第1篇　化学理论与实践的发展

第1篇　化学理论与实践的发展

E.J.霍姆亚德（E.J.HOLMYARD）

一般说来，大约从18世纪中叶起，化学工业就开始在工业化过程中起着日益重要的作用，直至本卷所讨论的这段时期结束，它已有希望成为我们今天所知的巨人。这种发展的方式具有双重作用。首先，对于诸如玻璃、肥皂、纯碱、染料和纺织品之类商品需求的不断增加，导致一种高度专业化的实验方法的出现，从而大大改进了无机酸类和常用碱这些基础原料的生产制造方法。关于化学工业在这方面的发展和影响，我们将在本章的第2篇论述。与此同时，另一方面的发展也在进行，因为与这种发展并行的是逐渐导致了经验方法的衰落，并最终到近代几乎完全被淘汰，但为了使整幅图景更平衡一些，也就有必要对此进行一番说明。

问题的关键在于，在我们讨论的那个时代，化学这一学科本身经历了一场彻底的变革。直到17世纪结束时，化学才摆脱了金丹术思想（第Ⅱ卷，第21章），尽管当时的化学家对于将贱金属转变为金子的可能性相当怀疑，但是他们却仍然存有金丹术理论和实践的基本习惯。因此，他们仍相信组成所有物质的元素数量为4种（火、气、水、土）或3种（盐、硫、汞），很少甚至毫不关注化学反应过程中出现的重量变化，还没有认识到不同气体的存在，而且还很不理解化学学科独立存在的概念。在这样的背景下，即使并不排除作出惊人经验发现的可能性，况且在那一时期这类发现确实比较丰富。但这种思想毕竟是一个限制因素，如果持续存在下去的话，会大大阻碍化学工业取得19世纪及以后所特有的那种惊人的发展。

在化学的前景方面，有益且后来硕果累累的变革并非一下子全面展开，但我们还是可以方便地追寻其源头至玻意耳（Robert Boyle，1627—1691）于1661年出版的《怀疑的化学家》（The Sceptical Chymist）。在这部经典著作中，玻意耳抨击了关于“元素”的陈旧观念，并根据他的见解指出，化学家对于存在的元素数量不可坚持先入为主的看法，而应当把元素视为所有无法再分解成两种或更多种物质的物质：

我所认为的元素，正如某些化学家用他们的原理最明确叙述的那样，是某些原始而简单的或完全没有相混过的物体，它们不是由任何其他物体或其自身相互组成的，而是那些可直接化合成所谓完全混匀的物体以及由这类物体最终分解出来的各种组成部分……我不可能将并非完全同类但可进一步分解成任何数量的不同物质的任何物体，看作是真正的原质或元素。

这一化学元素概念成为后来理论的一个基本点，但是出于某些显而易见的原因，这一观点并未迅速得到支持。一方面，这一观点在并未提供或指出研究的分析方法的情况下，用一种可能元素的多样性替代了以前那些表面上简单而又优雅的方案。另一方面，它对于同时代的化学家来说似乎并无多大用处，因而在当时很少引起议论或争论。尽管一时无人理睬，但是到了后来的一个世纪，当其他方面的发展为其应用提供了更为有利的条件时，它就开始生根发芽。这一理论的复兴应归功于拉瓦锡（Lavoisier，边码220），其后不久它就被普遍接受了。

这些新的发展之一是对气体的日益增加的兴趣。就金丹术士（alchemists）而言，气体只有一种，那就是空气，其他各种气态流体，都只是或多或少沾染了各种有毒的、有气味的、易燃的或有色的杂质的空气而已。虽然他们确实已经非常擅长收集气体，但是直到金丹术时代（alchemical age）结束，他们似乎才真正产生过这么做的念头。在“空气”化学或气体化学领域，开创性的几步是由佛兰芒医学化学家海尔蒙特（Johann Baptista Van Helmont，1577—1644）迈出的，他是第一个认识到在这些虚无缥缈的物质形态中存在一类新颖而重要物质的人，实际上，就是他创造了“气体”［gas，源自混沌（chaos）］一词来给它们命名（第Ⅱ卷，边码745）。海尔蒙特指出，燃烧煤炭所得到的gas silvestre（二氧化碳）也可用含糖溶液发酵获得，他还能够从那不勒斯甘蔗窖的空气中检测到这种成分。他把一种从动物肠道中和发酵的粪肥中得到的可燃性气体称为gas pingue（甲烷）。从他的著作中可以明显看出，他肯定已经获得过以非纯净状态存在的其他几种气体。

