中學化學知識史述酸堿鹽波義耳研究酸堿的故事酸堿

2024年3月6日發(作者：感恩句子)

中學化學知識史述 第六章.酸─堿─鹽

波義耳研究酸、堿的故事

酸、堿、鹽是古代人們早已知道的。醋酸可以說是古代人知道最早的酸。一般食醋中的含量不過４－５％。古時的人常認為果汁中含有的酸都是醋酸，其實各種果汁所含的酸是不同的。食鹽、硝、明礬、綠礬、鍋灰等物質也是古代人們知道的。如１５世紀德國煉金術家費來丁（Valentine,B.）提出物質是由汞、硫、鹽三種元素組成的觀點，其中就有鹽。關于酸、堿、鹽的系統研究，則是１７世紀中葉英國化學家波義耳開始的。他發現酸堿指示劑，對酸、堿進行了識別和分類，使人們形成了酸和堿的統一概念。

有一天，波義耳的園丁把一籃美麗的紫羅蘭送到書房里，當他欣賞紫羅蘭的鮮艷和芳香后，隨手摘了一束向實驗室走去。他一邊走一邊沉思著，現在實驗室里可能正在蒸餾礬類（重金屬的硫酸鹽）制取礬油（濃硫酸），不知道進行得怎樣了？走到實驗室把門推開，只見縷縷濃煙不斷地從蒸餾器流到玻璃接受器。象往常一樣他每天照例要檢查實驗人員的工作，這時候順手把紫羅蘭放在桌上，然后去傾注硫酸。一下子刺激性的硫酸蒸汽從瓶口冒出，很快漫延到桌子的周圍。蒸餾完畢后，他拿起紫羅蘭準備回到書房。這時他發現紫羅蘭也在微微冒煙，因為酸沫濺在上面去了。他想應該把這些酸沫洗掉否則紫羅蘭會遭到腐蝕，于是把花放在水盆里浸洗，自己坐在窗前。過了一會兒發現盆子中出現奇跡！這些紫羅蘭竟然變成了紅色。波義耳把書本扔到一邊，立刻拿起花籃回到實驗室。要求實驗員準備幾個杯子，在每個杯子中裝一種酸并注入一些水，然后他把紫羅蘭分成若干小束分別放入各種酸溶液中。他靜靜地注意觀察著，

發現花朵的紫藍色逐漸變成淺紅色，過了一會兒全部變成紅色了。

波義耳認為這種現象十分有意義，他根據許多種已知酸使紫羅蘭變成紅色的事、實，概括出這樣的規律：不僅鹽酸、硫酸能使紫羅蘭變成紅色，其它的所有酸也同樣可以把紫羅蘭從藍色轉變成紅色，其它的所有酸也同樣可以把紫羅蘭從藍色轉變成紅色。他認為這是一個很重要的發現，以后只需要把紫羅蘭的花瓣放進一種溶液中能輕而易舉地確定它是是不酸性。他們用水或酒精分別制取紫羅蘭的不浸液或酒精浸液作為檢查酸的溶液，比直接用紫羅蘭花朵方便得多。

科學研究往往有這樣一類現象，由一種事物或理論的發現，而引起了對其它事物或理論的發現。波義耳研究各種酸對紫羅蘭的作用，從而聯想到，紫羅蘭對堿溶液是不是也有某種特殊的反應呢？是不是還有其它的有色植物，比紫羅蘭的效果更好呢？如果要解決這個問題，也只有用實驗室來回答。不畏疲勞、善于深思的波義耳為了尋求科學真理，進一步研究了有關鑒別酸、堿溶液的方法。他發現不僅紫羅蘭、玫瑰花等或它們的浸液可以鑒別酸、堿溶液，其它不少的藥草、地衣、有色樹皮和植物的根都具有區別酸、堿溶液的作用。其中以石蕊的效果最后，遇酸變紅，遇堿變藍。他們不僅把石蕊制成浸液，而且用浸液把紙浸透、烤干，制成石蕊紙。

他把能區別酸、堿的這些藥劑，稱為酸堿指示劑，用石蕊制成的紙，稱為石蕊試紙。把這種紙片放進被檢驗的溶液中，只要紙片改變了顏色，就能證明這種溶液是酸性還是堿性的。不僅用酸堿指示劑可以區分出酸、堿，而且根據變色的程度可以粗略地反映出酸、堿的程度。

波義耳還指出，酸除了具有酸味、能使指示劑變色外，還是一種強有力的溶劑；堿

除了能使指示劑變色外，具有滑膩感和除垢的性質，它能溶解油類和硫磺，還具有與酸對抗和破壞酸的能力。波義耳駁斥了當時流行的一種酸堿論，即德國化學家塔亨尼烏斯（Tachenius,1620-1690）等人的觀點，他們簡化生命過程的化學現象，把生命機體中發生的化學反應都歸結為酸堿反應，因此他們認為所有的物質不是酸就是堿。波義耳指出，物質可以分為三類：除了酸堿外，還有鹽。波義耳的觀點雖然也不很全面，卻較其它的分類方法合理得多。

