阿伏加德罗与分子假说

　　分子是构成物质的一种微粒，这在现在是众所周知，不过，这一理论的提出、并被人们接受，经历了漫长而曲折的过程。
　　
　　19世纪初期，英国化学家约翰·道尔顿在他的皇皇巨著《化学哲学的新体系》中，阐述了他的原子论，其中的要点主要有三方面：①元素都是由非常微小的、不能再分的微粒组成，这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中都不能再分。②同种元素的所有原子，其质量和性质是相同的；不同元素的原子，其质量和性质都不相同。原子的质量是元素的基本特征之一。③不同的元素化合时，这些元素的原子按简单整数比结合成化合物。化合物的原子是复杂原子，其质量等于组成它的各原子的质量之和。
　　
　　尽管无法亲眼看到原子，很多信奉眼见为实的科学家还将信将疑，但原子论的确能完美地解释当时的许多科学事实——比方说质量守恒定律、倍比定律等——所以很快就被主流的科学所接受。只是，道尔顿的原子论刚火热了没多久，就有人来“砸场子”了。此公就是法国化学家盖·吕萨克。
　　
　　盖·吕萨克一生建树众多，涉足的研究领域也很广，而他有一个最大的优点，即酷爱实验，而且精于实验。他的许多研究成果，直接来源于他的精确的实验。1809年，在对大量气体反应进行测定的基础上，盖·吕萨克在他的那篇著名论文《论气体物质彼此化合》中总结出了一条经验规律：当气体互相化合时，各气体的体积成简单的整数比（当然，需要在同温同压下）。
　　
　　大量的气体化合反应（其实不仅仅是化合反应）都支持这一规律。比方说，氢气与氧气化合成水蒸气时，其体积比为2∶1∶2；氢气和氯气化合成氯化氢气体时，其体积比为1∶1∶2；氮气与氢气化合成氨气时，其体积比为1∶3∶2。这样的例子举不胜举，再写下去有骗取稿费的嫌疑了，打住。
　　
　　而同时，盖·吕萨克为配合原子论，提出了“在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子”这一假设。按常理说，气体化合反应，各气体体积成简单整数比，是对道尔顿的原子学说——不同的元素化合时，这些元素的原子按简单整数比结合成化合物——的一个强有力的证明，理应得到道尔顿的认可和推崇。不想，马屁拍在了马脚上，道尔顿一点也不领情，反而认为盖·吕萨克是在拆他的台。
　　
　　下面就以氢气与氧气化合成水蒸气这一反应为例。2体积氢气与1体积氧气化合生成2体积水蒸气，可以推论得到2个氢原子与1体积氧原子反应得到2个水蒸气原子（道尔顿称其为复杂原子）。

　　
　　很明显，如果反应是照左图所示进行的话，那么每一个水蒸气原子，必然是由一个氢原子和半个氧原子组成的！半个氧原子，开玩笑，“原子是构成物质的最小微粒、不可再分”可是道尔顿原子论的核心！“把原子劈开，你好大的胆子！”（此处为杜撰的道尔顿的心理描写）而事实上，根据盖·吕萨克的实验，不仅要一分为二，有些反应中原子甚至要一分为三……谅道尔顿脾气再好，也无法接受这一切。况且他的脾气并不咋地。
　　
　　分歧之下，盖·吕萨克自然坚持己见。有点恼羞成怒的道尔顿指责盖·吕萨克的实验可能做得不准确，导致实验数据有误。这玩笑开得有些大了，说盖·吕萨克做实验不严谨，就类似于说关云长武功差、博尔特跑得慢、爱因斯坦不聪明、比尔盖茨穷光蛋一般。
　　
　　为了调和道尔顿和盖·吕萨克的矛盾，阿伏加德罗“粉墨登场”，抛出了他潜心研究得出的理论——分子假说。
　　
　　阿伏加德罗认为：第一，气体并非由原子直接构成，而是由分子构成。分子是构成气体的基本结构单元。气体单质大多数是双原子分子，如氢分子由两个氢原子组成，氧分子由两个氧原子组成，氮分子由两个氮原子组成（当然也有例外）。气体化合物则是由不同的原子构成分子。第二，同温同压下，同体积的任何气体都含有相同数目的分子（这后来被称为阿伏加德罗定律）。
　　
　　这样一来，氢气与氧气化合成水蒸气的反应中的死结就迎刃而解。即氢分子由两个氢原子组成，氧分子由两个氧原子组成，水蒸气分子由两个氧原子和一个氢原子组成。如下图所示：

