探踪原子量测定与原子量基准的变迁史

　　【摘 要】原子量的测定史就是一部化学科学的发展史。“没有可靠的原子量，就不可能有可靠的分子式，就不可能了解化学反应的意义，就不可能有门捷列夫的周期表；也就不可能有化学的未来。”本文以原子量基准建立的必要性为出发点，回顾了化学科学发展史中“原子量基准”建立这段重要史实，分析了各“基准”科学性和局限性，并总结其发展的规律，旨在通过重温前辈科学家们的非凡工作，以共鸣，以自勉。 　　【关键词】原子量测定；12C；基准；16O；化学 　　前言 　　众所周知，原子量的测定在整个化学科学发展的历史进程中，有着十分重要的地位。中国著名化学家中科院院士傅鹰先生所说：“没有可靠的原子量，就不可能有可靠的分子式，就不可能了解化学反应的意义，就不可能有门捷列夫的周期表。没有周期表，则现代化学的发展特别是无机化学的发展是不可想象的”[1]，在已建立了科学的原子量基准，并通过精密的原子量测定方法测得精确的各原子量量值的今天，我们回顾一下化学科学发展进程中这段重要史实，对于深入研究化学发展的内在规律，帮助我们正确理解和使用原子量，并获得启示，为现代及未来化学科学的发展找到途径或思想。 　　一、道尔顿与“H=1” 　　英国化学家道尔顿（J.Dalton，1766～1844）在1803年首先提出原子论，其核心：一种元素的原子具有一定的质量，不同元素的原子按一定的简单数目比组成化合物，每种元素以其原子的质量为其最基本的特征。从此，测定原子量的工作成为了化学科学的重点任务。 　　在原子量的测量初期，道尔顿选择最轻的氢原子作为相对原子质量的基准，确定氢的相对原子质量为1作为比较其他各元素相对原子质量的基准。要测定其他元素的原子量，必须知道化合物的重量、组成及分子式，如测得甲烷中含碳75%，含氢25%，又知甲烷的分子式为CH4，才能求出碳的原子量。设碳的原子量为A，则 ，故A=12。化合物的重量及组成在当时可以测定，但分子式还无法确定。道尔顿假定化合物的原子数目比。例如，水的组成为HO，根据拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743～1794）分析测定水的组成成分的质量结果：氢占15%，氧占85%，按此进行计算：15/85=1/x，得x=5.5，即得氧的相对原子质量为5.5。在今天看来，数据相差较大，但这种方法极富开拓性和科学性，正是道氏思想，才使得化学科学向系统化、理性化迈进了一大步。在原子质量的测定中道尔顿有着开山之功，被称为原子质量测定的第一人。 　　二、贝采里乌斯与“O=100” 　　道尔顿的开创性工作，在当时的欧洲引起了极大的关注和反应，随后，众多科学家纷纷投入测定原子量的行列中，这项工作也成为19世纪上半叶化学发展的一个重要任务。 　　其中，影响较大的是瑞典化学大师贝采里乌斯（J.J.Berzelius，1779～1848），他用了近二十年时间，在极其简陋的实验室里对2000多种单质和化合物进行了精确的分析，为原子量测定提供了丰富的实验依据。他在12年时间（1814～1826年）连续发表了三张原子量表，所列元素多达49种[5][6]。其中大部分原子量已接近现代量值。 　　贝氏认为“原子量的测定工作是那时候化学研究最重要的任务”[4]。他测定原子量的方法与道尔顿相似，但他善于取长补短、不断总结他人的经验教训。当时他就采用了法国化学家盖吕萨克发现的气体化合体积定律，即：“各种气体彼此起化学反应时，常以简单的体积比相化合。”并作为确定化合物AmBn中m和n的依据。如2体积氢与1体积氧化合生成2体积水蒸气，于是正确地测定了水的组成为H2O，这是原子量测定工作的重大突破。贝氏还认为氢不与许多元素直接化合，而氧是能够与绝大多数元素直接化合的，正是如此，他最后决定采用氧的原子量等于100作为原子量的基准。 　　三、康尼查罗的原子—分子学说 　　尽管法国化学家杜马（J.B.A.Dumas，1800～1884）发明了简便的蒸气密度测定法（同温同压下同体积的不同气体含有相同数目的分子，单质气体的密度之比，等于分子量之比），并曾试图利用这一方法，通过测定分子量计算原子量。但把分子原子混为一谈是这个时代的困惑。使原子量测定工作走出困境的是意大利科学家康尼查罗（Stanislao Cannizzaro.1826～1910）。他认为要澄清这种混乱，非采用分子假说不可。1860年他在德国卡尔斯鲁厄国际化学家代表大会上论证了原子—分子学说。在根据蒸气密度法测定分子量的基础上，提出一个合理的测定原子量的方案：“因为一个分子中所含各种原子的数目必然都是整数，因此，在重量等于分子量值的某物质中，某元素的重量一定是其原子量的整数倍。