学科教育论文-化学中的物理定律--质量作用定律的创立.doc

学科教育论文-化学中的物理定律-质量作用定律的创立质量作用定律（Iawofmassaction）在现代意义上理解，就是在一定温度下，一个均匀化学反映（homogeneouschemicalreaction），其反映速率与反应物质的浓度成正比。事实上与反应物质的质量的浓度有关，所以此定律字面的意义是错了，但因为习惯也就沿用下来了。在质量作用定律创立的发展史中，有3次比较重大的时间：一是贝托雷提出质量作用的思想；而是威廉米得出的第一个物质浓度与反应速率有关系的书决表示式；三是古得贝格比较完整地叙述质量作用定律。现对该定律创立过程的近180年的历史进行简单回顾。1、从日夫鲁瓦到贝托雷化学作用的本质是化学领域中最古老又最有吸引力的课题。古希腊哲学家恩培多可勤（Empedokles,公元前约490430）认为物质之所以能够发生化学变化，只不过是由于"爱"和"憎"的2种力的作用，即元素在爱的作用下结合，在憎的影响下分离；古希腊医学家希波克拉底（Hippocrates,公元前约466-377）用亲疏关系结实化学作用。公元13世纪，德国炼金家马格努斯（AibertusMagnus，11931282）提出亲合力概念，其原意也是姻亲关系，认为一切化学结合都看做是因有关物质的"亲合性"所致。早期化学家们接受了这种观点，把导致化学反应得以发生的力称为化学"亲合力"（addinity或chemicalaffinity）。在18世纪初，英国著名物理学家牛顿（SirIsaacNewton，16421727）在他的拉丁语版光学（Optics）（1705）的疑问31中，就从力学的角度发展了物质构造的微粒说，提出了他对化学亲合力的见解。他提出："我们已知物体间能通过重力、磁力和电力的吸引而相互发生作用，那么在不同物质的微粒间，当距离很小时（即相接触时），则还会有另一种吸引力使2中微粒以加速地相互发生冲击。"他把各种化学物理现象，都归结于这种使物体趋近的力。牛顿对化学亲合力的这种形而上学的机械论观点，使他在化学研究上没什有取得什么成就。英国化学家、物理学家波义耳（Robertboyle，16271691）曾不满于"酸和碱之间假想的敌视"，并表明，盐是由一种酸和一种碱相化而生成的，一种酸或碱能取代一种盐中的另一种酸或碱。他认为："相异两元素之微粒相互吸引，则生成第三物质，即成为化合物。倘若此化合物中两元素成分之相互亲合力小于其中一成分与第四物质之亲合力，则此化合物即分解，而生成第五种物质。"波义耳试图力学原理说明化学亲合力的性质，又用这种亲合力大小解释各种微粒的分解和结合。因此，化学工作者都认为反应物间存在着亲合力，且出现了多种亲合力表。最早的这类表中，有日夫鲁瓦（EtienneFrancoisGeoffroy，16721731。法国化学家）制定的一种。他在1718年试图表明一种碱对各种酸或一种酸对各种碱的亲合性的次序。他从这样的假设出发：如果一种盐中置换它，即物质间的反应能力可以进行比较。因此，日夫鲁瓦指定了一些类似物质的表，它们按照在同表首所列物质相化合时，彼此置换的能力排列。然而，在此之后不久人们便发现，一种物质对另一种物质的亲合性不是不变的。尤其是法国药学家、波美（AntonineBaume，17281804）在1773年表明，这些亲合性是变化的，视溶液中反应是在常温（"温法"）下还是这些物质一起加热到较高温度（"干温"）进行而定的。因此，需要对这2种"法"即反应条件下制定不同的表。在日夫鲁瓦以后，更应注目的是在1775年，瑞典化学家贝格曼(TorbenOlofBergman，17351784)的著作选择性引力研究（DisquistiodeArractionbusElectivis）中提出的"有择亲合性"概念。根据贝格曼的提法，化学反应知识根据反应物的性质，通过其所决定的有择亲合力的大小而发生的，而这个有择亲合力的大小应由置换反映来决定。他在1775年1783年间编制了这种亲合性表。贝格曼花了艰巨劳动研究了范围广泛的物质，编撰了2张亲合性表，每张表包括59种不同的物质，正式结果发表于贝格曼的物理化学简论（OpusculaPhysicaetChimica）中。可惜，贝格曼没有认识到且非常重要的是：要考虑一切参加化学过程的物理条件，而他倾向于把亲合性看做是不变的，很少受热以及外界条件的影响。他写到："在这篇论文学位论著中，我将致力于按照吸引的强度确定其次序；但是，每个吸引力的比较精确的量度（它可以表达为数字，并将表明整个这学说），则还知识迫切追求的东西。"