原子價理論及結構組成（1858年）

講座二十三

年輕化學家Couper和Kekulé以一種涉及原子價與分子結構，及基於碳的四價性與自我結合性質的新方法，取代了基團及類型理論。價鍵結構為同分異構物的組成提供了第一個解釋，並導致與我們今天所使用的有密切關聯性之命名法、符號及分子模型的發明。

講座二十三：原子價理論及結構組成（1858年）

    第一章：Archibald Couper「觀察元素」 教授：所以我們已經逐一談過，各個世代的有機化學理論及實踐發展，我們從拉瓦錫開始，然後是Berzelius、給呂薩克和Davy，上堂課我們談了Dumas、Liebig和Wohler，現在我們要進行到下一代，大約出生在1830年左右的化學家，新的發展進行到原子價和苯的概念。記得嗎，在這張列表中粗體字代表實驗，正常字體代表理論，所以原子價和苯屬於實驗部份，但我們感興趣的是這裡關於苯的理論，與此有關的人是August Kekule－你們都聽過Kekule結構和Kekule苯，他的名字被刻在這棟大樓前方，出生於1829年，但或許聽過Archibald Couper的人不是很多，他的名字並未被刻在大樓前方，出生於兩年後的1831年，這是Couper身為學生時的肖像，他活了六十一歲，一個合理的年齡，但他所做的每一項研究也都很早。他算是個業餘學生，出生於蘇格蘭，在愛丁堡唸書，他也經常前往柏林，他研究古典文學、形而上學，邏輯、道德哲學，參加過很多音樂會，但當他在柏林時，迷上了化學。 所以他在1855年成為一位學生化學家，他於1856年前往巴黎，跟隨Wurtz做研究，他是另一個法國化學界的領導者，他進行了水楊酸實驗，就像你們所做的。他於1858年在Wurtz實驗室時被解僱了，你們稍後會知道原因，然後他回到蘇格蘭，試圖在那裡謀求發展，但不久後精神崩潰，餘生中再也沒做出任何研究，對嗎？但他在1858年所做的確實很了不起，對嗎？所以他的名字沒被刻在這棟大樓前方的石碑上，但這棟位於Kirkintilloch建築物上寫著「出租」，或至少是幾年前的事，大約在蘇格蘭格拉斯哥東北方八英哩處，那裡有一塊石碑，寫著：「這塊牌匾標示了Archibald Scott Couper的出生地，他對化學理論輝煌的開創性貢獻為他贏得了國際聲譽，他的天才被一個早期疾病所扼殺，喪失了實現的機會。」當他從第一次崩潰中復原後，前往格拉斯哥北部的Endrick Water釣魚，結果中暑，使他餘生就這麼一事無成；這是他住的地方，他生命中最後33年，由母親在這棟位於Kirkintilloch的屋子中照料他。 所以這是那篇論文，他試圖將它以法文發表，他將它呈給他的老闆Wurtz，希望他發表在法國期刊上，但Wurtz認為這不是一篇很－以論文來說有點粗糙，所以將它放在辦公桌上冷凍了一段時間。在這段期間，Kekule發表了同樣的研究，使Couper大為惱火，他告訴Wurtz他的想法－這就是他被解僱的原因，但他還是以英文發表了它，之後再以法文發表，不過這是英文版本，不是Archibald Scott Couper所寫的第一個版本，其中第一句就已經很引人注目－「化學的終點」（也就是化學的目標）「就是它的理論」。沒多少人會這麼說，他們對化學研究有更實際的動機，但Couper是個大思想家，他寫著： 「化學研究的指南是一個理論，因此最重要的是，確定目前化學家所採用的理論是否適用於對化學現象的解釋，或至少以規範科學研究的真實原則為根據。」 所以這個時期盛行的理論有哪些，在1850年？舉一個例子，Shai？ 學生：二元論 教授：二元論，好的，基團理論，這在德國很盛行，那其他地方呢，例如法國？ 學生：取代理論 教授：取代、類型或一元理論。好，這些是主要理論。 「最近發展的理論之一，鑒於其明顯而眾多的優點，特別需要探究，對此我們認為，或者其科學價值所提供的新證明並非無益；或相反的，這些想法是否應被援引而建立在，不僅是其對解釋的不足，還有其對科學進步所造成最終損害上，我影射的是Gerhardt主張的類型系統理論。」 