人类发现认识甲烷的历程

人类发现认识甲烷的历程人类发现认识甲烷的历程 甲烷是最简单的烷烃 同时甲烷也是最简单的有机物 是含碳量最小含氢量最大的烃 是沼气 天然气 瓦斯 坑道气以及油田气的主要成分 在这篇小文章里 似说甲烷 但 实质上是通过人们对甲烷结构的认识来回溯一下人们认识微观世界分子中原子相互作用关 系的历史 甲烷的发现 公元前 1066 至公元前 771 年 我国西周年代写成的算卦占卜的书 周易 中 在谈到 一些自然界发生的现象时说 象曰 泽中有火 这里的 泽 就是沼泽 火井 是 我国古代人们给天然气井的形象命名 根据现已发现的文字记载 在我国辽阔的土地上 北起长城内外 南到云贵高原 西至玉门关外 东临黄海之滨和台湾省 古代都曾发现过 天然气 有的地方早在 2000 年前就钻凿了天然气井 18 世纪的欧洲科学家们发现了甲烷后 科学地研究了它 发明电池的意大利物理学家 伏打 A Volta 1745 1827 在 1776 年 11 月 14 日 21 日 26 日和 12 月 8 日写给他的友 人的信中 叙述了发现甲烷的经过 他在意大利北部科摩 Como 湖的淤泥中收集到一种 气体 是用木棒搅动淤泥 让冒出的气泡通入倒转过来并充满水的瓶中 他点燃了这一气 体火焰呈青蓝色 燃烧较慢 需要 10 12 倍体积的空气才会燃烧爆炸 不同于可燃性空气 氢气 的燃烧 提出原子论的英国化学家道尔顿也和伏打一样收集了沼气 并进行了研 究 1790 年英国医生奥斯汀发表燃烧甲烷和氢气的报告 他测定了甲烷比氢气重 而且氢 气燃烧生成水 甲烷燃烧生成水和二氧化碳 他确定甲烷是碳和氢的化合物 对甲烷的早期研究 对于甲烷这么一个最简单的有机物 人类为了认识它的分子结构并达到了今天的程度 花 去了百年以上的时间 更不知道有多少化学界的前辈 用了多少无眠的夜晚 一遍遍的思 索想象和探求着 1808 年 被恩格斯誉为近代化学之父的原子论创立者道尔顿用 表示甲烷的分子结构 这个表示方法表明 道尔顿认为甲烷分子是有两个氢原子和一个碳 原子构成的 这在今天看来显然是很不正确的 但是这么表示是利用了当时初建的原子分 子学说 这个表示式是化学科学中出现最早的一个结构式 它的提出开创了深入认识物质 本性的先例 随着人们的认识越来越深入 继道尔顿之后的指明瑞典学者齐利乌斯就把现在大部分仍在 使用着的元素符号引入有机化学 后来德国化学家凯库勒提出了碳原子是四价的概念和碳 原子本身可以互相连接的概念 俄国的布特列洛夫提出了分子中原子排列的状况 即化学 结构的概念和这种结构和性质之间关系的概念 这些概念的确立 为人们认识甲烷分子的 结构提供了理论依据 人们就在这些认识的基础上相继提出了 三种甲烷的结构式 但是这却是道尔顿提出甲烷图式半个世纪后的事情了 可见人类认识 微观世界分子的结构所耗费的时间是相当长的 人类本身的认知能力还是有相当一部分局 限性的 化学最需要的就是基于事实的想象 立体化学出现了 18 世纪 60 年代初期 虽然经过凯库勒 布特列洛夫等人的努力 化学结构的概念已经基 本确立 但是一直到 70 年代 作为表示物质分子结构符号的结构式 仍然在反映实际情况 上不断出现矛盾 而且相当混乱 这种写法随着有机化合物种类的增多 发现的物质越来越复杂 在更复杂的有机分子面前 这种表述方法显得越来越无力 这种结构式的写法 已经比较正确的表示了分子中原子之间的相互位置关系和连接方式 但是在异构体的表述上 写出的异构体数目总要少于实际已经发现的数目 而正是这种矛 盾的出现 使人类对化学的认识上升到了立体化学的层面 1874 年 范霍夫和列别尔分别从旋光异构体的数目出发 提出了碳原子具有四面体结构的 学说 他们假定分子内原子和原子团的位置只有一种是稳定的 而且不能互换位置 然后再 