他按照下述原则得出其结果："设A是一种物质，其他异质物质a、b、c等等都对它有吸引力；再设同c相化合而饱和（satuation）的A（我称这化合物为Ac），在添加了b之后，便倾向于同b化合而排除c，于是可以说A对b的吸引强于c，或者说，A对b有较强的有择吸引；最后，设Ab的化合在加入a时破裂，设b被拒斥，a被选来取代b，则将可因出结论：a在吸引本领上超过b，这样,我们便有按效验排列的系列a、b、c我在这里称做吸引的东西，其他人命名其为亲合性，我以后将不加区别地使用这2个术语，虽然后者比较带隐喻性，从哲学上看不怎么合适。"贝格曼将亲合力看作是吸引力，是物体化合的原因，也是物体发生化学变化的原因。但贝格曼的有择亲合力概念，对于整理当时化学反应有关的知识起到了很大的作用。1777年，即贝格曼提出有择亲合力概念的第二年，德国化学家、冶金家温策尔（KarlFriedrichWenzel，17401793）对金属溶于酸中的溶解速率进行了研究，并根据这些研究估计这是化学亲合力的作用；同时，他还发现了金属的溶解速度率除了酸的种类之外，还受到酸的用量的影响，即他在物质间亲合势的学说（LehrevonderVerwandschafrtderKorper）中提出，化学反应的变化率与酸的"有效质量"（浓度）成正比。这是对质量作用的早期认识。不管怎样，首先明确指出"质量效应"的还是法国著名化学家贝托雷（ClaudeLouisBerthoolet，17481822）。他在1798年随拿破伦远征埃及，发现当地盐湖沿岸有碳酸钠，便设想了这是湖水（主要成分是氯化钠）与岩石（主要成分是碳酸钙）作用的产物。由此猜测到，当产物过量时，化学变化会逆向进行。贝托雷用这种观点重新研究了化学变化。第二年他在开罗由一些远征者建立的开罗学院的学术会议上宣读了题为"亲合力定律的研究"（RecherchessurlesLoisdeLaffinit）一文，该文于1802年出版。文中提出：化学反应不但要看亲合力，而且更重要的是反应中各个物质及其产物的性质，尤其是发挥性及溶解度。这篇论文中的思想在他1803年出版的两卷本著作化学静力学（EssaideStatiqueChimique）中得到进一步推广。他认为增加浓度使反应继续进行；反应通常是不完全的，而是建立起平衡状态，在这种状态下，反应产物也有变回原来物质的趋势："亲合力并非是化合物中置换出某物质的独一无二的力量，但在化合和分解时，它有某种程度的决定性一个物质被另外两个物质以相反力量作用，就被它们划分开来，分配的比例不仅以来于亲合力的固有强度，而且还以来于现存的作用物体的量，所以，为了产生相等的饱和度，分量可以补充亲合力之不足。"贝托雷比较全面地认识到化学反应中的"质量效应"：首先，他发现化学反应可以达到平衡状态，在这种状态下，存在着产物变回反应物的趋势；其次，他看到不仅是反应物，而且产物的质量（浓度）也会对反应发生影响，产物量可使反应向相反方向进行；最后他指出了物质的发挥性和溶解度等影响物质浓度的性质对反应的影响。这就比较系统地提出了质量作用定律的思想。古德贝格和瓦格1862年1879年，挪威的克利斯蒂安娜（现在的奥斯陆）大学应用数学教授古德贝格（CatoMaximillianGuldberg,18361902）和化学教授瓦格（PeterWaage,18331900），在贝特罗和圣·吉尔工作的基础上，研究了碳酸钡与硫酸钾作用产生硫酸钡和硫酸钾的反应，他们根据实验结果首先以最一般的形式宣布质量作用定律。在1862年至1864年间，他们做了差不多300个实验，于1864年用挪威文发表了他们的研究结果。他们指出：对于一个化学过程，有2个相反方向的力同时在起作用，一个是帮助生成新物质，另一个帮助从新事物再生成原物质，当这2个力相等时，体系便处于平衡。在这里，他们阐述了两条规律性认识：（1）质量作用，也就是力的作用是与他们本身的质量乘积成正比；（2）如果相同质量的起作用的物质包含在不同的体积中，这些质量作用是与体积成反比。186年用法文以化学亲合力研究（Etudessurlesaffinitsechimiques）为题出版，该书主要是讨论他们自己的以及贝特罗的结果。他们用质量作用定律进行计算，与实验结果很为一致。他们指出，如在力学中一样，"我们必须研究这样的化学反映，其中产生新化合物的力被其他的力所平衡，反应是不完全的，而是部分的。"他们把"活性质量（activemass）"定义为单位体积内的分子数。当"2个物质A与B由于双取代变成2个新物质A+B，且在同样条件下A及B可把自己变为A及B，