科学技术史（第2版） 第二篇 课件 第十二章 追究元素和物质变化

第十二章追究元素和物质变化目录从炼金术到冶金化学和制药化学波义耳和近代化学燃烧的本质原子分子学说元素周期律有机化学从炼金术到冶金化学和制药化学意大利人毕林古齐的《烟火术》一书于1540年出版，书中论述了用火制取各种物质的技术，其中包括硫黄、矾、砷、硼砂、盐的开采和提炼，火药的制造，金属的加工、冶炼和铸造等。意大利留过学的德国医生阿格里科拉在1546年出版《论矿物的性质》一书，1556年其遗著《金属学》出版。这两个人的著作是欧洲文艺复兴时期技术进步的记录。16世纪约阿希姆斯塔尔的采矿业瑞士医生帕拉塞尔苏斯认为炼金术的目的不是炼制黄金，而是配制药物。他用化学方法炼制药物，发现空气是一种混合的东西，并发现了乙醚和它的麻醉性，在治病时他还应用过毒药。帕拉塞尔苏斯的事业是化学从炼丹术、炼金术向医药化学过渡的开始。伽利略的同时代人、布鲁塞尔的医生荷尔蒙脱对气体化学兴趣浓厚，他通过化学实验发现了许多新的气体，被称为“气体发明家”。荷尔蒙脱做过著名的柳树实验：在一定重量的土中栽一棵柳树，浇水，5年后土壤没有变化，小树却长到164磅。瑞士医生帕拉塞尔苏斯波义耳和近代化学英国人波义耳认为，化学不应充当医药学的婢女或冶金学的奴仆，而应成为自然科学中的一个独立部分，成为探索宇宙奥秘的一个方面。他的工作为化学确立了独立的目标，使化学开始成为一门近代意义上的科学。1645年，波义耳在伦敦他姐姐家里遇到年长的笛卡尔时，就发生了关于理性和实验哪个更重要的争论。他主张化学应以实验为基础，摧毁一切旧的物质学说，包括古希腊的四元素说，也应摆脱当时帕拉塞尔苏斯和荷尔蒙脱所信奉的各种元素说与要素说，从炼金术、制药和冶金工艺中寻找一般的原理和真正的元素。英国人波义耳波义耳用近代理论思维的精神摆脱了化学的旧义成说，清扫了当时蒙在冶金化学和药物化学上的经验主义灰尘。他的成就汇集在1661年出版的《怀疑的化学家》一书中。波义耳关于元素的这种观念彻底否定了中世纪炼金术士的梦想，也是对当时无数化学实验结果的理论总结。波义耳还亲自动手，试图用若干实验来支持自己的理论，并做出了一些新发现。他在法国人马略特之前还发现了以他们的名字共同命名的波义耳马略特定律：当温度一定时，一定量气体的体积和压力的乘积是一个常量。实验室中的波义耳燃烧的本质早些时候，法国人雷伊已发现金属燃烧后重量增加，并认为这是与硝气粒子相结合的结果。波义耳在解释这一现象时也认为，金属燃烧时有一种火微粒进入。英国皇家学会会员的洛厄和梅奥已接近发现氧气，但当时却把这种空气称为硝气。德国人贝歇尔从千差万别的化合物中找出了所谓玻璃状土、油状土和流质土，认为它们是构成物质的三种基本成分。普鲁士国王的御医施塔尔（1660—1734）把贝歇尔的油状土改造为燃素，并用燃素来解释燃烧现象。化学实验室氧气的发现与气体化学研究的进展有关。英国人布莱克在加热碳酸镁、石灰石或用酸处理石灰石时，得到了所谓固定气体（实际上是CO2），麻雀和老鼠留在其中会死亡，蜡烛会熄灭。1766年，英国人卡文迪许用稀酸和锌、铁等反应制出了氢气，但他将氢气看成助燃的燃素。1772年，布莱克的学生达·卢瑟福从空气中去掉呼吸和燃烧时所消耗的气体，得到了“浊气”（实际是N2）。1772年，瑞典人社勒通过加热硝酸盐、金属氧化物、浓硫酸与黑锰矿的混合物后得到了助燃的“火气”。社勒证明，火气存在于空气中，燃烧时消耗掉的就是这种空气。瑞典人社勒拉瓦锡在1769年便开始研究化学，并用实验证明荷尔蒙脱关于“水变成土”的说法是站不住脚的。他在化学上的另一个发现是化学反应中的质量守恒定律。1777年，拉瓦锡给法国科学院提交了《燃烧概论》的文章，称这部分空气为氧气（成酸元素），这就把燃素从燃烧中驱除了，用真实的元素解释了燃烧的化学过程。他的《化学纲要》一书总结了自己的研究成果，还列出了有23种元素的表格。拉瓦锡后来因替政府承包收税而在法国大革命中被处死。当时被送上断头台的还有其他一些科学家，这一年法国科学院也被封闭了。拉瓦锡在做实验原子分子学说道尔顿提出了气体分压定律和提出了原子论。他认为物质由原子组成，并根据一些化学实验计算出一张最早的原子量表，其中以氢原子量为1，求得了其他原子的重量。道尔顿从物理学的角度深刻切入了近代化学的核心问题，他的原子论也为20世纪的原子核物理和原子核化学构建了一个基础性的概念平台。