中學化學知識史述 第五章.溶液

溶液的早期認識

人類應用溶液的歷史是很悠久的，可以說自有人類以來就有溶液的作用。為什么這樣說呢？因為天然水就是溶液，植物和動物體內的液體也都是溶液。在古代，有關醬、醋、酒之類的東西，都屬于溶液。尤其是在制鹽的過程中，無論是海鹽或井鹽都要先嘗試鹽水的濃度以確定其開采價值。據有關記載，在４、５世紀時，希臘煉金術士辛內索（Synesios）制作了一種比重計，以測量酒、醋、牛奶、蜂蜜等水溶液的比重。到了６世紀，已經有了和我們現在所用的基本相同的比重計。１１世紀初阿拉伯人比魯尼（al－Biruni）對當時一系列液體和金屬鹽溶液所測得的比、重數據，已經相當準確了。

到了１６世紀，化學發展進入了所謂醫藥化學時期，由于化學家擺脫了中世紀煉金術家的一些神秘觀念的束博，化學研究與人們的生活發生了緊密的關系，因而有了較大的發展。在這個時期有很多人從事礦泉水的研究。由于各地的礦泉水的藥理性能非常復雜，困而對它的研究也就促進了有關溶液的分析研究。于是對溶液中各種定性反應的認識也就逐漸的多起來。在此以前一些研究者只是簡單地把一定量水蒸發干，稱出殘渣的重量，計算出礦泉水中溶解物質的比例。到１６世紀中葉，

人們則進一步根據鹽類的特征晶形，從溶液中使鹽結晶出來加以識別。例如，德國醫生李巴維（Libarius,A.1540-1616）在１５９７年曾指出：確定水中深質的品種，可將水樣蒸發濃縮，在其中懸一稻草或棉線，讓溶質在它的上面結晶出來，從結晶的形狀可以判斷它是明礬還是硝石。可見在這個時期人們已經掌握了溶解和結晶的方法。

關于利用化學試劑對水深液進行定性檢驗，大概在公元初就開始了。古羅馬的普里尼曾介紹過用五倍子浸液檢驗膽礬溶液中的鐵。后來李巴維便利用這個反應來檢驗礦泉水中的鐵。他還發現銅鹽溶液與氨作用時顯現翠藍色，因而可以用膽礬溶液檢驗水中的氨。１７世紀荷蘭醫生埃享尼烏斯（Tachenius,O.1620-1690）系統地研究了五倍子浸液與各種金屬鹽溶液的反應。他曾用它來檢驗尿中的鐵，以研究鐵的排泄途徑。他還用蘇打溶液檢驗驅蛔藥水中污染的物質銅。醫生高克爾（Gockel,約１７世紀）曾采用硫酸檢驗葡萄從貯器上污染的有毒物質。

英國化學家波義耳依靠前人的實踐經驗和自己的鉆研，把當時的溶液檢驗提高到一個新的水平。他編寫了一本關于礦泉水的專著《礦泉的博物學觀察》，相當全面地總結了當時已知的關于水溶液的各種檢驗方法和化學反應。他研究制取五倍子浸液時發現，這種浸液滴入鐵鹽溶液，會使溶液變黑。他認為這種變化可以檢驗鐵的存在。又由于這種溶液可以當作墨水用，于是他研究了制備的方法，確定了配方。后來人們沿用這個配方生產高質量的墨水幾乎達一個世紀之久。他還研究了在硝酸銀溶液里滴入鹽酸，而生產白色的“月牙”（氯化銀）沉淀的化學反應。并觀察到這種沉淀在開口的容器里會逐漸變成黑色。他認為這種方法可以確證在所檢驗的物質里是否有銀存在。后來由于氯元素的發現，這個反應便成為檢驗氯的特效反應了。他還研究了沉淀作用的過程，解釋了沉淀產生的原因。因為在當時化學界流行的一種觀點，認為當兩種物質在溶液里相遇，彼此之間若有“厭惡感”便會發生沉淀反應，并以某種酸性物質在堿性物質作用下發生沉淀反應為例證。波義耳不同意這種觀點，認為這種理論實際上是賦予物質以神秘的性質。他指出不僅鍋灰（碳酸鉀）能從酸中沉淀出某種溶解的物質，而且“中性的硝酸銀可自王水中沉淀出鹽酸”；“硫酸可從

醋中沉淀出珊瑚粉（鈣質）。”他特別注意沉淀作用中量的變化，指出：更加普遍的情況是“在沉淀過程中，溶解的金屬與一部分沉淀劑發生了結合，因此沉淀的重量常常超過原來溶解的金屬的重量”。這種見解在當時顯然是很先進的。波義耳對溶液中化學反應的研究，為分析化學的發展奠定了基礎。