所以Gerhardt和Laurent算是法國二流的化學家，他們是真正提出類型理論想法的人，但Dumas採用並提倡這個理論，成為其中的領導者，所以這是他在巴黎研究時實驗室中盛行的理論，所以在這篇論文106頁，「論法國類型理論」中，他說， 「若將這個原則應用於日常生活現象，將會發現它相當荒謬；假設某人系統化地將字母組成文字，再組成一本書的內容，他可以開始宣稱他發現某個可歸為某種類型的單字」（記得嗎？有四種類型：水、氨、HCl和氫）「而藉由取代及複分解理論可衍生所有一切，他不僅可藉此組成新字，甚至是新書，幾乎無限本書籍，他可以肯定地闡述一個經驗事實。」 也就是說，你可以取某個單字，用其他字母取代其中一些字母、或成對字母、或成組字母，而得到任何你想要的字，對嗎？「然而，同時，以常理判斷，這種方法是荒謬的，但一個遭常理譴責為荒謬的原理，是哲學上的錯誤及科學上的謬誤」。所以這種說法不太可能使他在巴黎受歡迎，然而同時－所以事實上這就是他所做的，對嗎？國王的新衣，他是這個領域的新手，對嗎？他成為化學家只有兩年時間，兩年前才開始研究化學，卻說法國每個人所做的都是無稽之談，那在德國呢？這就是他之前所在之處，柏林。「我只能評論說，它不僅是一種無益的語言形式，也有害於科學，因為它傾向於採用這些限制了科學探索的類元素概念。」他所謂的類元素是指什麼，它們是什麼？ 學生：化合物基 教授：化合物基，對嗎？「包含某種無法解釋的未知及終極力量」，也就是說，好吧，你得到了基，但是什麼使基結合在一起？對嗎？「這扼殺了對於必須解釋之處的探索，藉由將這個元素的組合，這個終極力量，套用於任何非此類的物體上。」它們絕非元素，因為你可以燃燒它們，當然，得到水和CO_2等等，對嗎？所以這個評論完全正確，對法國及德國兩方面的理論來說，但這種說法太缺乏技巧了，對嗎？特別是對一個僅研究化學兩年的人來說；或許只要學習化學兩年，就能看出這些理論有多麼愚蠢，對嗎？但無論如何，他因此惹上麻煩，他提出了什麼替代理論？觀察元素本身的性質，而不是基，不是屬於某種類型的行星系統。「科學要求嚴格遵守一個原則，直接與這個觀點互相矛盾，沒有這個第一原則，研究無法更進一步，這是不可忽視的，即整體是其組成部份的衍生物。」所以你必須先瞭解元素，才能瞭解由元素組成的東西。這顯然並不正確，事實上我認為你們可以提出一個相當不錯的論點，當你使事物變得更複雜時，它們不會僅是其中組成部份的總和，但這就是他所說的， 「因此，接下來，對於科學統一及研究來說，絕對有必要將這些物體視為完全的衍生物，其中不包含終極力量等秘密，這些所謂類元素擁有的性質，是組成它的個別元素之性質所產生的直接結果。」 所以要研究的是元素，而不是基。然後他開始闡述，將重點放在碳原子，這對有機化學家來說並不令人驚訝，「關於此方法的應用，我建議目前考慮單一元素，碳；我們已發現此物體具有兩項相當顯著的特性；（1）它可與相同數量的氫、氯、氧、硫等結合，」你們都同意這一點嗎？他為何會這麼說？這是因為他使用的不是正確的原子量，對嗎？是嗎？「它會與本身進行化學結合，」所以這是指兩個粒子：它會與本身結合，不只是與其他粒子，就像二元論所說的，它結合了－它有一定的結合力，「這兩個性質，以我看來，解釋了有機化學的所有特性。」 第二章：碳的四價性及自我結合性質 所以1858年標誌了一個有機化學的新疆界，一個全新的發現－碳的四價性及自我結合性質，這是第一點和第二點，對嗎？它會與一定數量的其它粒子結合，也可自我結合，對嗎？現在，他顯示在這裡的是甲烷、CO2和四氯化碳的分子式，但這些是他得到這些分子式所使用的原子量。注意，他寫著：「使這所有四個氫原子束縛在一起的並非彼此間的親和力，」你知道，它們並非全都束縛在一起，因為你可以逐一將它們取代，用一個、兩個或三個氯原子，「每一個氫元素均可被其中一個氯依序取代，從第一個開始，到最後一個結束；相反的，氧原子以成對結合，」他指的是什麼，氧成對結合？為什麼在他的分子式中，它們是成對結合的？就是畫成大括號那些，就像他們在類型理論中所使用的？請說，Angela？ 學生：也許是一個氧，因為－它們或許是一個氧，因為他使用的是一半的原子量。 教授：啊哈！因為他使用的是一半的原子量，所以它們始終是成對的，使氧的原子量成為十六，如果他認為氧原子量是八的話，「關於氧原子的成對結合，之後將會有更完整的發展。」這篇論文中並沒有提到這個，但沒有之後了，因為他崩潰了，對嗎？