3.3 近代化学和社会的发展

从17世纪末到20世纪初，化学学科在先哲们的努力钻研和实践中建立起来，化学成为自然科学中涉及物质科学的中心内容。

3.3.1 拉瓦锡的燃烧理论及其他成就

在18世纪七八十年代，法国化学家拉瓦锡经过长期的实验研究，建立起燃烧的氧化学说，揭开了燃烧现象的本质。他令人信服地指出了长期以来统治化学界的燃素说的错误。拉瓦锡自觉地遵循和运用质量守恒定律，对各种燃烧反应进行实验，了解到氧作为一个元素的真正本性。他推翻了燃素说，并明确地批判了燃素说：

化学家从燃素说只能得出模糊的要素，它十分不确定，因此可以用来任意地解析各种事物。有时这一要素是有重量的，有时又没有重量；有时是自由之火，有时又说它与土素相化合成火；有时说它能通过容器壁的微孔，有时又说它不能透过；……它真是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。

拉瓦锡的这一成就，“使化学从燃素说形式上倒立着的全部化学正立了过来”。它使化学转入了正确的思想基础向前发展。与此同时，拉瓦锡还对化学元素、化合物的命名以及化学的任务作了明确的表述。

拉瓦锡的燃烧理论结束了自古以来普遍认为水和空气是元素的错误见解。化学元素不是古希腊的三要素、四原性，也不是中国的五行。拉瓦锡认为：

如果元素表示构成物质的最简单组成，那么目前我们可能难以判断什么是元素；如果相反，我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来，那么，我们现在用任何方法都不能加以分解的一切物质，对我们来说，就算是元素了。

拉瓦锡把当时已经发现了33种单质列成一张元素一览表。把元素分成简单物质、非金属物质、金属物质以及能成盐的土质等4类。

拉瓦锡提出对化合物的命名原则，规定每种物质必须有一个固定名称；化合物的名称必须反映它所含的元素，以表示其组成；元素的名称必须尽可能反映出它们的特性或特征。这种命名原则基本上沿用至今。

拉瓦锡指出化学的任务：“化学以自然界的各种物体为实验对象，旨在分析它们，以便对构成这些物体的各种物质进行单独的检验。”

拉瓦锡的这些新思想，使化学科学从此开始进入了一个新纪元，所以他对化学的贡献完全可以和牛顿的《自然哲学的数学原理》对物理学的贡献相媲美。

化学的物质观推动着人类对物质的认识，使社会健康地向前发展。

3.3.2 道尔顿原子学说和新元素的发现

拉瓦锡奠定了化学元素学说之后不久，在19世纪开始的几年，道尔顿的化学原子学说把原子论与元素学说统一起来，成为有机整体，使化学成为一门独立科学。

1803年道尔顿发表的原子学说有下面三个要点：

（1）元素（单质）的最终粒子称为原子，它们极小，是看不见的，是既不能创造，也不能毁灭和不可再分割的，它们在一切化学变化中保持其本性不变。

（2）同一种元素的原子，其形状、质量及各种性质都是相同的。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。

（3）不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成化学中的化合物，同一种化合物粒子的质量为所含各种元素原子质量之总和，其组成、形状、质量和性质也相同。

以上诸点在化学的发展史上具有划时代的历史意义。他还列出第一张原子量表。

将原子学说和当时物理学家研究的原子光谱结合起来，把光谱中的某一特征谱线和某种元素相联系。钠盐火焰呈黄色、钾盐呈紫色、铜盐呈翠绿色、钡盐呈草绿色、锶盐和锂盐呈鲜红色。得到某种金属和它的化合物给出相同的光谱的结论。按这结论，不但简便地检出某种元素是否存在，而且为新元素的发现及星球上存在什么元素提供了崭新的方法。铯、铷、镓、铟、铊等稀散元素就是在19世纪用光谱法发现的新元素。分析太阳光谱，表明太阳中有氢、钠、铁、钙、镍等元素。当时在地球上居然能测定出1.5亿公里以外太阳的化学元素组成，轰动了全球科学界。

