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本科生科研指南(59):气体定律之从道尔顿到阿佛加德罗 精选

已有 2622 次阅读 2020-8-28 08:00 |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(59):气体定律之从道尔顿到阿佛加德罗

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

一些人能获得更多的成就,是由于他们对问题比起一般人能够更加专注和坚持,而不是由于他的天赋比别人高多少

                   ----道尔顿(John Dalton,1766-1844)

 

物质的本质一直是人们比较好奇的话题。这些认识对于人们理解很多的化学反应过程非常重要。在道尔顿之前,尽管不少科学家对元素和原子的概念均有所提及,但多为经验定律,尚缺少深层次的理论基础。后续,道尔顿提出了较为完整的原子学说,将人类对于物质的认识提升到了一个新的高度。而阿佛加德罗定律的提出为化学的进一步发展铺平了道路。结合已有的五个实验定律,克拉伯龙提出了今天我们所熟知的理想气体状态方程,历经172的气体研究完美收官。

 

一、科学问题

 

简而言之,气体定律的研究需要回答以下科学问题:不同气体所含的粒子数(一般用摩尔表示)和体积间需要满足怎样的规律?混合气体中的压力又是如何确定的?根据已知的气体定律又能得到怎么样的深刻规律?

 

二、研究历程

 

1801年,道尔顿提出了“气体分压定律,即在质量、温度不变的情况下,气体混合物的压力等于各个气体分压之和。气体的分压指的是当该气体组分单独占有整个混合物体积时所具有的压力。为了解释“气体分压定律”,道尔顿在1808年出版的专著《化学哲学的新体系》中系统地阐明了他提出的定量化的化学原子论学说,准确认识了原子的若干重要性质以及化学反应的本质,一直被沿用至今。

1811年,阿佛加德罗提出了“阿佛加德罗定律,即对于温度、压力恒定的气体,一个摩尔的任何气体的体积均相同。阿佛加德罗提出该定律的历史背景是为了解释盖-吕萨克发现的气体化合前后的体积变化规律。

正如今天我们所熟知的,盖-吕萨克实验中发现2个体积的氢气与1个体积的氧气化合后便可以得到2个体积的水蒸气。因为当时并没有分子的概念,盖-吕萨克认为相同体积的不同气体的原子数目均相同,但道尔顿坚决反对此观点。根据盖-吕萨克实验结果,阿佛加德罗提出了分子概念,并指出在盖-吕萨克的实验中,相同体积的气体的分子数相同而非原子数。这样整个学说就很完备了。

遗憾的是,阿佛加德罗的观点并没有得到业内的重视,一直到大约五十年后才引起广泛注意。1860年9月,在德国卡尔斯鲁厄举行的国际化学会议上,与会的科学家为了解决原子量定义及测定标准不一的问题进行了激烈的讨论,但分歧很大。会议末期,直到阿佛加德罗定律被重新提及和重视之后,化学学科中重要的关于分子化学式和原子量的问题才得以形成定论,并在后续逐步地完成了测量工作。由此可见,阿佛加德罗定律在化学学科中的重要性。

 

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图一 阿佛加德罗(Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro,1776-1856)

 

三、科学家精神

 

道尔顿出身于纺织工人家庭,家境贫穷,只上了两年学。为了生计,道尔顿12岁起便在教会学校打工糊口。在这期间,道尔顿对科学研究产生了浓厚的兴趣,并一生勤奋努力、百折不挠。他很早便开始关注气象学的研究,并养成了每天记录气象日记的习惯和爱好。即使道尔顿成为了知名的化学家之后,他依然保持着记录气象日记的爱好。这个爱好持续了一生,据说他总共留下了20多万条气象记录。

正如前苏联科学家柳比歇夫坚持了长达56的科学研究的时间管理日记一样,杰出的科学家大多都具有超人的毅力和持之以恒的精神。对于本科生科研而言,这些习惯的建立和维护值得在接触科研的早期便能够给予足够的关注。

 

四、深远影响

 

这五个实验气体定律从不同的侧面揭示了气体所应具有的性质。1834年,克拉伯龙(Benoît Paul émile Clapeyron,1799-1864)综合了上述五个实验定律,得到了中学课本中所常见的理想气体状态方程(Ideal gas law),即气体的压强与体积的乘积等于气体的摩尔数乘以理想气体常数再乘以开氏温度。

 

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图二 克拉伯龙(Benoît Paul émile Clapeyron,,1799-1864)

 

从1662年的波义耳定律到1834年克拉伯龙提出的理想气体状态方程,历经172,人类关于气体的认识得以相对地完备和统一,为后续从分子尺度进行进一步的深入研究打下了坚实基础。虽然只是物理或者化学课本中的一个简单的公式,但理想气体状态方程本身却蕴含着近200年左右大量科学家孜孜不倦的探索和努力。在此过程中,围绕气体定律所开展的思考和实验工作也极大地促进了化学学科的全面发展,包括道尔顿原子论的提出,阿佛加德罗的分子概念等等。

 

五、后世纪念

 

为了纪念阿伏伽德罗的科学贡献,重要常数之一的“阿伏伽德罗常数”(英语:Avogadro number)便以其名字命名,它表示了每摩尔物质中所含的粒子数。在化学学科中,“阿伏伽德罗常数”是联系粒子的摩尔质量和其真实质量的重要纽带,其数值为6.02214076×1023每摩尔。

 

 




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