「因此，只有兩個氯原子可以取代兩個氧原子，」所以你可由CO2開始，得到光氣（COCl2）和四氯化碳（CCl4），「同樣的，含有數個C^2的物體可與氫結合，」所以碳也是同樣情形，它總是成對出現，對嗎？因為他用的原子量是六而不是十二。好的，「反過來看，如果四個氫原子彼此束縛在一起，我們顯然可以期待形成像H^4^Cl^4這種物體，」對嗎？如果這四個原子全都束縛在一起，可形成四個鍵，對嗎？那麼你就會得到H^4^Cl^4或其他化合物。「人們自然會期待發現氯取代碳，而發現像H^4、Cl^2、C^2等物體，這些物體不僅尚屬未知，在整個探索氫的歷史中從未發現一個支持以下觀點的例子，當它與另一種元素結合時，它本身之間具有任何親和力。」 對嗎？所以記得嗎，讓所有氯結合在一起是Schwindler（騙子）的想法。好，所以他有這些原子彼此結合的想法，用這個來討論結構是合理的，對嗎？什麼跟什麼連接等等，你們知道，主鏈、支鏈之類的。好，所以現在你可以寫出結構式，所以這些是最初的結構式，因為之前並沒有結構這樣的概念，對嗎？所以甲醇的分子式是這樣，乙醇的是另一個，所以現在你們可以看出重點在哪裡嗎？他用什麼表示鍵？ （學生此起彼落發言） 教授：三個點，對嗎？表示鍵，所以他讓一個碳與三個H連接，還有OOH，這是因為氧是成對的，對嗎？所以我們把它寫成這樣，或乙醇，我們寫成那樣，或這個化合物。現在，這個化合物中有一個印刷錯誤，這是什麼？印刷錯誤在哪裡？這是什麼物質？Seth，你可以告訴我嗎？從左邊，左下角開始，它是什麼？第一個基是什麼？其中有一個碳，這是單一的碳，是的，甲基，CH_3，對嗎？他沒有分別畫出三個與氫連接的鍵，但顯然C連接著三個氫。下一個呢？請繼續，C與什麼連接？左上角那個，當然，它與甲基連接，還有什麼？ 學生：氧和氫 教授：與氧連接，連接在一個氧上，雖然他畫成兩個，對嗎？這個碳還與什麼連接？ 學生：氫 教授：幾個？它與幾個氫連接？左上方的碳。 學生：兩個 教授：兩個，所以它是CH_3CH_2O。現在，有人能幫我說完剩下的部份嗎？Ryan？ 學生：嗯，頂端那個是不是只有一個O，因為－ 教授：它應該是一個O，但他使用不同的原子量，John？ 學生：最右邊的C不是應該有鍵結嗎？ 教授：啊，最右邊的C應該彼此連接，印刷工漏了這一點，所以它是對稱的，這是乙醚，對嗎？這是它正確的結構，除了印刷錯誤以外，對嗎？現在，他說：「在任何已知的反應中，均未發現C^2會分成兩部分，所以這只是書寫方式導致的結果，如Gerhardt所做的，C^2事實上是C，由此可知，碳相當於十二。」所以他在這篇論文中將它改成十二，所以現在他這個沒有C^2的分子式跟我們的比較像了，所以他寫了一個甘油和一個甘油酸的分子式，所以我們來看甘油酸。你們在頂端看到了什麼？頂端那個碳是什麼？Max，你認為呢？它與什麼連接，頂端的碳，右邊的？ 學生：連接一個氫 教授：一個氫 學生：OH基 教授：一個OH基 學生：還有另一個－ 教授：請再說一次？ 學生：另一個OH基 教授：兩個OH基，和下方的碳，對嗎？因為碳可以與碳結合，這就是其特殊之處。好，所以這是左邊那個以現在的分子式表示，這是右邊那個，事實上他的猜測有點錯誤，因為他將兩個OH放在頂端部分，中間一個也沒有，應該是相反才對，所以事實上他應該將這兩個換一下，當然，他不可能知道這一點，右邊也是同樣情形，對嗎？所以他畫出的結構相當接近，但或許最了不起的是他所畫的葡萄糖結構，顯示在這裡，而它－現在他並沒有畫出碳碳之間垂直的鍵，他使用這個大括號，所以這多少會讓人想起類型理論，但顯然他的意思是碳與碳連接，所以這是他所畫的分子式，這是葡萄糖的正確結構，如果它與水結合的話，對嗎？ 所以你可以加上－葡萄糖，是醛類，CHO在底部，O以雙鍵連接，所以你可以將水加入醛類，確實會發生反應，你會得他寫在這裡的結構，所以這是正確的。如果葡萄糖溶於水的話，對嗎？所以試著自己做做看，這是複習我們所教的很好的練習，取決於你如何定義它，這是兩或三步驟的HOMO / LUMO連續反應，將水加入醛類，變成二醇，就是你們在這裡看到的，所以不妨試試看，對嗎？在法文版的同一篇論文中，如我們所說，稍後出現的那篇，他以這種方式繪製，你們注意到現在有何不同？事實上有兩個地方不同。 