原子、分子的几何模型的发展历史

不管是在日常生活中，还是在生产活动和科学实践过程中，人们接触、感受 和认识最深的是有形物质。在这过程中，人们逐渐认识到物质的各种性质，如物 质可以不断地被机械分割而不改变性质；物质总是处于气、液、固三种状态之 一，并在一定温度和压力下可以在三态之间相互转化；物质均有质量并占有一定 的空间，固体和液体物质还有固定的密度，有的物质还有铁磁性；物质之间还可 以发生化学反应等。那么，物质究竟是什么？不同物质为什么表现出不同的性 质？不同性质的物质之间有何联系？物质是否无限可分？如果物质不能无限可 分，能够保持物质性质的最小单元是什么？如果沿着物质不能无限可分这一思辨 追问下去，必定得出任何物质均由原子、分子组成的概念。

事实上，古典时代的思想家已经提出了原子的概念。例如，我国古代思想家 墨子提出物质不能无限可分的观点，并假设组成物质的最小单元是一种称为 “端”的微粒。与墨子处在同一时代的古希腊哲学家Democritus,也持物质不能 无限可分的观点，认为构成物质的最小单元是原子。稍后的惠施也提出了类似的 观点，认为物质是由被称为"小一"的微粒组成。古罗马诗人Lucretius还提出 了气味的分子模型：人们的味觉器官上分布着许多不同形状的小孔，一种形状的 小孔可以感知一种气味，不同形状的小孔可以感知不同的气味；同时，气味由气 味粒子组成，相同气味的粒子形状相同，不同气味的粒子形状不同；当气味粒子 刚好与某种味觉小孔匹配时，就感知了相应的气味。

近代化学建立后，化学家对物质的性质有了更加深入的认识，为今天的科学 原子论和分子论的建立奠定了坚实的基础。在科学原子论、分子论的建立过程 中，最重要的科学家包括以下几位。

1. John Dalton (1766〜1844)

1800年前后，英国化学家Dalton开始从证实科学的角度思考原子的概念， 提出原子是具有固定体积和质量的球体，同种原子具有完全相同的体积和质量， 不同原子具有不同的体积和质量。这个假设无疑是正确的，抓住了原子的两个最 本质的属性。他在1803年皇家学会的讲座中提出了如下基本思想：

(1) All matter is composed of atoms (这个假论已经存在了 2000 多年)。

(2) Atoms are indestructible and unchangeable (这个假设建立在质量守恒 定律之上)。

(3) Elements are characterized by the mass of their atoms (现代物理学中该 假设被修正为 w Elements are characterized by the nuclear charge of their atoms") „

(4) When elements react, their atoms combine in simple, whole-number ratios (这与化学定比定律一致)。

(5) When elements react, their atoms sometimes combine in more than one simple whole-number ratio (这条假设说明水和双氧水等由相同元素组成不同分 子的现象)。

Dalton的原子假设可以说明许多实验现象，特别是化学定比定律。但 是，他错误地假设两种元素间最简单的分子必须是按1 : 1配比的双原子分 子，这引起了许多错误的推论。按照这样的假设，水的分子式应为H()而不 是H2O,氨的分子式应为NH而不是NH3,由此得到氧和氮的相对原子质 量分别为8和5,而不是16和14,无法解释许多实验数据。Dalton模型的 另一个缺陷是给出的相对原子质量的数值不够精确。例如，他给出的氧元素 相对原子质量为7,而不是更精确的8。尽管Dalton的原子模型存在缺陷， 但该模型无疑是在正确的方向迈出重要的第一步。所以，Dalton被公认为科 学原子论的创始人。

2. Amedeo Avogadro (1776〜1856)

Avogadro是著名的意大利科学家，从中学时代起就已经熟知的Avogadro 常量就是以他的名字命名，以表彰他在化学、物理学中的杰出贡献。

Avogadro在研究气体时提出了著名的Avogadro定律：在相同温度和压力 下，相同体积的不同气体的质量与该种气体的相对分子质量成正比。根据 Avogadro定律，可以通过测定一定体积的气体质量，确定该种气体的相对分子 质量。

Avogadro的最大贡献是明确地提出气体由分子构成，而分子又由原子构成 的观念，是正确区分原子与分子的基础。Avogadro当时虽然并未像今天那样使 用原子和分子这两个词，但他认为存在三种不同类型的分子，其中的基本分子 (elementary molecule)就是今天所说的原子(atom)„

虽然Avogadro的假设在今天看来完全正确，但在当时并没有引起科学界的 广泛注意和立即接受。即使科学原子论的创立者Dalton也不认为Avogadro有关 原子和分子的假设是正确的。直到后来，Charles F. Gerhardt和Auguste Laurent在有机化学领域的研究才证明Avogadro关于相同体积的气体中包含相 同数量的气体分子这一假设的正确性。不幸的是，无机化学领域的研究似乎表明 Avogadro定律不适用于无机化学。直到I860年前后，Stanislo Cannizzaro才发 现由于有的气体分子在一定温度下的分解才造成了与Avogadro定律的偏离，证 明Avogadro定律也适用于无机化学。但是，这已经是Avogadro去世四年以后 的事了。

3. Josef Loschmidt (1821 〜1895)

1861年，奥地利科学家Loschmidt在维也纳的一所中学教书时，设想了 300 多种分子的结构模型。Loschmidt的分子结构模型建立在几何推理之上，虽然可 以解释这些物质的许多化学性质，但不被当时的著名化学家认可。例如August Kekule认为，由于原则上无法推测分子的实际形状，Loschmidt的分子结构模型 只是一种想象，不是科学假设。但是，后来的科学发展证明Loschmidt的分子结 构模型是正确的，是现代分子模型的先驱。

由于没有得到化学界的认可，失望的Loschmidt后来转向物理学研究。例 如，他根据气体动理学理论推算出N?分子的直径约为10A,与现代公认的实验 值处于同一数量级。他还计算了每立方毫米空气中的分子数，该数值被Boltz mann 称为 Loschmidt常量。今天，虽然不再使用Loschmidt常量，但却将

22. 4dm3气体中所包含的分子数称为Avogadro常量。

4. Jacobus Hendricus van't Hoff(1852〜1911)

Loschmidt将分子模型画在纸上，代表实际分子在平面上的投影。1874年， van't Hoff利用纸张制作了许多分子的三维模型，并把这些分子模型寄送给当时 的几位著名化学家，得到了他们中的大多数人的认可。在van，t Hoff制作的分子 模型中，碳原子的4个化学键被安排成正四面体构型，被现代科学实验和量子化 学理论计算所证实。van't Hoff的分子模型可以解释许多有机分子的化学性质， 已经被广泛应用于现代化学教学和研究，成为现代化学不可缺少的一部分。

此外，van't Hoff还在有机化学的许多领域作出重要贡献，因此获得1905年 的首届诺贝尔化学奖。