溶液的研究與分析化學的發展

到１７世紀，在溶液研究中的不少化學反應，都為分析化學所應用，以確定物質中的一些組成元素 。如德國化學家格勞貝爾（Glanber,J.R.1604-1668）發現氯化銀能溶于氨水 ；德國化學家霍夫曼（Hoffman,F.1660-1743）曾提出以氯化銨檢查堿質，以硫酸檢查鈣質，以硝酸銀檢查水中的巖鹽。這時人們除了應用鹽酸、硫酸與當時已知的金屬鹽之間的反應外，還進一步開展了研究堿類與鹽溶液之間的反應。雖然與１６世紀比較有較大的進展，但研究的范圍還是比較小的，而且都是一些孤立的、個別的檢查方法。到１８世紀，情況就不同了。德國化學家馬格拉夫（Marggraf,S.A.1709-1782）繼承前人的工作，并在此基礎上系統地研究了以堿溶液和氨水處理金屬鹽溶液的問題。在當時人們還不能區分碳酸鉀和碳酸鈉，因而把它們籠統地叫做苛性堿。馬格拉夫卻仔細地研究了植物堿（指草木灰、碳酸鉀）與礦物堿（指碳酸鈉）的區別，１７６２年他系統地對比了這兩種堿生成鈉鹽和鉀鹽的晶形、潮解性和溶解度等性質，并用火焰反應證明它們是兩種元素形成的堿，（因為在當時鈉和鉀兩種元素還未發現，究竟是什么元素仍不知道。）以后火焰反應便成為檢驗鈉鹽和鉀鹽的手段了。此外馬格拉夫還首先利用顯微鏡來鑒別物質。如１７４７年，他用顯微鏡確認了甜菜糖和蔗糖是同一種物質。１７５６年，他用顯微鏡觀察各種鉑鹽的晶體，深入研究了許多鉑化物的性質。其他如瑞典化學家波蘭特（Brant,L）研究了鈷鹽的反應和氧化砷的反應 ，并系統地總結了各種金屬的鹽酸溶液對氨水的作用。他還發現硼砂的酒精溶液燃燒時呈現出美麗的綠色火焰，并制定了檢查硼的特效反應。

到１８世紀后半葉，在歐洲由于采礦業、冶金工業的發展，分析化學的主要研究對象已不是礦泉水或某

些鹽溶液的檢驗，而是對礦石和巖石成分的分析了。一方面，由于在礦石和巖石中存在著微量或小量組分沒有適合的檢驗方法而往往被忽略掉；另一方面，由于事先沒有周密的、全面地定性檢驗，即使是很有經驗的分析化學家也往往出現錯誤，因而亟需發展分析化學的研究。到１９世紀，新發現的元素如雨后春筍地出現，其中相當多的是稀有元素，雖然它們在礦物中一般含量極微，但由于工業和技術的發展，逐漸引起人們對礦物中的這些少量組分的注意和應用。

在這種情況下，便使人們對金屬與試劑之間的反應進行了系統的研究。

德國化學家漢希立（Heinrich,P.C.1773-1852）為了使溶液定性檢驗的方法簡單化和減少分析的盲目性，他提出了一套簡單的分析程序。他認為：“被檢驗的物質可以先溶解在一個強有力的溶劑中，根據該物質在溶解過程所表現出的特性，可以引起一些重要的啟示和結論。”他還指出，對所得的溶液要先以幾個基本試劑加以初步檢驗，而所選用的試劑應該是分別能夠與溶液中某組元素產生特征反應的。這樣可以知道在溶液中是不是有某組元素存在，然后有針對性的檢驗某些元素，以加強檢驗的目的性，從而使檢驗的任務簡單化。被他用來分組的試劑有：硫化氫水、硫化銨、黃血鹽、碳酸銨、氨水、苛性堿和草酸鉀等。

漢立斯的著作出版之后不久，１８２９年，德國化學家羅塞（Ro,H.1795-1864）首先明確地提出并制訂了系統定性分析法。其分析程序為：

⒈首先把鹽酸加到溶液中，如果有低汞、銀和大量鉛存在時，會有沉淀發生。

⒉然后將硫化氫充入微酸性１的濾液中。所得沉淀（稱硫化氫組沉淀）再用氨性硫化銨處理，這樣可將沉淀中可能存在的金、銻、錫和砷再溶解。而用硫化銨處理后的沉淀殘渣中，則可能含有鎘、鉛、鉍、銅、銀和汞的硫化物。

⒊向分出了硫化氫組沉淀后的濾液中加入硫化銨，這時候鐵、鈷、鋅、猛和鋁則被沉淀（稱硫化銨組沉

淀）。

⒋向分出硫化銨組沉淀后的濾液中加入碳酸銨，可沉淀出鋇、鍶和鈣。

⒌分出碳酸銨組沉淀后，可加入磷酸鈉溶液以沉淀出鎂，鉀可用氯化鉑檢驗。

羅塞的系統分析，后來經德國化學家伏羅森紐斯（Frennius,C.R.1818-1897）和美國化學家諾艾斯（Noyes,A.A.）進一步精細研究和修改，使系統定性分析臻于完善，一直沿用到２０世紀。系統定性分析法在１９世紀，為礦物學的研究和地質普查工作以及冶金工業的發展，曾作出了積極的貢獻，對于化學工作者來說是一個有效的工具。