學生：直線 教授：是的，現在他以單線繪製，以直線表示鍵，所以這是第一次以這種方式繪製，不再有這些虛線了，但其中有一個印刷錯誤，這裡不是畫成OH－注意－是的，這裡不是畫成OOH，等一下，他加上－他寫錯了分子式，他在這裡加上的是H_2。但這確實很驚人，得到如此複雜分子的正確結構。在最初那篇論文中，關於結構或鍵的整體概念已被提出，所以這非常了不起。我們關於鍵的概念及用來表示鍵的符號都歸功於Couper，所以這是蘇格蘭Kirkintilloch的Old Aisle公墓，昨天照的，你們可以看到，這是Archibald Scott Couper的墓碑，下面這個是你們寫的感謝函（學生發出反應），而這些花－你們買來放在他墓前的石南花，所以這是我們秘密的感謝函，我們謝謝Susan Frew昨天代表我們將這個送去（掌聲）。 第三章：Kekule對化學及分子符號發展的貢獻 好，但在這棟大樓前方，Couper的貢獻並未得到任何注意，所以只有你們這些瞭解的人才會注意到，對嗎？在大樓前方，他們寫的是Kekule，所以我們來談談Kekule，我們也會談到霍夫曼。我們之前提過，在Liebig的Giessen實驗室圖畫中，右邊那個戴著高帽的傢伙，還有Cannizzaro。好，這是一張Kekule十三歲時畫的畫，以我的標準來說，這是一張相當不錯的畫，這張是他十八歲時畫的，他去Giessen大學唸建築，對嗎？但他在那裡時聽到Liebig的演講，因而迷上了化學，成為一位化學家，好的，他跟隨Liebig做研究，結束後，他想前往巴黎與當地化學家一起做研究，你們認為－記得嗎，Liebig曾跟著給呂薩克做研究，所以他從巴黎知道了這件事，你們認為Liebig會對這個將前往巴黎的年輕小伙子說什麼？ 學生：離Dumas遠一點。 教授：也許是離Dumas遠一點，對嗎？他說的是，「在那裡，你將能擴大視野；在那裡，你將學習到一門新語言；在那裡，你將會瞭解一個偉大城市的生活；但在那裡你無法學習到化學。」但他還是去了，他也去了英國，廣泛結識所有當時化學界的領導人物，然後他在海德堡得到一份工作，1856至1858年待在那裡。他也研究了二甲砷基，就是跟砷有關的自由基，一位傑出的－跟他一起研究這個的學生是Baeyer，我們之後會談到很多關於他的事，而本生，當時海德堡的大人物，Kekule就是跟著他做研究，他進行這項研究，不是在實驗室裡，而是在他公寓的廚房裡，做這個關於砷的研究。 所以1857年，當時他在那裡提出了一個以碳為基礎的新類型，所以碳可以讓四個粒子與它連接，你可以用一個取代另一個，對嗎？所以這讓他有了碳是某種特別元素的想法，屬於一個新類型，四價類型的基礎，最後他著手研究這個想法。一年後，發現碳可以與它本身結合，所以他在Couper的論文發表前提出了沼氣這個類型，但這另一篇論文基本上是同時完成的，只是稍慢寫出，但較早發表。這是他所寫的〈對Couper先生新化學理論的評論〉。 「事實上，在兩個刊登於Liebig's Annalen期刊的備忘錄中，我已提出不同看法，以我的觀點來說，它應提供了一個對化學化合物結構更清晰的洞察」〔比Couper的更清晰〕「容我指出，〔我第一篇論文〕制定了這個原則…我將其稱為原子鹼度」〔我們稱之為原子價〕「如果Couper先生認為，他已發現在這個特殊的相互吸引力中，存在鹼度差異這個想法，我會第一個承認我無權與他競爭這方面的優先權。」 但他很快就說他是第一個擁有這個想法的人，與Couper相較之下，他的事業成功得多；這是他在Ghent時，他在這段期間提出了苯的結構，還有一些我們之後會談到的人，或至少會談到其中幾個他的學生，之後他成為波恩的化學領導者，任教於當地一所新的化學學院，這是他1872年的照片，我們將會談到很多關於右邊這個傢伙的事，所以他成為一個主要的化學領導者。 現在，事實、想法和名稱－名稱就是命名，所以這些新想法需要新的名稱，而且，不僅是字母拼成的文字，還有符號，你打算用什麼符號表示這些東西？然後進一步發展成可以組合的實際物理模型，對嗎？顯示你所談論的分子－如果你知道它們結構的話。所以霍夫曼對語言很擅長，事實上他成為倫敦皇家化學學院的領導教授，因為艾伯特親王－你們知道維多利亞和艾伯特－艾伯特是德國人，所以他與德國化學界的淵源深厚，並跟隨Liebig做研究。Liebig說，「霍夫曼是個很棒的傢伙，你們應該聘用他。」所以他們聘用了他，所以他前往倫敦，他的英語非常流利，總之他對語言相當擅長。