尽管海尔蒙特在化学领域为气体奠定了一席之地，但是他却未能成功地进行气体采集。玻意耳则更具有独创性才能。他拿一个长颈玻璃烧瓶，往里面装满稀硫酸，然后将6枚铁钉放入该烧瓶内，再将烧瓶倒置在一个盛满更多稀硫酸的器皿中，于是就不断有气泡（氢气）升到该装置的顶部，并将酸液排出，不久就充满了整个烧瓶。这就是在初级实验室中极其常见、其价值无法衡量的一种设备——集气槽——的雏形。一位巴斯的内科医生梅奥（John Mayow，1643—1678）进一步发展了对气体的处理方法，证明了能够将气体从一个容器转移到另一个容器内。方法是在第二个容器中盛满水，将其倒置在一个盛有水的水槽内，然后将装有气体的第一个容器的口部，从下面对准第二个容器的口部，“注意，两个玻璃容器的接口部位都不能升至水面以上”。在涉及测定气体容积的操作中，梅奥进一步强调了使装有气体的罐子内外的水平面保持一致的重要性，以便使气体处于大气压强之下。他是通过一个虹吸管来达到这一要求的（图119，左）。

第二项改进是由米德尔塞克斯特丁顿地区的一位教区教士黑尔斯（Stephen Hales，1677—1761）完成的。沃波尔（HoraceWalpole）称他为“一个穷苦善良的自学成才者”，但他仍不失为植物生理学的奠基人之一。黑尔斯在《植物的大气干扰》（Vegetable Staticks，1727年）一书中论述了他在植物学研究过程中所做的许多气体实验，并用图解的方法阐明了他为此目的设计的一些仪器。引自他的著作的图120，展示了在对植物材料进行破坏性蒸馏处理时用于采集气体的一种集气槽。最后的工作则是普里斯特利（Joseph Priestley，1733—1804）完成的，他偶然在集气槽的一些集气罐中装满了汞，却由此分离出了几种由于其水溶性而在过去一直被忽略或很少了解的气体，其中包括硫化氢、二氧化硫、氨以及一氧化二氮。

对于各种气体的化学性质的研究，是在测定其各种物理性质和物理—化学特性时一起进行的。玻意耳于1662年证明了在温度恒定的条件下，一定质量的气体的体积与它受到的压强成反比，而查理（J.A.C.Charles，1746—1823）——搭乘充满氢气的气球升空的第一人（边码255）——于1787年发现了与之互补的定律，即当压强恒定时，一定质量的气体的体积跟绝对温度成正比。数年以后（1808），盖吕萨克（Joseph-Louis Gay-Lussac，1778—1850）得以宣告，根据他的实验，在相同温度和压强条件下，反应的气体在体积上相互之间成简单的比例关系。如果产物是气体的话，反应气体与产物的体积也成简单的比例关系。此项观察结果对于化学理论的发展具有至关重要的意义。

当气体化学家们正由此开创出一个新的化学分支之际，在这门学科的其他领域也同样取得了根本性的进展。首先，化学家们逐渐开始心照不宣地接受了如下事实，即在任何一种化学反应中，各反应物的总重量正好等于其一种或多种产物的总重量——这就相当于假定物质是“守恒的”，或者说物质是不灭也不能创生的。这一基本假定的荣誉不可能归诸某一个人，但是首先有效地使用它的则是布莱克（Joseph Black，1728—1799）。1756年，布莱克发表了一篇题为《关于镁石、石灰石以及其他一些碱性物质的实验》（Experiments upon Magnesia Alba，Quicklime，and some other Alcaline Substances）的论文，其中作为仔细的定量研究的结果，他根据已经受过时间考验的方法，解释了石灰石、生石灰和二氧化碳之间的化学关系。他每一步都是依靠天平，并且在他的全部论据中对物质守恒的信仰都是非常明确的。布莱克的这篇论文，确实为以后规范的合乎逻辑的定量操作程序开创了先例。