阿累尼烏斯建立電離理論的爭論

自１７９９年意大利物理學家伏打發明電池以后，英國化學家尼柯爾森（Nic-holson,W.1753-1815）和卡里斯爾（Carlisle,A.1768-1840）最先發現溶液具有導電性。他們把兩根鉑絲的一端放在不很純的水中，而把兩根鉑絲的另一端連接電池的兩極，發現兩極上都有氣體出現，據檢驗負極上是氫氣，正級上是氧氣。這是他們在１８００年發表的實驗結果。接著，他們電解酸、堿、鹽溶液，也得到同樣的結果。人們感到奇怪的是，為什么氫氣和氧氣會出現在不同的電極。后來，英國化學家法拉第（Faraday,M.1791-1867）將分解前的物質稱為電解質 ，把電流進入溶液的極叫做陽級，把電流從溶液出來的極叫做陰極。他認為，在溶液中電流是由帶電荷的分解物運送前進的。他把這樣的運輸物叫做離子。意思是說這種物質是用電經分解出來的。其中帶正電荷向陰極移動的離子叫做陽離子；帶負電荷向陽極移動的離子叫做陰離子 。其他如法國化學家希托夫（Hittorf,J.W.1824-1914）和柯爾勞希（Kohlrausch,F.W.1840-1910）都研究過離子在溶液中的遷移，但他們也都認為離子是通電流后產生的。在眾多的電解質導電的研究者中，只有英國化學家威廉遜（Willianson,A.W.1824-1904）和德國化學家克勞胥斯（Clausius,R.J.E.1822-1888）認為，電解質的分

子與形成它們的原子之間存在著動態平衡，電解質分子與鄰近分子之間不斷地交換原子，因此分子的離解和原子的化合永遠在連續不斷地進行著。但是，他們又認為這些離解出來的原子只能在很短的時間內存在，即他們只相信電解質只有極小的離解度，認為在常溫下溶液中的分子不可能大量的離解。

瑞典化學家阿累尼烏斯（Arrhenius,S.1859-1927） 從１８８２年秋開始對溶液的導電性進行了一系列的測量，直到次年才結束。他把實驗的結果通過整理、概括、計算又花了幾個月時間。同時，他還查閱了學術刊物中與這個問題有關的論文，對有關數據都作了比較，探索各種物質意想不到的現象和解釋。最使他驚奇的是氨的性質。這種物質在氣體狀態時是不導電的，而它的水溶液卻是導體，溶液越稀，導電性越好。阿累尼烏斯查明鹵酸也都有類似的性質。為什么會出現這樣的現象呢？到１８８３年５月阿累尼烏斯才根據實驗作出這樣的結論：溶液稀釋時，導電性增加的原因是水。

阿累尼烏斯興致勃勃地把他的新理論向化學家克利夫 （Cleve,P.T.1840-1905）介紹：要解釋電解質水溶液在稀釋時導電性的增加，必須假定電解質在溶液中具有兩種不同的形態。即非活動性的分子形態和活動性的離子形態。實際上，稀釋時電解質的部分分子分解為離子，這是活性的形態；而另一部分則不變，這是非活性的形態。因為當時代學家一般都認為溶液中的離子是通入電流后產生的。所以當克利夫聽到阿累尼烏斯的解釋，毫不掩飾他的不滿，說阿累尼烏斯的論點純粹是胡說八道。阿累尼烏斯又重申了他的看法，克利夫卻尖刻地冷笑地說：“這是蠻好的理論嘛！”阿累尼烏斯本想獲得克利夫的認可和支持，沒想到是這樣的結果。

阿累尼烏斯肯定那些認為通電流后電解質才離解的看法是錯誤的，深信自己的解釋是正確的。因而他對克利夫的挖苦絲毫沒有使他喪失信心。于是他又到醫學院去找研究化學的生理學教授漢馬爾斯騰（Hammerstein.A.1841-1932） 。漢馬爾斯騰懷著極大的興趣聽了阿累尼烏斯的介紹。他發現這種見解非常獨特，而且是對現象的合理解釋，建議他繼續研究。阿累尼烏斯決定對他的想法進行理論上的概括，并準

備寫成論文發表。他把第一篇題名為《電解質的導電率研究》，第二篇題名為《電解質的化學理論》。這兩篇論文于１８８４年６月經斯德哥爾摩科學院討論后推薦發表。阿累尼烏斯渴望留在烏普薩拉工作，把兩篇論文的校樣作為學位論文向大學提出。學術委員會接受了這兩篇論文，并指定在１８８４年５月進行答辨。阿累尼烏斯獲得委員會的贊許，答辨得很好。但克利夫教授仍然不同意他的理論。他認為：“純粹是空想，我不能想象，比如，氯化鉀怎樣會在水中分解為離子。鉀在水中單獨存在可能嗎？任何一個小學生都知道，鉀遇水就會產生強烈的反應，同時形成氫氧化鉀和氫氣。可是氯呢？它的水溶液是淡綠色的，又有劇毒，而氯化鉀溶液則是無色的，完全無毒。”

答辯進行得很強烈，特別費力的是同克利夫教授的辯論。當時，不同意關于在分子、原子和離子之間存在著本質的差別。阿累尼烏斯竭力證明，在溶液中，特別是在氯化鉀溶液中，存在的不是鉀原子和氯分子，而是兩種元素的離子。鉀離子不同于中性的鉀原子，它帶陽電荷。因此，性質上與中性原子不同。氯離子帶陰電荷，不同于中性的雙原子的氯分子，而完全具有另一種性質。

