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本科生科研指南(57):气体定律之从波义耳到盖-吕萨克 精选

已有 3853 次阅读 2020-8-14 10:43 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(57):气体定律之从波义耳到盖-吕萨克

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

要想做好实验,就要敏于观察。

----波义耳(Robert Boyle,1627-1691)

 

历史上,围绕气体性质的研究,大量学者进行了很多细致的实验工作,最终形成了我们中学教科书上所熟知的理想气体状态方程。简而言之,在这个历史阶段,主要的学术贡献可以用五个实验定律来概括,分别是波义耳定律、盖-吕萨克定律(又称阿蒙顿定律)、查理定律、达尔顿分压定律、阿佛加德罗定律

上述五个定律分别从不同的侧面反映了气体的各个参数间的关系,为后续理想气体状态方程的顺利提出奠定了扎实的实验基础。从一个小小的理想气体状态方程出发,基于历史的视角回顾一下科学的历程,相信对本科生提升科学素质会有一定的帮助。本期,首先介绍三个重要的实验发现,分别是波义耳定律、盖-吕萨克定律、查理定律。

 

一、科学问题

 

在这个阶段,科学家较为关注气体的一个状态参数的变化对其他状态参数的影响,即以下科学问题:在气体的压力、体积、温度参数中,一个参数的变化对于其他参数有何影响?

为了方便进行研究,科学家一般将气体的一个参数固定从而研究气体其他的两个参数变化间的关系。

 

二、研究历程

 

按照时间顺序,与气体有关的三个重要实验发现将被简述如下。

1662年,波义耳(Robert Boyle,1627–1691)提出了“波义耳定律,即对于质量、温度恒定的气体,气体的压力与体积的乘积为常数。1639-1644年,波义耳曾游学欧洲,研读了很多伽利略的天文学著作和实验研究成果。这些经历使得他对于实验研究高度重视,并于1654年在牛津建立了一个设备较为齐全的实验室。除了研究气体以外,波义耳对化学的诸多领域也是贡献卓著,奠定了化学学科的基础。他创造性地把物质分为了酸、碱、盐三类,并且给每类物质都下了明确的定义。例如,他是第一位将植物的汁液用作酸碱指示剂的科学家,并发明了石蕊试纸、石蕊试液等等,一直沿用至今。1659年,波义耳和助手胡克(Robert Hooke,1635-1703)一起改进了空气泵的设计并将其用于空气性质的研究。这些设备的研发为波义耳研究气体的性质打下了坚实的基础。

 

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图一 波义耳(Robert Boyle,1627–1691)

 

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图二 波义耳设计的空气泵示意图

图片来源:维基百科

 

在17世纪末,阿蒙顿(Guillaume Amontons,1663-1705)提出了“阿蒙顿定律,即气体的压强与其温度有关。根据他的实验,当温度从较冷的水所对应的温度增加到水的沸点所对应的温度之时,气体的压强可以增加大概三分之一左右。该数值大体上与真实情况接近。但是,因为阿蒙顿缺少精确的实验测量仪器,其结果的精度显得较为粗糙。1802年,上述规律被盖-吕萨克重新地以更精确的方式提出,又被称为“盖-吕萨克定律,即对于质量、体积恒定的气体,气体的压力与温度成正比。

18世纪80年代,查理(Jacques Charles,1746-1823)提出了“查理定律,即对于质量、压力恒定的气体,气体的体积与温度成正比。1801年,道尔顿(John Dalton,1766-1844)也发现了类似的定律,他观察到随着温度在两个固定点之间的升高,所有气体的体积均有相同程度的膨胀。1802年,盖-吕萨克将该发现的首创权归功于查理尚未发表的相关工作,该定律的名称一直被沿用至今。

 

三、科学家精神

 

正如如下所说的话,波义耳高度地重视实验工作,他的这种思想可以说贯穿其一生中的各项科研工作之中。

如果人们关心真正的科学成就较之个人利益为重,如果把自己的精力都献给了做实验,收集并观察事实,那么他就很容易证明,他们在世界上建立了伟大的功勋。”

波义耳还提出了“元素”的基本定义,认为其是化学方法中不能再分的某些实物,并认为确定“元素”的唯一途径便是实验。依照此定义,波义耳采用实验确定了金、银、汞、硫磺等等物质是“元素”(即当代化学所称的单质)。

 

四、深远影响

 

波义耳对于化学学科的独立做出了很多贡献。1661年,波义耳在其出版的《怀疑的化学家》一书中做了如下的论述。

我们所学的化学,绝不是医学或药学的婢女,也不应甘当工艺和冶金的奴仆,化学本身作为自然科学中的一个独立部分,是探索宇宙奥秘的一个方面。化学,必须是为真理而追求真理的化学。”

 

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图三《怀疑的化学家》封面

 

这是多么铿锵有力的字句!正如波义耳的一生,秉持着依靠实验建立化学自己的定律的信念,为实现化学学科的独立和科学化贡献了他全部的才华。

此外,为了解决化学学科中定义混乱的局面,波义耳提出了化合物和混合物的概念,并详细地规定了当今仍在使用的化学反应、化合过程、分解和分析等等化学专用术语。

 

五、后世纪念

 

波义耳是历史悠久、国际知名的英国皇家学会的三个主发起人之一。为了纪念波义耳的贡献,英国化学学会设立了“波义耳分析化学奖”。

 

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图四 “波义耳分析化学奖”奖章

 

 




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2 王安良 黄永义

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