正是气体化学与定量化学的结合推动了近代科学的诞生。1774年，普里斯特利（边码216）这位心灵手巧、业余爱好文艺的实验家，随手用一面取火镜[1]将太阳光聚焦到一种后来被称为汞矿灰（氧化汞）的物质上，他极其惊讶地发现竟然有汞生成，同时还释放出一种能强力助燃的气体。他之所以惊讶是因为他持有的是一种错误的燃烧及金属结构理论，当时的所有其他化学家都普遍认同这种理论。根据这个被称为燃素说（theory of phlogiston）的理论，可燃性物体之所以具有可燃烧的能力，是因为其内部存在一种易燃烧的要素——燃素。经过燃烧，其中的燃素消失，只留下一种灰烬——可燃性物体的另一种组成部分。一种物质越是容易燃烧，遗留的灰烬也就越少，物质中燃素成分的比例则越高。金属的灰烬就称为矿灰（calx）。即使是不能燃烧放出火焰的金属，也可以通过持续加热放出燃素，并形成矿灰。因而，在普里斯特利的心目中，热对于汞矿灰应当是不起任何作用的。究竟是什么怪念头引导着他去做这样一个非同寻常的实验，实在令人费解。尽管如此，其结果却极其辉煌，因为他由此发现了氧。尽管普里斯特利从来就不是一位逻辑思维非常清晰的思想家——“他的技巧强于头脑”（il se servit de ses mains，plus que de son cerveau）——他不可能对这种反应作出解释，但是这一发现却为解决曾引起法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）注意的那个问题提供了缺失的线索。

被这一燃烧现象所吸引的拉瓦锡观察到——正像以往实际上已多次观察到的那样——金属矿灰的重量竟然比生成该矿灰的金属本身更重。熟知这一事实的玻意耳将其归因于有热力（heat）通入其中，他认为热力是一种具体的物质，可以从火中透过器皿壁进入金属。拉瓦锡认为这种解释可以由实验证据或否证来验证：

如果（他说道）在密闭容器中煅烧的金属重量的增加是由于——如玻意耳设想的那样——火或火焰中的物质穿透玻璃上的空隙，并与金属相结合造成的，那么如果在玻璃容器内放入已知数量的金属，并将其密封起来，这样就能精确地测出其重量。如果再像玻意耳做的那样将其放在煤炭火上进行煅烧，最后如果在煅烧后对同一个容器再次进行称重，然后将其打开，就应当发现在燃烧时由于火中的物质进入而使其总重量有所增加……

如果相反……金属矿灰重量的增加，既非由于火中的物质与之结合，也非任何外来物质进入，而是由于容器中含有的一部分空气被固定，那么该容器在煅烧以后称取的重量，就不应比煅烧之前重，而只应当发现空气有部分缺失，至于容器重量的增加，只能发生在缺失的部分空气得以进入之时。

对于该问题很难再有比这更明晰的论述了，拉瓦锡又进一步对他自己的观点用实验进行检验。他取了一只称过重量的玻璃烧瓶，放入一定量的已称过重量的锡粒，将烧瓶口密封，然后加热数小时，直至没有进一步的煅烧反应出现。他将烧瓶冷却后称重，结果其重量并无变化。在开启瓶口时，可听到空气进入的声音。再次对烧瓶称重时，就发现其重量有所增加，这显然是进入烧瓶中的空气的重量。拉瓦锡发现，其增重在千分之六以内，进入烧瓶中的空气重量就等于锡在煅烧过程中增加的重量。这项结果表明，煅烧过程非但不是一种分解过程，相反却是一种金属与空气或者空气中的一种或几种组成气体相结合的过程。

拉瓦锡按照相同的思路做了进一步的实验，得出的结论如下：

第一，在一定量的空气中不可能煅烧无限量的锡。

第二，在较大的容器内可以煅烧的金属的量要大于较小的容器……

第三，如果容器密封，在对里面装入的锡金属煅烧之前和之后称重，其总重量并无差别。这显然表明，金属重量的增加既不是来自火中的物质，也不是来自容器以外的任何物质。

第四，在锡的每一次煅烧过程中，该金属重量的增加，相当精确地与其吸收的空气的重量相等，从而证明，锡在煅烧过程中所结合的那部分空气的比重大致等于周围空气的比重。

第五，与该金属相结合的那部分空气，略重于周围大气中的空气。相反，煅烧之后剩余的那部分空气则较轻。根据此项假设，大气中的空气就相对比重而言，应取这两类空气的平均值。