如果我们考查一系列含某一元素的化合物，其中必有一种或几种化合物中只含有一个原子的这种元素，那么，在一系列该元素的重量值中，那个最小值，即为该元素的大约原子量。” 　　例如测定氮的原子量时可分三步： 　　1.先将许多可蒸发的氮的化合物用蒸气密度法测定其分于量； 　　2.测定一系列含氮化合物中氮的百分含量； 　　3.求出一分子中各种含氮化合物氮的含量，其中最小值即为氮的原子量。如： 　　含氮化合物 分子量值 氮的百分含量 1分子中氮的重量 　　氨 17.05 82.28% 14.03 　　二氧化氮 45.66 30.49% 13.90 　　氧化二氮 44.13 65.70% 28.11 　　氧化氮 30 46.74% 14.02 　　以上数据中最小值约为14，就是氮的原子量。用这种方法测定原子量即使化合物的分子式不知道，也可求出可靠的原子量。 　　康尼查罗的上述工作，澄清了当时一些错误观点，统一了分歧意见，为原子—分子论的发展和确定扫除了障碍，从而大大地推进了原子量的测定工作。 　　四、斯达、理查兹与 “O=16” 　　在通向精确的“真实”原子量的道路上还布满荆棘，困难重重。比利时化学家斯达（J.S.Stas，1813～1891）是最早进行原子量精确测定的人。他在1860年提出采用O=16为原子量基准，便于准确测定其他元素的原子量，这一基准在化学上一直用了100年。继斯达之后，美国化学家理查兹（T.w.Richards，1868～1928）的工作更为出色。自1904年起，他和他的学生通过大量的分析工作修正了斯达的原子量值。 　　五、现代原子量基准12C 　　每次新的原子量基准的提出，都是化学科学的一次进步，随着时代的发展和科技的进步，旧的原子量基准就总会出现问题，不能符合实际要求，为了更严密的反映物质“实在”，必须对“基准”进行变革或重新建立。同时，为了化学和物理这两个学科更科学更切实的描述客观物质世界，人们必须建立一套统一的原子量基准。为此科学家们提出了许多建议。曾先后提出以4He= 4和以19F=19为基准，但都因各自的不足而被否定[2]。 　　1957年，美国质谱学家尼尔（A.O.Neer和化学家厄兰得（A.OLander）提出以12 C=12为基准的方案。由于l2 C基准有利于采用质谱法则定核素的原子量，1959年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）在德国慕尼黑会上决定改用工12C=12（即12C=1）作为原子量基准，1961年8月国际纯粹与应用物理联合会也正式采用12C=12作为原子量的基准[9]。 　　原子的绝对质量很小，如果用千克来表示，很不方便。于是采用12C一个原子质量的1/12作标准，其他原子的质量跟它比较所得的值，就是这种原子的相对原子质量。 　　12C一个原子绝对质量×1/12=1.993×10-26 kg×1/12=1.66×10-27 kg 　　因此，某元素一个原子的绝对 　　质量与相对原子质量的关系是： 　　相对原子质量是一个比，它的SI单位是一，符号是1。 　　到目前为止，用质谱法测定原子量是最精确的，现在国际原子量委员会每两年公布一次修订的原子量，而且越来越多地采用质谱法测定的结果。 　　参考文献： 　　[1]张家治主编，化学史教程，[M].山西教育出版社，1987：263 . 　　[2]赵匡华编著，化学通史，北京：[M].高等教育出版社，1990：102，122，124 . 　　[3][英]约翰.道尔顿著，化学哲学新体系.李家玉，盛根玉，潘道皑译，[M].武汉出版社，1992：129～130，312，513～514 . 　　[4]凌永乐编著。世界化学史简编，[M].辽宁教育出版社，1989： 137～148 . 　　[5][英]J.R柏延顿著。化学简史，[M].胡作玄译，商务印书馆，1979：219 . 　　[6]袁翰青，应礼义合骗。化学重要史实，[M].人民教育出版社，1989：119～121，524～528. 　　[7]化学发展简史编写组编著%学发展简史，[M].科学出版社，1980：113 . 　　[8]原子量测定及原子量基准的变革，[J].中学化学教学参考，1997：10. 　　[9]不能用“相对原子质量”替代“原子量”，[J].中国科技术语，2008：01 　　作者简介： 　　冉克宁（1984-），男，重庆酉阳人，深圳市海湾中学科学教师，硕士，研究方向：分子马达、科学教育、科普学。