雖然溶液中離子的形成不決定于電流的想法，威廉遜、克勞胥斯等化學家早已提出過，但僅僅是一種沒有驗證的假設。阿累尼烏斯不但論述得很明確而且通過實驗證明了這個假設的正確性。他甚至還計算出，在氯化氫的溶液中，有９２％的溶質處于活性形態，也就是說大部分溶質分解為離子了。這些結果也為其他科學家所證實 。例如，德國化學家奧斯特瓦爾德（Ostwald,W.1853-1932）雖不是研究電離過程的，可是，他在研究鹽酸的催化作用時卻查明，它的總量中只有９８％對過程起加速作用。這一數值與阿累尼烏斯計算出來的數值是接近的。用硫酸進行試驗時，也得到相似結果。根據奧斯特瓦爾德的意見，由于硫酸的濃度不同，起催化作用的硫酸可以由５０％到９０％，而阿累尼烏斯查明的數值則是４７．６％到８５％。盡管阿累尼烏斯搜集了大量的實驗材料，以及無可辯駁的證據，但是，由于委員會支持克利夫等人的意見。對論文答辨還是給以第三級評語。

阿累尼烏斯論文答辨以后。更加堅信自己的理論是正確的。次日，他把自己的兩篇論文分別寄給歐洲最著名的研究溶液的科學家克勞胥斯、范霍夫（van't Hoff,J.H.1852-1911） ，萬爾（Meyer,J.L.1830-1895），奧斯特瓦爾德，獲得四位化學家的贊揚和肯定。其中奧斯特瓦爾德專程與他討論。

阿累尼烏斯進一步研究認為，在電解中兩極間的電位差只起指導離子運動方向的作用，并沒有分解分子；相同當量的離子，不管溶質是什么，都帶有同量的電荷，因而在兩極沉淀物的當量是相同的，這與法拉第的認識是一致的。這個理論還解釋了各種溶液中的反應熱。例如稀釋的強酸和強堿的中和熱，不管它們是什么，都是相同的。這是因為在強酸和強堿之間的反應都是氫離子和氫氧根離子結合成水分子的反應，中和熱都相同。其它溶液中的反應熱都可以從電離理論得到解釋。分析化學反應中的許多現象，如沉淀、水解、緩沖作用、酸和堿的強度以及指示劑的變色等也都可以從電離理論得到合理的解釋。

阿累尼烏斯由于提出了電離學說，于１９０３年榮獲了諾貝爾化學獎。阿累尼烏斯的電離理論為物理化學的發展開創了新階段，同時也促進了整個化學的進步。

甚至歸初反對過電離理論的克利夫，也在阿累尼烏斯獲得諾貝爾獎后認為：“這一新的理論是在困難中成長起來的。那時化學家不認為它是一種化學理論，物理學家也不認為它是一種物理學理論 。但是 ，這種理論卻在化學與物理學之間架起了一座橋梁。”克利夫還認為阿累尼烏斯與貝采里烏斯是瑞典的驕傲。他在紀念貝采尼烏斯的講演會上說：“從貝采里烏斯肩上卸下的斗篷，現在已經由阿累尼烏斯戴上了。”

中學化學知識史述 第四章.碳

人類對碳的認識

碳在地球上的含量比較起來不算多，大概占地殼重量的１％，可是它在自然界所起的作用卻非常重要，可

以說沒有碳就沒有生命，所以人們也常說它是一切生命的基礎。碳在自然界有三種不同的形態：一種是閃爍著各色光芒的金剛石，一種是灰黑色的石墨，一種是黑褐色的煤炭。

一、古代對煤的利用

在三種碳中，煤自古以來就是重要的燃料。在世界上中國人用煤最早，有悠久的歷史。從文獻記載和考古發掘來看，至遲在漢代就已用煤了。《漢書·地理志》說：“豫章郡出石，可燃為薪。”豫章郡在今江西省南昌附近，這里所說的可燃為薪的石頭，其實就是煤。可見這時煤已用于群眾的日常生活。新中國成立以后的考古證實：山東平陵漢初的冶鐵遺址中發現了煤，河南鞏縣鐵生溝漢代冶鐵遺址發現了煤塊、煤餅和煤渣；１９７５年河南鄭州古來鎮西漢中晚期至東漢的冶鐵遺址中，再次發現加工過的煤餅。文獻上明確記載用煤煉鐵見于北魏地理學家酈道元的《水經注·河上》中說“屈茨（今新疆庫車縣）北二百里有山，夜則火光，晝日但煙，人取此山石炭，冶此山鐵，恒充三十六國用。”這說明至遲在魏晉時期我國已用煤煉鐵。用煤煉鐵是冶煉技術上的重大進步，因為煤比木炭的火力強而持久，可以得到更高的溫度。歐洲人用煤的歷史比我國晚得多。在元朝來我國工作的意大利人馬可孛羅，回國后所寫的一部《游記》中描寫中國有一塊黑石頭，象木柴一樣能夠燃燒，火力比木柴強，從晚上燃到第二天早上還不熄滅。價錢比木柴便宜，于是歐洲人把煤當作奇聞來傳頌。他們到１８世紀才開始煉焦，比中國晚了５００多年。