这些意义深远的观察和推论都表明，这时的化学（chemistry）已经距离金丹术（alchemy）多么遥远。在这里，物质守恒定律又一次成了不言自明的假设，天平就是无可争辩的仲裁者。空气不再是“四元素”之一，实际上它根本就不是一种元素，可以肯定至少是由两种气体组成的，一种在煅烧过程中比较活泼（因而参与了燃烧过程），另一种则不太活泼。

但是此时工作尚未完成，遗留的问题是如何将空气中的活泼部分与不活泼部分分离开来。这时由于偶然的机遇，拉瓦锡与普里斯特利有了一次会晤的机会，普里斯特利向这位法国人讲述了关于汞矿灰在受热时的离奇表现。拉瓦锡当即就意识到他的问题解决了。其中的关键在于：（a）当汞在空气中相当温和地加热时，它会被逐步煅烧，即与空气中的活泼成分相结合；（b）当汞矿灰被更猛烈加热时，就会分解成其各组成成分，即汞和活泼空气。拉瓦锡以此为基础进行了一次演示操作，其结果是如此重要，以至仅提一下“拉瓦锡实验”（图121）这样简单的标题人们就会一清二楚。其步骤包括，将与一定量的空气接触的汞适度加热，直至不再能观察到进一步的煅烧现象。在煅烧过程中，密闭空气的体积减小了1/5或1/6，而在剩余的空气中，任何物质都不能燃烧。拉瓦锡将矿灰仔细收集后，放入适合收集生成气体的另一个装置内更猛烈地加热。他发现这种气体比普通空气更有助于支持燃烧过程，并且其体积与原先的空气中减少的体积相等。当将这种气体与第一次操作时留下的不活泼气体相混合时，该混合物与普通空气毫无区别。

这样，拉瓦锡就以可能的最令人信服的方式证明了空气的混合物性质——先将其分离，再重新合在一起。进一步的实验使他及其后的所有化学家坚信，燃烧和煅烧作用是活泼空气与可燃性或可煅烧性物体相结合的过程，燃素说就此被推翻，近代的燃烧理论得以确立起来。对于这种活泼气体，显然需要有一个专门的名称，因为硫、磷和碳在湿润的气体中燃烧时的产物经证实都是酸，拉瓦锡就根据意为“产酸者”的希腊语单词，设计了“氧”（oxygen）这个词。

在此期间，卡文迪什（H.Cavendish，1731—1810）证实了当氧气与如今我们知道的氢气一起点火时（图122）会产生水，但他却对自己所得出的结果给出了错误的解释。拉瓦锡重复并扩展了卡文迪什的实验，既能将氢气与氧气放在一起通过燃烧合成水，还能使水蒸气通过炽热的铁块而从水中释放出氢气。这样他就确立了两种经典“元素”的合成物性质，尽管“火”——热或热量——仍使他迷惑不解，但是对于“土”的合成物性质他是深信不疑的。

随着这项革命性工作的进展，已知的化学物质目录和分析化学领域都得到了很大扩充。瑞典药剂师舍勒（C.W.Scheele，1742—1786）不仅略早于普里斯特利独立发现了氧，而且还首先分离出氯，并制备了诸如氢氟酸、乳酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、尿酸、甘油和乳糖等有价值的物质。他证明了石墨是碳的一种形式，还发明了制备乙醚、甘汞和磷的新方法。与他同时代的德国化学家克拉普罗特（M.H.Klaproth，1743—1817）精心设计了分析各种矿物质的可靠方法，发现了铀、钛和锆等元素。盖吕萨克（边码217）奠定了容量分析的基础，贝托莱（C.L.Berthollet，1748—1822）——他是接受拉瓦锡新的燃烧理论的首批化学家之一——则发现了次氯酸盐和亚氯酸盐。

