L呢? 學生:鉛(Lead)。 教授:鉛,依此類推。好,現在,下一行是雙原子符號,所以你把兩個元素放在一起,例如H和O,H和N,N和O,H和C,O和C。現在,這是道耳吞對這些符號的邏輯,他說,哎呀,抱歉,他說,「當兩個個體只能獲得一種組合時,它必須被假定為一個雙原子化合物。」也就是說,如果只有一種化合物,它必定由其中一個原子和另一個原子組成,對嗎?那麼,水會怎麼表示? 學生:H。 教授:HO,或在他的圈圈裡加上一個點,對嗎?「除非一些其他相反的原因出現。」這會讓你知道你不應該這麼假設。好,下一行,三原子化合物:N2O,NO2,CO2,CH2。他是這麼說的:「當你觀察到相同元素的兩種組合,那麼,它們必須被假定為一個雙原子及一個三原子化合物。」所以,你可以有NO和NO2。如果有相同元素的三種組合,會形成什麼樣的化合物?你們知道他會觀察到、會假設什麼? 學生:雙原子化合物。 教授:是嗎?「當三種…一個雙原子化合物及其它兩個三原子化合物。」對嗎?好,那麼,如果有四種組合呢?「當四種…一個雙原子化合物,兩個三原子化合物和一個四原子化合物。」對嗎?所以他制訂了原子必定會表現出的行為邏輯規則,事實證明,如我們所知,原子對道耳吞的邏輯有不同想法。道耳吞的想法沒什麼不合邏輯之處,只是錯了而已。好,這是Berzelius符號,對應到左邊同一種道耳吞符號。但你們注意到,兩者之間完全可以彼此對應,除了一件事,哪裡不同? 學生:上標而不是下標。 教授:這是我們的,這是Berzelius的,唯一不同的是,他用上標而不是下標,對嗎?他決定使用拉丁名稱,所以是國際化的,而道耳吞用的是英語名稱。而分子式,注意,不是結構式,Berzeliu的不是結構式,只是將原子和數字寫成一列;這些可以假定為結構式,你認為原子會以這種方式排列;我不知道道耳吞是否真有這樣的想法,但這多少表達出這種想法。但Berzelius的並非如此,它們只是一列元素和其中所含原子的重量比。他也發展了一些更奇特的縮寫法,例如這裡,這些在元素上方的小圓點,表示有多少氧與它相連,所以鉻酸鉀(KOCrO_3)是K與1個O相連,鉻與3個O相連;或下面這裡,有一些更奇特的東西,注意,上標表示原子數,這個苯甲酸應該是H10_C_14O_3,現在,等一下,羧酸中有多少氧?羧基? 學生:兩個。 教授:兩個,但他在這裡寫了三個,原因是他認為這些酸中含有水,所以他在其外部猛力加熱,將水趕出,事實上剩下的是酸酐,因此,兩個酸結合在一起並失去水,對嗎?因此這個分子式應該是H_10C_14O_3,他得到的是H_12C_15,因此不算差太多。他用這些簡單的符號表示醋酸、酒石酸、檸檬酸等酸,但那些也沒被採用,但他的元素符號有。 現在我們來看看目前瞭解到什麼,我還有一個主題要講,原子量和等價。好,這些是道耳吞在1808年使用的原子量,氫是1,碳是5,氮是5,氧是7等等。現在,這是2004年的結果,這是它們應有的值,道耳吞錯在哪裡?為什麼他錯的如此離譜,例如,氧的原子量應該是16,而他的是7?怎麼會差這麼多?Charles?我聽不見。 學生:雙原子。 教授:是的,他認為水是什麼? 學生:HO。 教授:HO。我們知道水是H_2O,所以比例差了2倍,對嗎?因此,所有的值都差了-大部份差了2或3倍,取決於我們現在所知的真正分子式為何,對嗎?但如果你做這樣的修正,這就是他原子量的誤差值,大約有10%的誤差,對嗎?這是發生在氯化矽中的問題。蘇格蘭的Thomas Thomson認為是SiCl,德國Gmelin認為是SiCl_2,Berzelius認為是SiCl_3,英國的Odling認為是SiCl_4,所以應有盡有,對嗎?那麼,到底是哪一個?你怎麼知道哪一個才是正確的?這就是問題所在。好,這就是法國的給呂薩克加入研究的時候。因此,在1804年,他和物理學家Biot使一個氣球上升到7000公尺的高空,這是相當高的地方,事實上,這個記錄保持了五十年。他們帶了一個大燒瓶升空,為什麼?他們想用那個大燒瓶做什麼? 學生:燒瓶是用來收集空氣的。 教授:收集7000公尺高空的空氣,看看它是否有所不同,對嗎?好,所以他們證實大氣組成不會隨高度改變,至少是他們可以測量的高度。但這不是他所做的最重要的事,以我們的目標來說,他所做的其中一件真正重要的事,就是瞭解如何氧化糖類,如何使糖燃燒殆盡。記得嗎,拉瓦錫得利用發酵來進行。但他發現,如果氧化來源是氯酸鈉,你可以將它們一起加熱,確實會得到你要的結果,從糖中獲得水和CO_2,所以這是一個非常重要的實作貢獻,以目前的應用來說。他發現,當你分解水,會得到,一體積的氧可得到1.9989體積的氫,如果你以氨如法炮製,在他的實驗中,一體積的氮可得到3.08163體積的氫,他得出什麼結論?給呂薩克對這個的結論是什麼? 學生:H_2。 教授:你們覺得他認為這個值應該是多少,如果沒有實驗誤差的話?他會得到多少體積的氫? 學生:2。 教授:2,他會從氮中得到多少氫? 學生:3。 教授:3,對嗎?它們的值相當接近,只差幾個百分點,對嗎?在水的例子中,兩個值甚至更接近。所以,他的想法是什麼?他認為這個數字,氣體的體積與其中所含的原子數成正比,對嗎?你們會聯想到誰的名字? 學生:亞佛加厥。 教授:亞佛加厥。但他們兩人分別做了這個實驗,我在這裡顯示的數據是給呂薩克的。好,所以這取代了道耳吞的最簡定律。道耳吞說,如果只有一種化合物,這個比例必定是1:1;給呂薩克說,視氣體的比例而定,結果證明這才是對的,雖然在其後60年當中這個理論並沒有完全被接受,實在非常可笑。好,暫時講到這裡。 2008年10月22日