二、金剛石和石墨的本來面目

金剛石是一種天然礦石，常見的是無色的或略帶顏色的晶體，也有極少是黑色。由于金剛石的硬度極大，反光性強，是很貴重的寶石，也是極有價值的技術材料。印度自古以來就以出產金剛石著名，那里的金剛石是從沙里采來的。后來巴西、非洲和蘇聯也先后發現金剛石沙地。石墨也是一種天然礦石，柔軟、滑膩，輕輕摩擦能留下痕跡，顏色從黑到鋼灰色。西北利亞有著名的石墨礦床，葉尼塞河流域也有豐富的石墨礦層。雖然這種礦石人們早已知道，究竟它們是什么東西構成的，到１８世紀后期才搞清楚。

世界著名的物理學家牛頓（Newton,I.1642-1727），曾懷疑金剛石是一種可燃物質，后來有人做過實驗。法國化學家馬凱爾（Macquer,P.J.1718-1784）和卡德(Cadet,I.C.1731-1799)做過金剛石在空氣中用高溫使其燃燒的實驗，但仍不明白燃燒的真象，只感到它的燃燒是很驚奇的。１７７２年化學家拉瓦錫同他們聯合重做這個實驗，證明金剛石如不跟空氣接觸，雖然加強熱也不能使它燃燒。拉瓦錫決心研究金剛石燃燒后究竟變成了什么東西。他用玻璃瓶倒立在水上或汞上，瓶上裝滿空氣或氧氣，再把金剛石放在瓶中的支架上，用大聚光鏡對它加熱。金剛石燃燒的結果表明，無論在水上或汞上，燃燒后生成的氣體都能使石灰水產生白色沉淀，但用汞時瓶氣體的體積不變，用水時氣體體積有所減小。于是得知所生成的氣體是二氧化碳，金剛石是碳素的一種結晶體，據后來的研究，金剛石只有當熔化的巖石在３０個大氣壓下才能結晶出來，有時候生成金剛石的壓力竟高到６００００個大氣壓。這樣大的壓力只能在地下面６０－１０００公里的深處存在。巖石要從這樣深的地方冒出地面的可能性是很少的，所以金剛石在自然界里非常稀少。在很早以前，開采到的１顆當時最大的金剛石，叫做超級金剛石，重１９４克。１９０６年開采出的更大的１顆金剛石，叫做非洲之星，重６０５克。通常的金剛石超過２克就很稀罕，價值也很貴。

年輕的化學家舍勒，對兩種物質都感興趣：一種是軟錳礦（即二氧化錳），一種是石墨。那時化學家還無法將這兩種東西區別開，就籠統地把它們都叫做黑苦土。舍勒用軟錳礦同鹽酸作用，制得了氧氣。在１７７９年，使石黑燃燒，根據實驗結果證實，石黑也是由碳組成的。由于石墨同金剛石的晶形不同，雖然它們都是碳，卻具有許多不同的性質。直到１８４１年化學家貝采里烏斯才提出同素異形體這個術語，說明同一種元素能夠以各種不同的單質形式存在的現象。當時他發現并進行研究過的同素異形體，除碳以外還有硫和磷。

三、人造金剛石的誕生

１７７３年拉瓦錫將金剛石放在氧氣中燃燒的實驗之后１００多年，法國化學家莫瓦桑（Moissan,H.1852-1907）想利用氟代輕分解反應以制取金剛石，結果得到的是無定形碳。１８９０年法國化

學家多布里（Daubree,G.A.1814-1896），研究含金剛石的隕石和地殼形成過程，指出金剛石必須在高溫高壓下形成，而且從金剛石的性質考慮，它們可能是在液體中形成的，或者至少是在柔韌的環境下形成的。１８９２年，法國化學家弗里德爾（Friedel,C.1832-1899）向法國科學院提出的報告中，介紹他從美國亞利桑那洲發現的隕石中找到了許多微細的金剛石。于是莫瓦桑又研究隕石和隕鐵，發現其中除含有金剛石以外，還含有石墨和無定形碳。

他還研究了南非和巴西含有金剛石的巖石，也發現了石墨，同時還發現金剛石礦物中含有鐵。經過這些研究，莫瓦桑產生了這樣的推論：石墨和無定形碳可以作為人造金剛石的原料；金剛石是在含鐵的環境下形成的，它可能從含碳的鐵中結晶出來。于是他采用這樣的方法：在電爐中將石墨坩堝里的金屬鐵加熱，使它熔化，而且使熔化的鐵為碳所飽和。然后把熔化的鐵傾之冷水中，含碳的鐵在固化時會象水變成冰時一樣發生膨脹，在迅速冷卻過程中，含碳的鐵總是外層金屬先固化，等到內部金屬開始固化時，就會在金屬內部產生高壓。在這種條件下，一部分碳就結晶成黑色的金剛石。然后用不同的酸處理固化的鐵塊，除了金剛石以外，其它的物質都被溶解，最后只留下黑色的金剛石。１８９３年２月６日，莫瓦桑向科學院報告了初步試驗的結果，引起了各方面的轟動。第二天各種報刊都在頭版用大號字體登出了莫瓦桑的名字。一進有人作了各種預言，有的人則盤算著能賺多少錢。一股人造金剛石的狂熱震撼了世界。百萬富翁焦急不安，因為人造金剛石一旦投入生產，就會使他們破產。而那些沒有金剛石的人則夢想自己也能很快地制造出各式各樣的金剛石。然而，這一切都跟實際情況有很大的距離。以后雖然改進了實驗設備，摸索出不少新的方法，提高了原料的用量，但是并沒有得到令人滿意的結果。人造金剛石不僅顆粒小，而且色澤深暗。那時有一顆最大的接近無色的小晶體，其直徑還不足一毫米。可是人們卻把它作為最貴重的珍寶收藏在羅浮宮里，并命名為“攝政王”，使它跟宮里的那顆世界上最大的金剛石──庫林南相媲美。庫林南是１９０５年在南非發現的，重６２１．２克，體積為１０×５×６立方厘米。