以上列举的少数几个例子已足以说明，这类活动促使当时的化学家们深切感受到，是迫切需要全面修订化学命名法的时候了。旧的一套命名法根本毫无系统性，已变得支离破碎，并有很大的随意性，其中包含了诸如砷黄油（butter of arsenic）、铅糖（sugar of lead）、锌花（flowers of zinc）和硫肝（liver of sulphur）之类怪诞可笑的名称，还有其他一些名称，例如吐泻粉（powder of algaroth，氯化氧锑）、铁丹（colcothar，美国红）、埃塞俄普斯（aethiops，黑色矿物制剂）、阿兰布罗斯盐（sal alembroth，氯化铵汞）、奇异盐（sal mirabile，芒硝）等，对于它们所代表的物质如果不附上若干资料的话，要记住它们实在是太费劲了。另外还有几个金丹术名称，对于化学家是一种含义，对于外行人又是另一种含义。从这门学科的历史来说，这种混淆无疑是不可避免的。但是，随着化学知识的快速增长，建立一套有序而合理的命名法，显然就成为头等大事了。拉瓦锡对氧和水的研究，为这一系统提供了必不可少的基础，他与吉东·德·莫尔沃（Guyton de Morveau，1737—1816）、贝托莱和富克鲁瓦（A.F.de Fourcroy，1755—1809）一起，着手准备制定一套基于科学原则的命名法。由他们组成的委员会在1787年发表了一份报告，标题为“化学术语命名法”（Méthode de Nomenclature Chimique）。在其序言式的回忆录中，拉瓦锡指出每一门自然科学都有三方面的区别——构成该学科的系列事实、追述那些事实的指导思想以及表达这些事实的语汇。所用语汇必须能激发思想，而思想必须能阐明事实，三者是一种相辅相成的关系。完美的化学术语命名法应当能够确切表达相应的思想和事实，不能削弱，尤其是不能有一点夸张。

吉东·德·莫尔沃将这种完美命名法的意见变得更加实用，他指出：（a）化学名称不宜用词组表示；（b）不应当依靠赘语来表明其含义；（c）应当能使人想到化合物的构成成分；（d）不可采用“Glauber's salt”（芒硝）这类不能反映物质组成的表达方式；（e）对一种物质的成分缺乏了解时，暂用名不应非常具体；（f）新名称最好是根据拉丁文或希腊文来造词，以使其含义能得到较为广泛和容易的理解；（g）这类新词汇的形式应当与所使用的语言的全部特征融为一体。

只要举一个例子就足以表明这些原则是如何在拟议的这套详尽的系统中应用的，这套系统目前基本上还在采用。吉东·德·莫尔沃举例说，硫与氧结合会产生酸。为了保留这一原始的思想，并明确地表达其第一级组成，这种酸的名称应当是硫（sulphur）这一词汇的派生词。但是这种酸具有两种饱和状态，并且分别呈现不同的特性。为了避免混淆，对其每一种状态都必须给予一个名称，既要保留其词根，还要显示其差别。最后，还必须考虑到在其他直接化合作用，例如与碱和金属的化合中的硫。为满足这些要求，就提出了5种不同的词尾，均采用同一词根——sulphur（硫）：(https://www.daowen.com)

sulphuric acid（硫酸），表示硫被尽可能多的氧结合，因而被称为硫酸。

sulphurous acid（亚硫酸），表示硫与较少量的氧相结合。

sulphate（硫酸盐），是由硫酸形成的所有盐类的通用名称。

sulphite（亚硫酸盐），是由亚硫酸形成的所有盐类的通用名称。

sulphide（硫化物），表示所有不具备酸的性状的硫的化合物。

吉东·德·莫尔沃公正地评论道，“凡是第一次见到这一套命名法的人，都不会察觉不到它的各种优点。它既能表示不同的物质，同时还对其下了定义，使人想到其组成部分，并根据其组成部分对其进行分类，甚至在某种程度上能使人注意到导致其特性差异的比例关系。”

这一委员会的工作以一部词典的出版宣告圆满结束。这部词典收录了约700种物质的新旧名称，里面首次出现了碳酸钾、硝酸铜、硫酸锌和钼酸铵等类熟悉的名称。这套新系统的巨大进步意义就毋庸赘述了，但是除了使用方便之外，它还凸现了化学个性化的理念——完全不容于金丹术士——已经被如此普遍地当作公理接受了。随着燃烧的氧化理论的形成，以及对定量分析的前所未有的依赖，系统的术语命名方案已大大促进了化学革命的发展，从而为19世纪的那么多技术奠定了坚实的基础。