利用光谱法对当时地球上还未发现，却存在于太阳上的一种新元素——氦（当时称它为太阳元素）进行分析，也是轰动科学界的大事。

从18世纪中叶到19世纪中叶的100年中，随着生产和科学实验的大发展，平均每两年半左右就有一个新元素被发现，到1869年已发现63种元素，对每种元素原子量的测定和各种元素的物理和化学性质都已有研究。这些丰富的资料给科学家们提出了一系列亟待回答的问题：地球上究竟有多少种元素？怎样去寻找新元素？各种元素之间究竟是否存在着一定的内在联系？

门捷列夫正是在这个客观条件比较成熟的时机于1869年发现了化学元素周期律。它为化学科学的发展提供了新的思想武器，推动着化学和社会发展。它也和自然科学的其他三大发现（能量守恒和转化定律、细胞发现和细胞学说、达尔文的进化论）一起，将科学界的自然观提高到新的境界。

3.3.3 阿佛加德罗分子论和微观世界

阿佛加德罗（1776—1856，意大利人）是19世纪初提出分子论的物理学家，他于1814年发表文章在物体和原子这两种物质层次之间引进一个新的层次——分子，用以解释当时的许多实验事实。该理论对化学科学的发展起重大作用，使人们的眼光深入到微观世界，了解分子由原子组成，了解分子的大小和质量等情况。

阿佛加德罗认为，对化合物而言，分子即相当于道尔顿所谓的“复杂原子”；对元素单质而言，同样也包含这样一个层次，只不过由几个相同的原子结合成分子。气体物质无论是元素单质还是化合物，其体积与分子数目之间存在着非常简单的关系：相同体积的任何气体，其中所含的分子数目总是相等的。所以在相同温度和压力下，同体积的气体物质含有相同数目的分子。各种气体的密度是度量分子质量的尺度。

道尔顿的原子论一经发表，立即得到化学界的重视。然而阿佛加德罗的分子论提出后却被冷落了近半个世纪。这期间经历了原子论—当量—分子量等一系列的研究结果间相互矛盾引起的争论。直至1867年，康尼查罗等化学家在分析归纳自己所测的分子量数据，才重视阿佛加德罗分子论的重要意义，并将它加以表述，作出原子-分子的现代定义：

分子是原子的集合，是化学物质——无论单质或化合物——能够分开的，或者说能够独立存在的最小部分；正是物质的这个最小量能够进入任何反应或者由反应而产生出来；原子是存在于化合物的元素的最小部分，它是不能被化学再分的最小质量。

原子-分子学说确立过程中，阿佛加德罗常数的提出和测定，使人们在研究微观世界时对研究的对象给出了清晰的图像。阿佛加德罗常数是指一个摩尔物质中包含分子的数目。许多物理学家采用不同方法加以测定，其中最直观的是英国晶体学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）在1912年到1915年间测定了金刚石和氯化钠等一系列化合物的晶体结构，他们利用晶胞参数和晶体的密度等数据算得阿佛加德罗常数值为：

NA=（6.0228±0.0011）×1023 mol-1

这数值的精确度高、物理图像明确，和现在国际颁布的通用数值：6.02205×1023mol-1几乎完全相同。它使化学家在原子-分子水平上认识化学物质的结构和性质，对物质的探索研究步入微观世界，在化学的发展中产生了深远的影响，成为此后一个世纪化学得以飞速发展的重要因素。

3.3.4 尿素和有机物的人工合成

1824年德国化学家维勒（F.Wöhler）从无机物氰和氨水出发制出了尿素。经过四年的论证以及用不同的无机物通过不同的途径也合成相同的尿素，于1828年发表了《论尿素的人工合成》的文章。