不过，道尔顿的原子论也不是一开始就十分完善。道尔顿法国人盖吕萨克研究了各种气体反应时的体积关系，发现参加反应的气体会以最简单的体积比相结合。他提出了一个假说：在同温同压条件下，相同体积的不同气体含有同样多的原子数。意大利人阿伏伽德罗在1811年提出的“分子”概念。阿伏伽德罗正确地指出：原子是参与化学反应的最小质点，分子则是在游离状态下单质或化合物能独立存在的基本单位。瑞典人柏采里乌斯的电化二元论认为，同一元素原子的电性是一致的，只能相互排斥，不能相互吸引而形成双原子分子。意大利人阿伏伽德罗元素周期律大量新元素的发现是发现元素周期律的前提。到1869年，化学家已认识了63种元素。当时寻找新元素的技术有：用王水分析矿石，电解法，分光镜和光谱分析法。在寻找新元素的过程中，人们也在寻找这些宇宙之砖之间的关系。显然，元素的原子量、它的化学性质等，都可以用来区别和比较。1814年，柏采里乌斯通过精确测量给出当时已知元素的第一个原子量表。1860年在卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议统一了原子量测定，各国化学家探索元素之间内在联系的步调趋于统一。雅科比·柏采里乌斯1863年，法国地质学家尚古多以原子量大小为序，把已知的62个元素排列在一个螺旋柱上，发现有相似性质的元素大致按16为周期，重复出现。1864年，英国人纽兰兹则把这62个元素按原子量大小顺序排列，发现在这个排列中任取8个元素，第8个元素的性质总是重复第1个元素的性质，好像音乐中的八度音阶。1864年，德国人迈耶尔从已知元素中取出一部分元素，列出了一个六元素表，并给某些未知元素留下了空位。尚古多把元素排列在一个螺旋柱上对元素的系统分类是俄国人门捷列夫（1834—1907）首先做出来的。1869年，他通过长期的教学和研究，排出了第一张元素周期表，两年后又完善和修改了这个周期表，并以《化学元素的周期性依赖关系》为题发布了第二张元素周期表。门捷列夫大胆地纠正了一些元素的原子量，把它们放在表中更合适的位置上（但他也弄错了几个），并在表中留下了空格，预言了6个未知元素和它们的性质。门捷列夫有机化学有机物是以碳氢为母体的化合物，它同人类生活的关系比无机物更密切。18世纪后半叶，欧洲的工业发展促进了化学实验，有机物的化学组成被慢慢揭开。到1828年，人们已了解到植物机体中含有C、H、O，而动物机体中还含有N。1828年，曾跟随柏采里乌斯学习的德国人维勒把无机物氰酸和氨溶液混合起来，得到了有机物尿素。此后，他又用其他无机物通过不同途径合成了尿素。随后，醋酸、葡萄酸、柠檬酸、苹果酸、油脂类、糖类等都被用无机物合成了。维勒1834年，法国化学家杜马在研究了卤素和有机物的反应后发现，某些有机物基中正电性的氢可被负电性的氯或氧取代，而原来有机物的基本性质不变。这个事实与柏采里乌斯的电化二元论是矛盾的。法国化学家热拉尔于1843年提出了“同系列”概念。英国人弗兰克林于1852年、德国人凯库勒于1857年，提出了“原子化合价”概念。俄国化学家布列特洛夫在1861年较系统地提出了有机化学的结构理论。从1864年起，马克思的朋友肖莱马又合理地解释了异构现象，有机结构理论基本上趋于定型。杜马小结

欧洲采矿业的发展使冶金工艺和采矿技术受到重视，出现新的相关著作。帕拉塞尔苏斯尝试通过化学实验配制新药物。荷尔蒙脱通过化学实验发现了许多新气体，还做过柳树实验。波义耳《怀疑的化学家》一书主张，化学应以实验为基础，旧的物质学说都应被摒弃。燃素说不能解释金属燃烧现象，社勒、普列斯特里和拉瓦锡等人发现了氧气，拉瓦锡还将燃烧解释为氧化还原反应。思考题1、中世纪炼金术士、16世纪冶金化学家和制药化学家、近代化学家波义耳之间有什么差别？2、为什么说波义耳的“元素”概念否定了炼金术士的梦想？3、燃素说怎样解释燃烧现象？4、燃素说为什么不能解释金属的燃烧？5、了解社勒和普列斯特里发现氧气、拉瓦锡揭开燃烧秘密的过程。6、拉瓦锡的工作对于化学发展有何意义？7、原子分子学说是怎样建立起来的？8、了解元素周期律的发现过程。9、什么是元素周期律？10、维勒人工合成尿素说明了什么？11、了解19世纪有机化学的进展。延伸阅读1、［英］罗伯特·波义耳：《怀疑的化学家》，袁江洋译，武汉出版社，1993。2、［法］安托万洛朗·拉瓦锡：《化学基础论》，任定成译，武汉出版社，1993。3、［