另外还有两三个重要因素——基本上，但不是全部——在其中发挥了关键性作用。我们将依次进行论述。第一个重要因素是道尔顿（John Dalton，1766—1844）关于物质构成的实用原子理论的确立，其中比较重要的一个词是“实用”（serviceable），因为原子理论与古希腊和古罗马的历史一样古老。许多世纪以来，这一理论一直在以零星的方式进行着更新，但成果都不大，直至牛顿（Isaac Newton，1642—1727）才利用了原子概念来解释某些物理特性。例如，牛顿在《自然哲学的数学原理》（Principia）一书中提到，“如果一种由若干相互排斥的粒子组成的流态气体的密度与压强成正比，各粒子之间的相互斥力就与其各自中心之间的距离成反比。反之，相互排斥的粒子间的斥力与各自中心之间的距离成反比时，这些粒子就可构成一种其密度与压强成正比的弹性流体”。这一论据可为玻意耳定律（边码216）提供一个理论性解释，而且是对原子思想的一种典型的新看法。希腊哲学家或者说其中的一部分人，曾经假定物质的组成具有不连续性，但却未能发现任何可以验证其假定的方法，而科学的进展已经提供了这样一些方法，道尔顿就在化学领域采用了这类方法。

此处无法详细论述在道尔顿的思想中逐步成形的化学原子理论，不过其要点还是有必要略述一下的。首先，道尔顿假定所有的物质都是由大量极其微小的粒子或原子组成的，而化学分析与合成仅仅是将各个粒子相互分离和重新结合。换句话说，原子是不可毁灭也不能创生的，由此就形成了物质守恒定律的理论基础。其次，每一种元素都有其独特的原子类别，每一种化合物也同样都有其独特的“复合原子”类别，即如今我们所说的分子。道尔顿又进一步指出，确定不同原子的相对重量是重要的，而且也是可能的。他所提出的如何实现这一设想的建议，则充分表明了他的聪明才智。定量化学如今已经完善地建立起来，而且正如道尔顿所说，“确定组成某种化合物的各种最简单元素的相对重量，理应被当成一个重要目标”。因而，如果知道了结合在一起的不同元素原子的相对数量，就能够很容易地根据定量分析的结果计算出这些原子的相对重量。问题的关键在于“如果”，而道尔顿的重大成就便是他发现了如何能够克服这种困难。实际上，他使用了奥卡姆剃刀——“凡非所需，勿增实体”——并且假定当元素结合成化合物时，化合物分子是由相应元素的小整数比的原子组成的，这里要强调的是小整数。

虽然这还仅仅是一种假设，却表明了进行实验研究的方法，如果所得出的结果经证明并不自洽，还总是会有调整的余地。我们可以举出几个例子来说明。在当时，水是唯一已知由氧和氢组成的化合物，因而道尔顿假定其分子分别由每种元素的一个原子所构成。但是重量分析却表明，水是由8份重量的氧元素与1份重量的氢元素结合而成的。由此可见，氧原子重量必定是氢原子重量的8倍。同样，道尔顿当时所知的唯一一种由氮元素与氢元素组成的化合物是氨，他还是假定其分子由每种元素的1个原子所构成。分析表明，在该气体内氢和氮的相对重量约为1∶5，因而氮原子的重量必定约为氢原子重量的5倍。最后，道尔顿已知碳元素有2种氧化物，分别是氧化碳（一氧化碳）和碳酸（二氧化碳）。他认为前者是由1个碳原子与1个氧原子构成的二元化合物，后者则是由1个碳原子与2个氧原子构成的三元化合物。因此，通过定量分析，用一种简单物质就可以确定氧原子和碳原子的相对重量。

通过这种方法，道尔顿就可以构建出一张元素的“原子重量”表，也就是以氢原子的重量为单位，求得其他原子的相对重量。依此类推，他还能够发现各种化合物的基本粒子或分子与氢原子相比较的相对重量。这项工作不仅由道尔顿本人，而且还在由瑞典化学家柏齐力乌斯（J.J.Berzelius，1779—1848）以更优的分析精度在进行着，其重大的研究成果是，尽管存在着各种差异，各种“原子”和“分子”的重量，还是表现出相当程度的相互依赖的一致性。这表明，道尔顿至少是走在正确的道路上。事实上，他还理所当然地碰上了好运气，在选择早期的研究对象时，选中的恰好都是一些分子组成十分简单的物质。但是，他对这些分子结构的猜测并非总是正确的，他所获得的“原子”重量的数值也只是现代化学家所知的相当量值。它们不能被看作确定值，直到确切了解了正确的分子结构，它们才能被看作确定值，然后可以按照需要乘以整数，以得到真实的原子量。道尔顿还不可能解决这方面的问题，这一问题是以后由阿伏伽德罗（A.Avogadro，1776—1856）和坎尼扎罗（S.Cannizzaro，1826—1910）顺利解决的。但是由道尔顿暂定的原子量，对于化学学科的系统化和实验进展的关联性方面，确实曾经起过无可估量的作用。这些方面那时都因此而不断得以快速进展。