他有個使碳氫化合物名稱系統化的想法，所以他打算以拉丁字根為命名基礎，所以「四」以「quart」表示，對嗎？我們以什麼來表示「四」？Butane，對嗎？我們上堂課談過這個，因此，以「quartane」開始，然後你可以開始將氫原子拉開，產生自由基的命名，所以你可以將一個氫拉開，這就是「quartyl」，因為yl這個字尾，記得嗎，代表基的字根，然後你可以將第二個氫拉開，得到「quartene」，然後你將第三個氫拉開，它是「quartenyl」，然後還有「quartine、quartinyl、quartone、quartonyl、quartune、quartunyl」。他使用什麼系統？你怎麼記得什麼是「quartune」？請說？ 學生：這是母音 教授：這是以母音為順序，a-e-i-o-u，我們保留了a、e和i，雖然我們將alkyne（炔）寫成y，而不是i，對嗎？這就是它的由來，來自霍夫曼，但「quart」並未被保留下來，因為當時這個名稱已建立完善。好，現在Kekule的－所以這是名稱，那符號呢？所以他於1865年提出的苯論文中，當時他在Ghent，他在一個註腳中寫著： 「為了使它更清晰，我在這個註腳末附上一個表，列出文中所提大部份物質的圖形化分子式，這些分子式用以表達的想法現在已廣為人知，因此沒必要再多加著墨，我打算保留我於1859年第一次闡述－關於分子的原子結構時所採用的形式。」 所以他在1859年提出原子價等觀念；我記得是1858年，所以這是五、六年後，他將它應用到苯上，「這個形式幾乎與Wurtz先生在他美妙的化學哲學講座中所使用的相同，在我看來，這比Loschmidt及Crum-Brown先生提出的修改更佳。」所以我們先來看看Loschmidt及Crum-Brown所做的，所以這就是這句話所說的。Kekule認為他使用的分子式更佳，好，我們先想一下，分子式應該顯示什麼？對嗎？分子式該顯示的第一點是什麼？它必須符合事實，對嗎？所以你能從分子式中推導出什麼事實？分子式應該顯示什麼？Kevin？ 學生：其中有哪些元素－ 教授：其中有哪些元素？碳、氫、氧、氯、氮等等，好，還有什麼？Shai？ 學生：元素的比例 教授：元素的比例，對嗎？Berzelius的分子式也有這個，但新的不同處是什麼？組成：元素和原子數，接下來呢？現在，如果我們有了這個新理論，原子價理論？Sherwin？ 學生：結構 教授：結構，你說的結構是指什麼？ 學生：相對位置 教授：你是指像X、Y、Z座標嗎？你可以寫上數字，這是原點，我給這個標上1.238等等，什麼？ 學生：還有哪些原子彼此連接。 教授：啊，哪個連接到哪個，對嗎？不是它們在空間中的位置，而是這個連接那個，這個價鍵連接到那裡等等。好，所以Berzelius在組成方面已經做的很好，但現在我們還需要顯示結構－就是第二個C，結構意味著鍵的性質和連接順序，現在連接順序很明確，這個連接這個，連接到這個。我所謂鍵的「性質」是指什麼？鍵的性質怎麼會有所不同？ 學生：強度 教授：單鍵、雙鍵、三鍵，對嗎？所以你需要能顯示同分異構物的分子式，Berzelius的無法顯示，對嗎？所以這是Lohschmidt的，這是Lohschmidt在1861年繪出的醋酸分子式，你們看得懂嗎？Andrew，你認為呢？毫無頭緒，你認為左邊這個是什麼？ 學生：CH_3 教授：請再說一次？ 學生：CH_3 教授：CH_3，對嗎？所以它的大小跟重量有關，對嗎？所以它是CH_3，它跟什麼連接？C，大小相同，它與什麼連接？ 學生：O 教授：O，H；有什麼特殊之處？ 學生：雙鍵 教授：雙鍵，所以他想出一種顯示雙鍵的方法，對嗎？所以我們很容易就能理解。好，現在這是Crum-Brown的，現在，這是在Crum-Brown論文中的苯甲酸，所以其中的COOH甚至比Loschmidt圖中顯示的更清晰，對嗎？它有一個雙鍵和一個單鍵，跟我們現在所使用的一樣，對嗎？不同之處在於C_6部份，有5個氫與它連接，但我們並不真正知道C_6的排列，但他也畫出了這個，苯酚就是苯上連著一個羥基，OH，所以你可以看見一個環，雙、單、雙、單、雙、單，所有碳上都連著H，除了一個，它連著OH，所以這很容易理解，Shai？ 學生：雙鍵的想法從何而來？