直到１９５５年，化學家本迪（Bundy,F.P.）等用鎳等金屬為催化劑，使用２０００℃和７萬大氣壓下的設

備，使石墨轉化為金剛石的試制成功。美國電氣公司于１９５７年、瑞典通用電氣公司于１９６２年投入工業生產。此后，美國通用電氣公司應用晶種的觸媒法，以金剛石粉為碳源溶解于熔融金屬鐵鎳之中，借助反應室中適當的溫度梯度，把碳輸送到高壓釜反應室中溫度較低處的金剛石晶種上，并在晶種上沉積出晶層。這種方法在大約６萬大氣壓和１５００℃溫度下，幾天之內長出０．２克左右的寶石級優質人造金剛石。在７０年代，有采用爆炸法生產金剛石。這種方法是利用ＴＮＴ和黑索金等炸藥引爆后產生強烈的沖擊波和在幾微秒的瞬間產生的幾十萬大氣壓及高溫使石墨轉化為金剛石。此外還有氣相法、液向外延生長法、氣相固相外延生長法、常壓高溫生產金剛石的。由于天然金剛石不能滿足工礦業的需要，人造金剛石的世界年產量逐年都在增長。據統計，１９６７年為２．４噸，１９６８年為４．４噸，１９６９年已達到６．０噸。

碳素旅游的意義

地質史上有過這樣的時代，那時火山十分活躍，把大量的二氧化碳噴到大氣里；還有這樣的時代，把生長得非常茂盛的植物整批地翻壓到地殼里，使他們重新變成碳。我們知道現在的活火山，還是繼續在噴出二氧化碳。二氧化碳噴出地面以后，就開始發揮它的作用而成為許多化學變化的重要因素。二氧化碳破壞火層巖、腐蝕金屬，跟鈣、鎂化合而形成石灰巖和白云巖。江、湖、海、洋等貯水的地方都含有大量的碳酸鹽，有些生物就利用碳酸鹽來構成軀體的外殼、如蚌、螺之類的生物，珊瑚蟲還利用碳酸鹽來構成堅硬的軀體。

我們不能低估二氧化碳在地面上所起的作用，因為這類變化不但影響著地面的氣候。而且影響著生物在進化過程中的演變。如果說地球上沒有碳參與變化，那就不會有一片綠葉、一棵樹、一根草，沒有植物也就不會有動物。那樣的地球只能是光禿禿的巖石，死寂的沙漠，荒涼的大地。同時也不可能在石灰巖和大理巖，不可能有石油和煤了。既然沒有二氧化碳地球上的氣候也一定要冷些，因為大氣里的二氧化碳能幫助吸收太陽的光能。沒有二氧化碳，地球上的水也會變死寂。

碳的化學性質非常特別，在所有的化學元素里只有碳能夠跟氧、氫、氮、磷和其它多種元素生成非常多的

有機化合物。如蛋白質、脂肪、糖類、維生素等許多種別的化合物。這些化合物都存在于生物體的組織和細胞里。由于碳能生成無數多的化合物，結果就產生出各種各樣、品種繁多的動植物。人們先從動植物組織里分析出糖、淀粉、脂肪一類的化合物。后來認識蛋白質和維生素等。在此過程中也逐漸創造了合成這些物質的方法。現在已知的有機化合物約６００多萬種。由于生物體在生長、發育和繁殖過程中，都需要攝取養料，所以有大量的碳參加了生物的活動。動物呼吸要呼出很多二氧化碳。例如，人的肺泡的總面積大約有５０平方公尺，平均每晝夜呼出１公斤多的二氧化碳。全人類每年呼出的二氧化碳在１０億噸以上。此外地底下的石灰巖、白堊巖、大理巖等，也在不斷地被人利用而分解出二氧化碳。空氣里的二氧化碳有一部分溶解在水里，植物的機體便從空氣和水里攝取二氧化碳。水里的二氧化碳含量減少，空氣里的二氧化碳就會隨時進行補充。海洋的廣大水面就象一個巨大的吸筒，可以不斷地把二氧化碳吸收進去。