道尔顿始终在以原子的观点思考问题，不久他就觉察到了用符号来标示原子的便利之处，于是，他着手设计了一套方案，用各种带有线、点、暗影或大写字母的小圆圈，来分别表示不同元素的原子。将这些元素符号适当地搭配起来，就可作为各种化合物分子的分子式。道尔顿设计的一部分符号和分子式如图123所示。这些符号与此前在化学研究中使用的标记之间有着重要区别。例如，老式标记♀是用于表示任何数量的铜，而道尔顿的符号©则代表铜的1个原子，因而具有老式标记♀完全不具备的明确的定量意义。各种化合物的分子式还可传递更多的信息。例如，根据采用这套符号的人的说法，二氧化碳的分子式○●○是表示二氧化碳分子中含有1个碳原子和2个氧原子。鉴于（按道尔顿的计算）氧原子的原子量是6.5，碳原子的原子量是5，该分子式就暗含着二氧化碳的组成是碳氧之比为5∶13。

道尔顿的符号和分子式，在当时只被深切了解其潜在价值的少数化学家所采纳，但对于整个化学界来说，这套系统还是过于繁杂了。所幸的是，大约在1814年或稍微早些时候，柏齐力乌斯提出了一套更为简便的符号，基本上一直沿用至今。在《论比例化学》（Théorie des proportions chimiques，1819年初版，1835年第二版）一书中，柏齐力乌斯指出，使用这套符号将非常有助于表达各种化学事实。为了推动其普遍使用，为每一种元素确定一个特定的代表其原子的相对重量的符号就足够了。于是，贝采利乌斯就把各元素名称（通常是拉丁文或拉丁化的词汇）的首字母选作适用的符号，而当两种或两种以上的元素名称的首字母相同时，就可在首字母配置以后，再从其名称中另选一个特征字母与首字母连在一起使用。例如，C表示一个碳原子，Cr表示一个铬原子，Co则表示一个钴原子。将各原子符号并列，必要时再加上数字下标，就可以表示分子式，例如CO（一氧化碳）和CO2（二氧化碳）等。

这套系统便于使用，容易记忆，表达的信息简明扼要，于是就在化学家中间非常迅速地流传开来。自柏齐力乌斯时代以来，这套系统已得到了修改和扩充，但是其将分子式作为经验总结的思想仍牢牢地保留了下来。只要查一下某种物质的分子式，化学家就能够收集到相当多的有关其组成、制备、特性以及反应等方面的信息，如果用文字描述，可能要占两三页的篇幅。因而，这种分子式确实是一种表达和传递化学知识的主要手段。

化学领域的所有这些惊人的巨变，都已挤在这相当短的年代里完成了——时长不超过人的一生——但是故事还没有讲完。1800年3月20日，就在道尔顿在其《化学哲学的新体系》（A New System of Chemical Philosophy）的第一部分概述原子理论之前8年，意大利物理学家伏打（Alessandro Volta，1745—1827）宣布了他的发明——“伏打电堆”或电池组。此项发明的消息引起了整个欧洲的强烈关注，1801年秋季，伏打应邀在法兰西研究院演示他的电池组。拿破仑（Napoleon）也亲自出席了这次演示，对于自己的所见所闻印象十分深刻，所以他不仅向伏打颁发了一大笔钱作为奖励，而且还悬赏6万法郎的奖金，以鼓励电学方面的研究。不久，电池组就成为化学实验室中必不可少的一种设备，短短几年就证明了它作为一种科研工具的卓越价值。