我覺得這只是－ 教授：因為如果你說碳有四個鍵，那麼你必須找出第四個鍵在哪裡，對嗎？如果它與三個原子連接，但可以形成四個鍵，必定會使其中一個形成雙鍵，總之這個想法就是如此，或者也可能是它們指向環中心第四個鍵等等，也有一些其他想法。好，這是一個以Crum-Brown符號表示的反應，所以它是一種醛，你將氰化物的HOMO加入，一個質子進入O中，得到這個化合物－一種氰醇，這是它的名字，所以這幾乎是相同的－它跟我們目前所使用的有何不同，不同處在哪裡？我們不再於元素周圍畫圈，這樣畫起來更快速。除此之外，其他部份基本上是相同的，對嗎？或這裡，他說有兩種醇：「真」醇，它可以失去水，產生一個烯烴；或烯烴水合物，它可以失去水，產生同一種烯烴。真醇和烯烴水合物之間有什麼區別？它們是怎樣的異構物？Russell？ 學生：OH的位置 教授：是的，OH跟R的相對位置，對嗎？所以他在這裡也解釋了同分異構物，所以這些圖相當不錯，但Kekule說他的甚至更好，這是Kekule的苯結構，來自同一篇論文，記得嗎，他最後說，我要提出更佳的分子式，所以他說的到底是什麼？Eric，你有什麼想法？你認為那是什麼？Eric？不知道？嗯，你沒有好好研究苯。（笑聲）其中有什麼原子？ 學生：碳和氫 教授：它是C_6H_6，對嗎？所以那必定是碳或氫，你認為呢？ 學生：氫 教授：左上角那裡，不知道，有人知道嗎？為什麼你說是碳，Kate？ 學生：是的，因為它同時顯示了雙鍵和單鍵。 教授：啊，它顯示在上面，圖一中顯示了碳碳間的雙鍵，然後是一個單鍵，然後是一個雙鍵和一個單鍵；然後是一個雙鍵；好，我們看－這是開放鏈，這是封閉鏈，末端那些箭頭是什麼？ （學生此起彼落發言） 教授：啊，那些是彎回去而彼此連接的原子，設法形成一個環，對嗎？你們認為他試圖以－藉由他所畫的這些符號，暗示著每個原子在笛卡爾座標上的位置？他試著表現出x、y、z座標嗎？你認為呢，Nate？你認為他顯示的是否是座標？ 學生：我不知道 學生：哪個Nate？ 教授：都可以 學生：他放上了x、y軸，在那裡，他放上了x、y軸。 教授：哦，可以這麼說，沒錯，這是一個x軸和一個y軸，他說在某一點上，它是那樣、那樣等等，你們覺得他是否認為，如果他有一個顯微鏡，可以看見這些，事實上這就是這些原子應有的位置？他顯示的是物理位置嗎？ 學生：在我看來，它有點像（聽不見） 教授：Kelsey，你有什麼想法嗎？你覺得他是否認為，他顯示了這些原子在空間中的實際位置？他顯示了什麼？請說，Sherwin？ 學生：排列順序 教授：什麼跟什麼連接，以及它是單鍵或雙鍵，他顯示了結構，鍵的性質和排列順序，不是原子的位置，當然不是。好，這些小點是氫，對嗎？所以這些東西的長度代表它有多少價，對嗎？碳有四個長度；氫只有一個長度，一條切線代表一個鍵，對嗎？所以這是C-H雙鍵；C-H單鍵、C-H雙鍵等等，然後到達末端，再回到開始處，對嗎？然後他畫了氯苯，因為氯也是單價，對嗎？所以你可以用它來取代氫，然後得到二氯苯或三氯苯、四氯苯等等，對嗎？ 現在，他在這裡顯示了異構物嗎？也就是說，在這個例子中，如果你用氯取代的是這個氫，而不是那個，這是相同或不同的東西？如果你相信這張圖顯示的是粒子在空間中的位置，它們會是不同的，對嗎？但如果你感興趣的只是什麼跟什麼連接，是單鍵還是雙鍵，那麼它就是相同的，無論哪一種形式都是相同的。那二氯苯呢？它有異構物嗎？ 學生：是的 教授：啊，你可讓它以不同順序排列，對嗎？它可以是連接氯的碳原子彼此相鄰，或間隔相鄰，或之間再多一個間隔，對嗎？所以你可以用這個系統表示同分異構物。所以它有多少異構物？現在，你認為Kekule的想法是什麼？你覺得他認為氯苯有多少種異構物？你覺得他認為是多少？只是－猜猜看，我會顯示給你們。好，他認為他的系統比較好，現在，他也用他的系統－在同一篇論文中他畫了很多分子式，但他顯示了這些化合物，像這個，這是什麼基，左邊這個？ （學生此起彼落發言） 教授：這是什麼基？那是什麼？這是什麼原子？CH_3。這是什麼？CH_2，OH，O有兩個單位長，對嗎？所以是CH_3CH_2CH_2OH，Alcool propylique，丙醇，瞭解嗎？這個呢？CH_3，CH_3，CH，OH，它是alcool methyle-ethylique，甲基乙醇，所以這是乙醇頂端的部分，但其中一個原子被甲基取代；注意，他必須改變他的分子式，對嗎？