　　
　　这样即没有让原子莫名其妙地分裂，氧原子的一半，永远还是另一半“不可分割的一部分”，而同时也能完美地吻合盖·吕萨克的实验结果。不料，这个论断虽然帮得了道尔顿和盖·吕萨克，却得不到大多数科学家的认可。因为分子这玩意儿，以当时的认知，是不可能存在的。当时正是贝采利乌斯的“电化二元论”盛行之时。“电化二元论”认为：每个原子都带有正负两种电荷，例如氧原子有极强的负电性，金属原子（如钾原子）有极强的正电性。化学反应，其实是正负电荷之间的相互吸引。（电化二元论的核心内容还有很多，此处不展开）两个同样带负电性的氧原子结合在一起构成分子，是难以想象的。电化二元论能比较完美地解释电解反应、酸碱中和反应等过程，又很容易理解和接受，所以风靡一时。但电化二元论也有其局限性，在同种原子能否构成分子这个问题上，电化二元论纯属“误导”。（直至20世纪初期，美国化学家路易斯创立了共价键理论，揭示了原子间通过共用电子对构成分子的方式，才比较好地解释了气体单质分子是如何构成的）
　　
　　科学往往是这样。某些事实超出当时科学家们的认知范畴，就会被认为是不合理的，只有经过科学技术不断发展，认知不断进步，才会逐渐闪烁出其光芒。又如，卢瑟福通过α粒子散射实验，确定了带正电荷的质子集中于原子中心极其小的体积内（原子核内）。不过，那些带正电的质子被束缚在空间极其狭小的原子核内，按当时经典物理学的理论来看，一定是不稳定的。但原子并没有因此而时不时地“自爆”，相反，大多数原子都寿命极长。或许，人的一生对于原子而言，只是打个哈欠而已。
　　
　　言归正传。真理有时候会被埋没很长时间，但终究会被重新发掘出来，并大放异彩。阿伏加德罗的分子假说没人在意，但科学界的矛盾却日益加剧。因为对于气体物质构成的错误认识，使得原子量的测定的数值、物质的表示方式极其混乱，每个人都自成一套体系，并不买其他人的账。
　　
　　真相就要大白于天下了。在1860年德国卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议上，散发了一本由意大利化学家康尼查罗写的名叫《化学哲学教程提要》的册子。这本册子就阿伏加德罗的分子假与盖·吕萨克的气体化合定律的关系进行了阐述，据理力争说明了分子假说具有坚实的实验基础；而更多实验事实（如有机取代反应）证明了电化二元论有比较大的局限性，原来横亘在分子学说面前的大山被搬开；同时，康尼扎罗还根据分子假说测定了不少化合物的相对分子质量，在此基础上，指出了测定相对原子质量的合理的方法，并确立了书写化学式的原则。《化学哲学教程提要》厘清了当时存在的一系列模糊和错误的认识，顿时使许多问题豁然开朗。自此，分子假说成为了分子学说，人们对物质微观世界的认识也由此前进了一大步。
　　
　　时至今日，没有人会怀疑分子的存在，布朗运动为你揭示了分子的热情与活力，而借助于STM，更是能够一睹分子的风采。但我们仍应看到，分子假说的建立经历了太多的曲折。其最终的胜利，亦是来之不易。