1800年5月，就在伏打最初宣布其发明仅仅几个星期后，尼科尔森（W.Nicholson）和卡莱尔（Anthony Carlisle）就演示了往水中通入电流，可以使水分解成氢和氧。接下来在当年9月，德国科学家里特（Ritter）实现了一种电解镀铜法，此后不久，柏齐力乌斯又指出，概括地说，一种盐的水溶液在电解作用下，可在阴极上产生金属或其氢氧化物，而在阳极上产生氧或一种酸。1806年，戴维（Humphry Davy，1778—1829）提出了化学吸引力与电吸引力本质上相同的假说，并相信对于那些到目前为止始终无法分解的物质，只要通入足够强大的电流，都有可能使之分解。这类物质就包括苛性钠和苛性钾。事实上，才能卓越的拉瓦锡就曾怀疑这两种物质是含有氧元素的金属化合物，但是这种猜测以前却从未被证实过。然而在1807年，戴维利用电池组（图124）对熔融的苛性钠和苛性钾通入强大的电流，非常满意地观察到这两种物质都分别被分解了。苛性钠被分解为氧、氢和现今被称为钠的一种软质白色金属，苛性钾则被分解成同样的两种气体和与上述性质类似的金属钾。

电池组在定性分析方面的重要作用不久就确立下来，到本卷讨论的这一时期结束，法拉第（Michael Faraday，1791—1867）已经阐明了电解现象定量方面的意义。1832—1833年，他证明了在电解过程中释放出的任何单一产物的质量，与通过电解液的电量成正比关系；而在电解过程中释放出来的若干不同产物的质量，在通入相同电量的情况下，与它们的化学当量成严格的比例关系。这一系列基础性发现，就成为在19世纪下半叶成长起来的电化学工业的萌芽（第Ⅴ卷，第11章）。

描述甚至罗列在1750—1850年间产生的不计其数的次要的发展和发现，并不属于本书的讨论范围。上面对这一时期化学史的简略概述意在表明，在工业革命兴起之际，化学本身同样经历了一场相当重大的变革。整个科学的前景也因此发生了质的飞跃。在这一时期的初期，金丹术还在苟延残喘，经验方法还占有不容置疑的支配地位，而当时存在的这种化学理论，即使不至于妨碍进步，也会毫无结果。随后就发生了变化，开始速度比较缓慢，后来越来越快，近代科学的基础很快就一个接一个地建立起来。化学个性化的思想导致了各种改进的提纯方法和分析方法的产生，物质守恒的理念导致了定量化学的建立，气体化学家们的工作则导致了空气和水的真实组成的发现以及一种更满意的燃烧理论的创立，对气体的物理学研究工作推动了原子理论的问世，而化学研究更推动这种理论被接受。同时，原子理论促进了对于化学反应更加完善的了解和一种使用方便的符号体系的问世，电池组的发明先是导致了范围更广的定性上的发现，继而又促进了定量分析和丰富的化学理论的发展。从一开始，这一蔚为壮观的发展就对化学工业——甚至由普里斯特利开创的矿泉水工业——产生了影响，并渐渐地推动了对一些陈旧方法的改进或提出崭新的方法。至今仍广为人知的工业家们的保守主义就此逐渐崩溃，转而对于化学家们提供的知识寄予了越来越多的信心。有许多化学产品制造商本身通晓化学知识，并且也越来越认识到学术研究对于工业发展的根本重要性。相反，工业生产活动的规模和门类的不断增长，通过将大量研究引导到具体方法上，对纯粹化学也产生了影响。但至关重要的一点是，化学工业以及从长远来看整个工业的成功，在很大程度上属于这里所勾勒的纯粹化学领域的基础进展的结果。如果不了解这一事实，也就无法正确理解自1750年以来的技术史。以下对化学工业进行的详细论述表明，在受到最直接影响的这一工业分支中，新的知识和哲学是如何大展身手的。

参考书目

Freund，I.‘The Study of Chemical Composition.’University Press，Cambridge.1904.

Holmyard，E.J.‘Makers of Chemistry.’Clarendon Press，Oxford.1931.

Lowry，T.M.‘Historical Introduction to Chemistry’（3rd ed.）.Macmillan，London.1936.

Masson，Sir James Irvine Orme.‘Three Centuries of Chemistry.’Benn，London.1925.

McKie，D.‘Antoine Lavoisier.’Constable，London.1952.

Meyer，E.S.C.von.‘A History of Chemistry’（trans.from the German by G.McGowan，3rd ed.）.Macmi-Ilan，London.1906.

Muir，M.M.P.‘A History of Chemical Theories and Laws.’Wiley，New York.1907.

Partington，J.R.‘A Short History of Chemistry.’Macmillan，London.1937.

Thorpe，Sir Thomas Edward.‘History of Chemistry’（2 vols）.Watts，London，1909-10.