因為現在這些水平切線代表鍵，但這個垂直切線不代表鍵，所以對學生解釋起來有點複雜，對嗎？好，下一個呢？CH_3，這是什麼？ 學生：C-O 教授：C=O雙鍵，CH_3，所以這是我們的老朋友，丙酮；這是什麼？CH_3，CH-OH，對嗎？CH_3－Alcool acetonique，所以這是你將兩個氫加入丙酮所產生的醇。現在，你們對這個有什麼想法？看出什麼有趣之處嗎？這是CH_3CHOHCH_3，這是CH_3CHCH_3OH，Sophie，你認為呢？ 學生：它們是同樣的東西。 教授：啊，它們是擁有相同性質及排列順序的鍵，對嗎？這個是我們已知的，那個、那個、那個，但最後一個，及圖二十八這個是同樣的東西，但他為它們畫了不同的分子式，所以他的系統並未正確顯示出異構物，對嗎？他畫出這些不同的東西，他沒說它們是相同的，對嗎？它們被認為是不同的東西，因為當你做一個－當你用一種方式及另一種方式製備它時，例如，你會得到一個不同的沸點，或其他的東西，事實上我不知道這是什麼數據，但其中有一些不同處，顯示這是兩種不同的化合物，你們曾經測量出錯誤的沸點嗎？但他們有，對嗎？這只是證明這個實驗是錯誤的，但這顯示了他的系統並不像其他系統那麼好，無論他的說法是什麼。 第四章：3D分子模型：從Brass Strips 到 Croquet-Balls 好，現在，關於分子的物理模型呢？好，這是一個偉大的專利，由美國專利局於1868年發給肯塔基州格拉斯哥的Samuel M. Gaines，我們可以看到他對這個東西好處的說明。他說， 「現在，如果一個班級被指示坐在課椅上」（所以這是我們的課椅，對嗎？）「其中一名學生被要求製備碳酸，他將迅速走向前方的桌子，桌上放置著一個開啟的箱子，將標示6的方塊放在其中一個架子上，及兩個標示8的，碳1個，氧2個；如果他被要求製備石灰，他將在架子上放置一個標示20的方塊（鈣），及另一個標示8的（氧），這些是石灰的組成元素。當這些方塊全都被放置在一起時，這個學生被問道，『現在我們得到什麼？』答案是『石灰的碳酸鹽』。」對嗎？好的，「另一個學生或許被要求對石灰的碳酸鹽進行近似分析，他面前的方塊將顯示答案，並使他牢記在心。『它由一份碳酸（22）及一份石灰組成（28）』。」〔你只需要將它們分開就可知道近似分析結果〕，「另一個學生或許被要求進行最終分析，他可以同樣方式得到答案。『碳酸由一個碳原子及兩個氧原子組成，石灰由一個鈣原子及一個氧原子組成』。一位聰明的教育家一眼就可看出，藉由使用這些化學字母，他可以立即擄獲學生的注意力，將一個至今依然令人厭煩的任務，轉變成一項令人愉快的娛樂；原子論、親和力的特性、倍比定律、命名法、同分異構物等等，學習這一切或許只需過去一半的時間，如此學習而得的知識將令人難以忘懷。」 現在你們有什麼想法？這顯示出原子論的觀點，分子及物質是由原子組成的嗎？它顯示出這一點嗎？ 學生：是的 教授：是的。好，那親和力的特性呢？單、雙、三鍵原子價等等，顯示了這些嗎？我無法明顯看出，所以我懷疑這一點，那倍比定律呢？還記得倍比定律是什麼嗎？你有相同的元素－如果你知道A的a部份及B的b部分等所有東西，然後AD將會是什麼，依此類推〔這裡及之後教授將定比及倍比定律搞混了，Gaines的模型確實顯示了這一點〕，請說，Max？ 學生：為什麼Kekule在他的符號中只顯示一個氧？ 教授：請再說一次？ 學生：Kekule知道氧正確的原子量嗎？因為他的符號中只有一個氧。 教授：是的，但注意，這裡每一項都是減半的。 學生：哦，好的 教授：所以沒關係，比例正確，對嗎？好，但倍比定律，你必須知道多少粒子跟多少粒子產生關連，在這裡並不明顯，對嗎？那命名呢？嗯，也許，氧化鈣等等，CO2異構物，你可以得到同一種物質的不同排列嗎？好，顯然你可以使那些方塊彼此相疊或相鄰，但你怎麼知道該用多少塊？對嗎？以我看來，這個系統運作的並不是很好，所以這些模型在某些方面是好的，但並非很多方面。 好，現在是蘇格蘭的James Dewar，一位學生，他的想法是使用黃銅條顯示模型，事實上他可以把這些黑球放上，他說，「為了使這個組合看起來像一個原子，可將一塊熏黑的黃銅薄圓盤放在中央的螺帽下。」