尿素的人工合成是化学的一大进步。此前，生物学和有机化学中广泛流行一种“生命力论”，认为动植物有机体具有一种生命力，只有依靠它才能制造出有机物质，尿素的合成给生命力论以巨大的冲击。尿素虽然从无机物人工合成出来了，还有人认为：尿素只是动植物的分泌物，界于有机物和无机物之间，不能认为是真正的有机物；想用无机物合成复杂的真正的有机物是不可能的。随后化学家们从无机物出发，相继合成了醋酸、柠檬酸、葡萄糖等一系列有机物，这才使化学家们确信可以由无机物人工合成出有机物。生命力论才真正被驳倒，解除了它对人们思想的禁锢，开创了有机合成的新时期。下面从几件事例简述19世纪后半叶有机化学的进展。

1．茜素和靛蓝的人工合成

茜素和靛蓝是很早就被人们使用的天然染料。

茜素是从茜草中提取出来的一种鲜艳的绛红色染料。在17世纪时，由于欧洲纺织工业的发展，染料需要量增加，虽然曾人工种植，仍满足不了需要。19世纪60年代，化学家开始研究它的结构，并以蒽醌为原料，探索出原料便宜、操作简单、产率较高的合成路线，制得了茜素，投放在市场上，代替天然的茜素。

靛蓝是人们很早从木蓝和松蓝植物中提取用来染棉布的蓝色染料，由于它非常稳定不会褪色，很受人们的欢迎。靛蓝结构的测定和研究价廉的人工合成工业途径，经过漫长的道路，从19世纪初到20世纪初，是有机化学发展史上一项重要的史料。

在靛蓝人工合成的基础上，化学家又改进合成方法，生产出性能比靛蓝更好的阴丹士林染料，它是一种色泽鲜艳的蓝色染棉染料，它耐光性能好，不易褪色，而且价格低廉。阴丹士林英文名为Indanthrene，是由Indigo（靛蓝）和Anthrancene（蒽）联合起来的。

2．碳价键的四面体构型和分子旋光性

随着有机合成和有机分析的发展，人们对有机化合物的认识逐步深入。其中一个问题是四价碳原子连结的4个基团在空间应当怎样排布。范霍夫（J.H.van't Hoff,1852—1911，荷兰人）和勒贝尔（J.A.Le Bel,1847—1930，法国人）根据CH2R2只有1种异构体，而CHR′R″R‴只有2个异构体的事实，认为和C原子连接的4个原子或基团不可能是在同一平面上，4个键指向4个不同的方向，如图3.3.1所示，因为在同一个平面上排列CH2R2有两个异构体，而CHR′R″R‴应有3个异构体，和实际情况不同。

范霍夫认为C原子的4个价键应当指向四面体的四个顶点，碳原子居于四面体的中心，这样异构体的数目就减少了，对CH2R2只有一个异构体，如图3.3.2（a）所示。对CHR′R″R‴只有两个异构体，如图3.3.2（b）所示，其中一个是另一个的镜像，不可能叠合。

3．苯的环状结构的建立

苯是1825年由法拉第首先发现的。后来，经过多方实验确定它的分子式为C6H6。这为确定它的结构产生了难题，因它的氢碳比很小，应是不饱和化合物，但它性质上又不显示典型的不饱和化合物所具有的易发生加成反应的性质。凯库勒（F.A.Kekulé,1829—1896，德国人）对这一问题不停地日夜思考、专心致志，提出了一个由6个碳原子以单、双键交替结合而形成的环式结构。后来他说他是在书房中打瞌睡时梦见碳原子长链像蛇一样抓住自己的尾巴的景象启发所得。他自述的趣闻，启迪人们在科学研究中必须注意独立思考和善于想象，将问题终日放在头脑中萦绕着，以致产生的梦幻也会给出有益的启示。

苯的环状结构指导有机化学家开发利用煤焦油，并为染料、医药、香料和炸药等有机产品的合成和发展起了重要的作用。