倍比定律
普鲁斯特和贝索勒的争论,说明了这样的一个事实:两种元素能够以不同的比数化合,生成不同的化合物。然而,这也就产生了一个新的问题:这两种元素能不能以任意的比数,生成许多种化合物呢?在各种不同的化合物之间,是不是又存在着一定的关系呢?
答案是:两种元素只能生成有限的几种不同的化合物,并不能以任意的比数生成许多种化合物。而且,在各种不同的化合物之间,存在着一定的比数关系。
这一规律,是英国化学家约翰·道尔顿在1803年发现的。
当时,道尔顿埋头于气体成分的研究工作中,研究了许许多多气体相互化合所生成的化合物。在工作中,他发现两种元素可以生成两种或两种以上的不同的化合物。他仔细地把这些不同的化合物加以对比,找出了一条崭新的规律:元素化合的比数,常常可以约成简单的整数比。
以氮气和氧气为例。它俩互相化合,可以生成五种不同的氮氧化合物。如果以氮的质量为1作标准,可以得到下面的结果:
如果你拿出一张纸来,把0.571、1.142、1.713、2.284、2.855都用0.571除一下的话,可以看出,这5种化合物中氧的含量之比恰巧是1∶2∶3∶4∶5。
再以铅和氧的化合物为例。如果用1克铅,在空气中加热到500℃,那么,铅和氧会化合生成红色的四氧化三铅(俗名“红丹”,Pb3O4,1.1029克);如果把1克铅,在空气中加热到750℃,那么,铅会和氧化合生成黄色的一氧化铅(俗名“黄丹”,PbO,1.0772克)。
在这里,所用的铅都是1克。而这两种化合物中所含的氧的质量是0.1029克和0.0772克。
它们之间的比数是0.1029∶0.0772=4∶3(因为0.1029= 0.02573×4,0.0772=0.02573×3),恰好又成简单的整数比!
这样,道尔顿得出了一个规律,用现代的说法,那就是:如果甲、乙两种元素能够化合成几种化合物,那么,在这几种化合物中,跟一定量甲元素相化合的乙元素的几个量,一定互成简单的整数比。这个定律,便是著名的“倍比定律”。
道尔顿是在1803年发现倍比定律的,但是,当时他并没有把这一定律公开发表。1804年,道尔顿在同英国化学家托马斯·汤姆生的一次会晤中,谈起了自己的发现,汤姆生听了,非常高兴。1808年,汤姆生在自己的《化学系统》这本书的第三版中,把道尔顿的发现写了进去。这样,倍比定律才第一次公布于世。
道尔顿是一个慎重、严谨的科学家,他在当时不愿意马上公开发表自己的定律,也是有原因的—他感到自己有关的实验做得不多。特别是在当时,普鲁斯特做了许多实验,这些实验的结果并不符合倍比定律。
那时候,普鲁斯特曾分析了氧和铜的两种不同的化合物—氧化铜和氧化亚铜,得到这样的结果:
氧化亚铜(红色,Cu2O)中,铜∶氧=100∶16(质量比,下同);氧化铜(黑色,CuO)中,铜∶氧=100∶25。
这里,氧在两种化合物中的质量比是16∶25,不是简单的整数比,好像倍比定律对于铜和氧的化合物并不适用。
正因为这样,道尔顿不愿意在问题还没有彻底弄清楚之前,就冒冒失失、轻率地发表自己的论文。也正因为这样,道尔顿在遇见汤姆生时,便向他讲述了自己的发现,并谦虚地向他请教。
在1811—1812年,瑞典分析化学家,以分析数据精确著称的永斯·雅各布·贝采利乌斯,重新仔仔细细地重复做着普鲁斯特的工作—凡是普鲁斯特做过的实验他都一一重新做过。经过核对,他发现普鲁斯特对氧化铜的成分的测定是错误的。
贝采利乌斯重做了实验,得到这样结果:
红色氧化铜中,铜∶氧=100∶12.6(质量比,下同);
黑色氧化铜中,铜∶氧=100∶25.2。
这里,两种化合物中氧的质量比是12.6∶25.2,即1∶2,恰好成简单的整数比—完全符合倍比定律。普鲁斯特也正因为实验结果不准确,因此没能发现倍比定律。
倍比定律,虽然是道尔顿首先发现的,但是,也和汤姆生、贝采利乌斯的努力分不开。倍比定律,又是物质不灭定律的一个新的发展。
【注释】
[1] 引自《资本论》第二卷《序言》,人民出版社1975年版,第20页。
[2] 引自《资本论》第二卷《序言》,人民出版社1975年版,第2 0页。
[3] 引自《自然辩证法》,人民出版社1971年版,第9页。
[4] 实际上,卡文迪什发现的气体是氢气。
[5] 现在看来,其实这主要是在密闭容器中缺乏氧气的缘故,而不是木炭“不肯放出燃素”。
[6] 现代科学证明,罗维兹的实验实际上只是一种吸附现象,因为木炭是一种很好的吸附剂,具有很大的表面积,能够吸附色素,使溶液脱色。罗维兹从燃素学说得出结论而使实验成功,这只是个偶然的巧合。罗维兹发现木炭的吸附性能,这在科学上是重大的贡献。但是,他以这个实验企图证实燃素学说,却是错误的。
[7] 燃素这一概念,最早是斯塔尔的老师、德国科学家柏策提出的,斯塔尔加以引申和发展。燃素学说在化学上的影响是很深的,虽然拉瓦锡已于1777年前后,以充分的实验作为根据,驳倒了燃素理论。但是许多化学家还是不相信拉瓦锡的理论,仍坚持燃素理论。如上面提到的罗维兹,在1785年还企图用实验证实燃素的存在。因此在化学史上,称1 8世纪为“燃素时期”。
[8] 实际上是事先稍微加热一下,使瓶内空气膨胀,赶走一部分,然后再塞上塞子。如果不这样事先加热一下,那么,在塞上塞子后,再一加热,瓶内空气膨胀,会引起爆炸。
[9] 普利斯特利在1774年8月1日发现氧气,于1775年发表关于氧的论文。舍勒是1772年研究二氧化锰时发现氧气的,但他的论文《空气和燃烧》直到1777年才发表。
[10] 放了薄荷枝的瓶子里的蜡烛之所以能继续燃烧,是由于薄荷枝的叶子进行光合作用,吸收了二氧化碳,放出了氧气。
[11] 三仙丹,即水银的氧化物——氧化汞,是红色的粉末。不过,还有一种黄色的氧化汞,它的化学成分和红色的氧化汞完全一样,它一受热就会变成红色。它们颜色的不同,是由于晶粒大小的不同而造成的。
[12] 引自《资本论》第二卷《序言》,人民出版社1975年版,第2 0页。
[13] 引自《自然辩证法》,人民出版社1971年版,第212页。
[14] 现在精确实验所测得的空气组成,体积分数(不包括水汽和二氧化碳在内)如下:氮气7 8 .1 6 %,氧气2 0 .9 %,惰性气体0 .9 4 %。
[15] 引自《资本论》第二卷《序言》,人民出版社1975年版,第2 0—2 1页。
[16] 同上,第2 1页。
[17] 引自《自然辩证法》,人民出版社1971年版,第3 3页。
[18] 这一点,一般来说是正确的,但也有例外。例如,氢气能够在氯气中燃烧,生成氯化氢,这时并没有氧气参加化学反应。
[19] 即硝酸钾。
[20] 自然,这里不包括重水。