我認為這相當有趣，「看起來像一個原子」彷彿他知道原子的模樣，對嗎？好，然後他畫出－他用他的銅條，製作出這些苯的可能結構模型，對嗎？你們可以看到原子的位置，每個碳有四價，以及它們－伸出的方向，這個特別的分子，這個化合物，這個結構，事實上在大約100年後被製備出來，當時被稱為杜瓦苯，對嗎？這個很有趣，它有一個四中心鍵，四個碳共享同一個鍵，對嗎？ 霍夫曼，記得嗎？這個對語言擅長、在倫敦的傢伙，他在倫敦的最後一場演講是在皇家學會，就是法拉第曾待過的地方，還有Davy曾待過並做了電解實驗的地方，所以他舉辦了這場公開演講，以槌球當作原子模型。他將木條插入球中，並將球上色，他選擇的這個系統，我們目前仍沿用其代表原子的顏色：白色代表氫，紅色代表氧，藍色代表氮，黑色代表碳，對嗎？所以這是他演講的一部份，所以他會在你眼前建構出分子，他以一個氫開始，放上一個氧，然後是另一個氫；瞧，他做出水的模型，對嗎？或他可以做出沼氣，甲烷的模型，或他可以顯示出HCl的氧化，所以你以HCl開始，但他可以將它拆開，將一個氧放在中間，或放入兩個氧，或三個、四個氧，可從鹽酸依次得到次氯酸、亞氯酸、氯酸、過氯酸，所以這就像拉瓦錫做的一樣，進行不同層次的氧化。 不幸的是，這些並非正確結構，對嗎？真正情況是，氯的未共享電子對可分享給氧而產生這個，這是高樂氏漂白劑中的有效成分。或者你也可以將氯的另一個未共享電子對放在另一個氧上，或將另一個電子對放在另一個氧上，得到給呂薩克使用的氧化劑，氯酸鹽；或者你可以放上最後一個氧，這是一個具爆炸性的分子。事實上，過氯酸銨，AP，是軍用炸藥中的一個成份。注意，在霍夫曼的模型中，你可將十五個氧排成一列，如果手能伸到那麼高的地方，但這裡只能放入四個氧，因為這是氯所擁有的未共享電子對數目－氯進行反應所需的。 好，但隨後他展示了沼氣的氯化，所以形成一氯、二氯、三氯和四氯沼氣。現在這很有趣，因為以二氯分子來說，你可以想像這些模型有兩個異構物，對嗎？氯可以彼此相鄰或相對，對嗎？現在，若干年後，倫敦舉辦了一個展覽，展示分子模型，但此時霍夫曼已回到德國，但他們找了一個西班牙的傢伙製作一些霍夫曼式模型。來自馬德里的Manuel Gonzalez Rodriguez製作了這一組模型，這是由這組模型組成的甲基氯，這些模型之間有什麼區別－它寫著「根據霍夫曼」，在這裡「Segun A.W. Hofmann」，對嗎？有什麼不同之處？Alex？ 學生：碳上的鍵不只是－彼此間不是呈90度。 教授：它們彼此間不是呈90度，而是109.5度，這是一個四面體，不是平面正方形，對嗎？現在，它顯示出什麼跟同分異構物有關的性質？所以假設我們取代另一個氯，這是一種二氯分子，這是一種不同的，這是另一種不同的，這一種呢？ 學生：不是 教授：它們只是分子彼此旋轉後的模型，並非不同分子，對嗎？所以取決於它是平面正方形或四面體，你會得到不同數目的異構物。這很巧妙，因為它提供了你一個工具，來分辨它是平面正方形還是四面體，對嗎？所以你可藉由分析得到結構，所以，但對霍夫曼來說，這些結構模型試圖顯示鍵的性質及排列順序，並非空間中的排列，對霍夫曼來說不是，對製作這些模型的傢伙來說也不是，他們並未試圖以這種方式解釋異構物，他們試圖顯示的只是這些跟你在圖形中所畫的相同的東西－鍵的性質及排列順序，它們是單鍵、雙鍵或三鍵，以及它們彼此如何連結。所以試圖得到原子在空間中的排列是稍後才發展出的，但霍夫曼演講中最重要的是這個－如果你用這些槌球模型組成成油氣，我們上堂課談過這個，它會有兩個空價鍵，如果你將氯加入，可得到荷蘭液，二氯乙烷。但記得嗎，我們上堂課談過，他將成油氣稱為「未完成」或「不飽和」的，我們現在稱它為不飽和分子，它具反應性是因為這些空價鍵，我們現在知道為什麼會這樣，他得到錯誤的結構，它應該是CH_2CH_2，不是CHCH_3，我們現在知道關於HOMOs、LUMOs等性質，但這確實就是他所顯示的，這種模型含有某種全新、之前沒人想到過的東西嗎？它可以解釋什麼？這個新的不同處？跟這個模型有關的新特性是什麼？其中含有什麼元素？它們的比例為何，對嗎？它們如何彼此連接單鍵、雙鍵、三鍵，他加入了什麼？反應，對嗎？所以它是某種新東西，所以整個歷史就是將新事物、新屬性加入模型中，之後還有更多的發展，對嗎？今天講到這裡。 2008年10月29日