几代人辩论的定律
纯净的化合物,必然各有其固定的组成,也就是定组成定律,又称为定
比定律。在初中化学里,虽然不提这一定律的名称,然而在讲化合价和分子
式时,学生却必须掌握有关的概念,并认识到纯净的化合物,之所以性质固
定,是由于它的组成固定,而且原子间排列的关系也是固定的。
就是这样一个现在看来似乎简单的定比定律,在科学史上却由 1781年争
论到 1860年才被确定下来。这一事实,充分说明科学家们的态度是十分严谨
的。
从 17世纪末起,西欧的一些药剂师和化学家们,在进行一系列的科学实
验中,就已对各种类型的化学反应进行了定量的研究,有些人已经从研究碳
酸钙,水及氧化汞的过程中,明确的发现了它们的组成是固定的。如 1755
年,英国化学家布拉克在他研究石灰石的论文中提到:石灰石经过煅烧后,
重量会减轻44%。1781年,英国化学家凯文第旭研究水的合成时,发现所消
耗氢氧气体的体积比总是 1 ∶2,由此而认识到水是化合物而不是一种元素,
曾提出科学的燃烧理论的法国化学家拉瓦锡,从1772年到 1777年用了五年
多的时间,做了大量的燃烧实验,进行了精确的定量分析研究。例如他在进
行氧化汞的合成与分解实验时,将45 份重的氧化汞加热分解,恰好得到41.5
份重和汞和 3.5份重的氧气。这也就是说,拉瓦锡的实验,不仅说明化合物
有其固定组成,并且用具体数据,证明了化学反应中的质量不灭定律。
明确的用文字描述定组成定律的是法国的一位药剂师普罗斯,他在1799
年明确地写道: “两种或两种以上元素相化合变成某一化合物时,其重量之
比例是天然一定的,人力不能增减。”这是早于化合价形成共识之前50 多年
提出的,这显然是普罗斯根据自己大量的实验数据为基础而建立起来的自
信。
但普罗斯的关于定比定律的理论,却遭到了当时法国化学界的权威贝托
雷的激烈反对。原来是在此之前,贝托雷正好发表了他的 《化学亲合力之定
律》,其中说道:“一物质可与有相互亲合力的另一物质以一切比例相化合。”
一个是以一定的比例,一个却以一切的比例,两者针锋相对而互不相容。那
么到底是谁正确呢?看一下他们两人的实验内容就明白了。贝托雷以溶液、
合金或玻璃类物质,可以形成多种组成的铅的氧化物和铜的碱式盐等物质为
例子,这些都是混合物或是不同的化合物。表面看来它们是以 “亲合力”而
形成,然而它们都不是真正的或单一的化学反应,当然 “化合”的比例,就
不会存在 “一定”的问题了。
既然贝托雷用的是错误的实验例证,为什么又能长时间的坚持自己的错
误观点呢?这还得再来看看普罗斯的说法和做法才能得到解答。
普罗斯确切的发现了贝托雷的实验对象并不是纯净物和单一化合物,于
是先后从 1802年到 1818年,写了许多文章,发表在法国 《物理杂志》上,
用来答复贝托雷的错误的批评。
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按贝托雷的说法,他认为化合物的组成会随着生成该物质的物理条件不
同而不同。普罗斯则指出,一种化合物无论是天然的还是人工合成的,无论
是产生在地球深处,还是产生在人们的实验室里,也无论是取自什么地方,
其组成都是相同的。普罗斯还指出,即使是铅和氧化合,铅跟氧的量之间,
也只有几个固定的比例 (即PbO、Pb O、PbO 和 Pb O ),而绝不会是任意的
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比例,显然它们是组成各不相同的铅的氧化物,而根本不能混为一谈。
普罗斯还用铜、锡、锑、钴等多种金属和硫化合,用在各种条件下所得
硫化物,其组成都相同的事实来证明自己的观点正确。然而在普罗斯的时代,
化学界还没有足够精确的定量分析的技术手段和方法。普罗斯的实验结果,
对同一物质的分析往往也存在很大的误差,这就使他心有余而力不足的遗憾
终身。 “定组成定律”就只能暂时作为假说,停留在当时人们的心中。
到了 19世纪的中叶,定量的化学分析,已得到完善,人们已能在实验时
得出相当精确的结果,但极小的偏差仍是难免存在。就因为这些,因此依然
有人认为 “这个定律(指定组成定律)或者也有些偏差,……”而仍然不愿
十分肯定的承认它。
后来,比利时的分析化学家斯达 (1813~1891)曾经用多种不同的方法
制取金属银,又用多种不同的方法把银制成氯化银,所有实验偏差都在千分
之三左右。在斯达 1860年发表了他许多精确的分析实验结果之后,这场围绕
着定比定律是否实在可信的辩论,前后经历了大约80 多年才算结束。
而一个叫 “倍比定律”的,却在1804年就被确认下来,在时间上比 “定
比定律”的确定要早50 多年。
倍比定律的内容是: “当相同的两元素可生成两种或两种以上的化合物
时,若其中一元素之重量恒定,则其余一元素在各化合物中之相对重量有简
单倍数之比。”
倍比定律是英国化学家道尔顿提出来的,当时道尔顿正在构思他的原子
论,首先提出了原子量这一概念,认为: “同一元素的原子,其形状、质量
及各种性质都是相同的”,他还认为: “不同元素的原子以简单数目的比例
相结合,因而形成化学中的化合现象”,等等。道尔顿根据其原子论的设想,
用推理的方法而得出了倍比定律,并还测定了碳的氧化物 (CO、CO )氢化物
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(CH 、C H )中碳氧之比和碳氢之比,确实在碳的量一定时,两种氧化物中
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氧的重量比是 1 ∶2,两种氢化物中氢的重量比为2 ∶1。
后来精于化学分析的瑞典化学家贝采利乌斯,分析了铅的两种氧化物和
铜的两种氧化物以及铁的氧化物和硫的氧化物,也都取得了精确的结果。而
斯达也做了碳酸气 (CO )和一氧化碳之间转变关系的实验,发现两种氧化物
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中碳的重量一定时,氧的重量比确为2 ∶1。这些事实都比确认定比定律要早
十多年。
从现在的原子、分子观点和化合价的概念来看,定比定律和倍比定律实
际都是定组成定律的内容在形式上的不同表现。因为历史的原因,它们的发
生和被确认的过程,却是那样的不同,这实在是一件令人回味的事。