进一步引入对称性的要求 就导出了碳的四个价键不是伸向一个平面的结论 对于这一结 论 列别尔则是小心翼翼地只暗示了它具有四面体结构的可能 而范霍夫则大胆明确地提 出了四面体假说 即甲烷分子中 碳原子位于正四面体的中心 连接氢原子的四个键伸向四 面体的四个顶点 这样甲烷的分子结构又可以用 和 来表示了 范特霍夫提出的甲烷正四面体假说 以及根据这一假说所衍生出来的一系列重 要的推论 在自然科学的许多领域有着深远的影响 而且 对分子概念的正确认识和深化 是和 19 世纪这些概念的产生是分不开的 但是新的学说的出现总不是一帆风顺的 范特霍夫提出的学说遭到了强烈的批判 但是无 论怎么样 甲烷正四面体结构由近代 X 射线和电子衍射的进一步证明 因为 H C H 的键 角就为 109 28 我在高中刚学立体几何的时候也随便计算过正四面体中心和两顶点形 成的夹角就是 109 28 这也证明甲烷分子是一个正四面体的立体结构 化学键概念的诞生 上个世纪初期人类发现了原子核和电子 但是电子在化学反应中所起的作用 也就是对化 学键本性的认识 却是到了 20 年代末期以后了 先是路易斯八隅体学说 这时候甲烷的分子结构变为 但是对于化学键更深入的认识是将量子力学引入到化学研究中后的事情了 量子化学的诞生 被誉为数学王子的高斯说 科学规律只存在于数学之中 化学不在精密科学之列 听到这话的阿伏伽德罗不高兴了 数学虽然是自然科学之王 但如果没有其他学科 数学就会失去他的真正价值 此话惹得高斯这位数学权威竟发起怒来 对数学来说 化 学充其量只能起一个奴仆的作用 阿伏加德罗并没有被压服 他使用实验事实进一步来证 实自己的观点 他十分自豪地说 请看吧 只要化学愿意 它就能使 1 加 1 不等于 2 数学能做到这一点吗 虽然阿伏伽德罗这么反驳貌似占了上风 但是没有数学支撑的科学的确毫无严密性可 言 如果化学没有数学作为自己的支持从而建立起一套严密完整的体系 而只是那种以实 验为基础的经验式和总结式的科学 那么这个学科将毫无希望可言 20 世纪 20 年代末至 30 年代中是量子力学和化学结合的初期 而这一事件的发展历史就可 以看作是人类对化学键理论深入认识的历史 价健理论的主要创立者是美国量子化学家莱 纳斯 卡尔 鲍林 他一开始就力图将量子力学和化学结构问题紧密结合 鲍林在接受路 易斯化学键电子理论 吸收海森堡量子共振概念以及伦敦和海特勒对氢分子结构近似处理 的启发逐步建立起价健理论 提出了电子对键的六条规则 解决了碳原子四面体构型的问 题 建立了杂化轨道理论 鲍林所著的 化学键的本质 一书详细的记述了他的价健理论 人们已经知道甲烷分子是正四面体的构型 杂化轨道理论给了这个构型理论的解释 至此 人们算是知其然同时也知其所以然了 我在这句话中用了 算是 两个字 因为我认为这 并不是什么好的理论 这个理论完全就是为了解释而解释 包括鲍林的共振理论 简直就 是为了解释而解释 而人们也在自己想不明白的时候来用一下共振论为了解释而解释 虽 然杂化轨道理论运用了量子力学 鲍林也建立起了杂化键轨道波函数 但是这理论并不是 能解释所有的实验现象 而且有大量的假设 只不过是大部分情况下很好的符合实验结果 而已 当然包括量子力学在内 我们无法证明这种理论本身是正确的 只能通过实验去检 验其正确性 后来 缪立肯从分子整体性出发 重视分子中电子运动状况 以分子轨道的概念来克服加 减理论中强调电子配对所造成的电子波函数难于进行数学计算的缺点 建立了分子轨道理 论 分子轨道理论处理分子结构的结果与分子光谱数据吻合 因此在 20 世纪 50 年代逐渐 取代价健理论 但是随着计算科学的高速发展 又给了价健理论一个复兴的机会 虽然如今化学已经发展到了一个相当的高度 但是人们还是对一些更深入更根本的问题无 法理解 无论是价健理论还