植物吸收二氧化碳，是二氧化碳在生物體內循環的第一步。其過程就是綠色植物的葉子，在光的照射下吸收二氧化碳，把它變成復雜的有機化合物。由于光合作用，地球上的植物也需要很多的二氧化碳。但空氣里的二氧化碳含量不會減少，因為水里和動物的組織里都不斷分解出二氧化碳補充到碳又進入了動物體。生物體是會死掉的。死掉的生物體組織就在江、湖、海、洋的底部沉積起來，大量的變成泥炭。殘余的生物體受到水的作用而逐漸發酵腐爛，放出二氧化碳。死掉的生物體里最能堅持不變的植物纖維素、植物的木質便埋在厚層的沙和粘土底下。纖維素和木質受到熱和壓的作用，并經過復雜的化學變化，在適當的條件下而逐漸變成煤或石油。如果我們用顯微鏡一看，就可以看到煙煤、褐煤都有植物纖維的痕跡，表明都是由植物變成的。在每兩層之間有的地方還有葉子、胞子和種子的痕跡。由此可知這些煤塊里的碳，都是二氧化碳里的碳，通過植物的光合作用而聚集起來的。年代很久很久的石灰巖受到壓力的作用變成了大理巖。在大理巖里有機體的任何微小痕跡都不見了，其中的碳可以說長期停止了旅游。除非大理巖附近發生了地球的造山運動或火山爆發，大理巖才會受熱分解，把二氧化碳釋放出來再參與碳素的旅游。

地球上的各種化學變化都永遠不停變化著，大自然本身也在不斷的變化過程中發展著。

中學化學知識史述

第三章.氫─原子結構的初步知識

氫的發現和氫的性質研究

在化學史上，人們把氫元素的發現與“發現和證明了水是氫和氯的化合物而非元素”這兩項重大成就，主要歸功于英國化學家和物理學家卡文迪許（Cavendish,H.1731-1810）。

一、１８世紀的英國化學家卡文迪許

卡文迪許是一位百萬富翁，但他生活十分樸素，用自己的錢在家里建立了一座規模相當大的實驗室，一生從事于科學研究。曾有科學史家說：卡文迪許“是具有學問的人中最富的，也是富人當中最有學問的。”他觀察事物敏銳，精于實驗設計，所做實驗的結果都相當準確，而且研究范圍很廣泛，對于許多化學、力學和電學問題以及地球平均密度等問題的研究，都作出了重要發現。但他篤信燃素說，這使他在化學研究工作中走過一些彎路。他在五十年中只發表過１８篇論文，除了一篇是理論性的外，其余全是實驗性和觀察性的。在他逝世以后，人們才發現他寫了大量很有價值的論文稿，沒有公開發表。他的這些文稿是科學研究的寶貴文獻，后來分別由物理學家麥克斯韋和化學家索普整理出版。在化學史上，有一個與這些論文稿有關的有趣的故事。卡文迪許１７８５年做過一個實驗，他將電火花通過尋常空氣和氧氣的混合體，想把其中的氮全部氧化掉，產生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實驗做了三個星期，最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的

實驗記錄保存在留下的文稿中，后面寫道：“空氣中的濁氣不是單一的物質（氮氣），還有一種不與脫燃素空氣（氧）化合的濁氣，總量不超過全部空氣的１／１２。一百多年后，１８９２年，英國劍橋大學的物理學家瑞利（Ragleigh,L.1842-1919）測定氮的密度時，發現從空氣得來的氮比從氨氧化分解產生的氮每升重０．００６４克，百思不得其解。化學家萊姆塞（Ramsay,W.1852-1916）認為來自空氣的氮氣里面能含有一種較重的未知氣體。這時 ，化學教授杜瓦（Dewar,J.1842-1923）向他們提到劍橋大學的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之迷。他們立即把卡文迪許的科學資料借來閱讀，瑞利重復了卡文迪許當年的實驗，很快得到了小氣泡。萊姆塞設計了一個新的實驗，除去空氣中的水汽、碳酸氣、氧和氮后，也得到了這種氣體，密度比氮氣大，用分光鏡檢查后，肯定這是一種新的元素，取名氬。這樣，卡文迪許當年的工作在１８９４年元素氬的發現中起了重要作用。從這個故事可看出卡文迪許嚴謹的科研作風和他對化學的重大貢獻。１８７１年，劍橋大學建立了一座物理實驗室，以卡文迪許的名字命名，這就是著名的卡文迪許實驗室，它在幾十年內，一直是世界現代物理學的一個重要研究中心。

二、氫的發現和氫的性質的研究

在１８世紀末以前，曾經有不少人做過制取氫氣的實驗，所以實際上很難說是誰發現了氫，即使公認對氫的發現和研究有過很大貢獻的卡文迪許本人也認為氫的發現不只是他的功勞。早在１６世紀，瑞士著名醫生帕拉塞斯就描述過鐵屑與酸接觸時有一種氣體產生；１７世紀時，比利時著名的醫療化學派學者海爾蒙

特（van Helmont,J.B.1579-1644）曾偶然接觸過這種氣體 ，但沒有把它離析、收集起來。

波義耳雖偶然收集過這種氣體，但并未進行研究。他們只知道它可燃，此外就很少了解。１７００年，法國藥劑師勒梅里（Lemery,N.1645-1715）在巴黎科學院的《報告》上也提到過它。最早把氫氣收集起來，并對它的性質仔細加以研究的是卡文迪許。

１７６６年卡文迪許向英國皇家學會提交了一篇研究報告《人造空氣實驗》，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”（即氫氣），并用普利斯特里發明的排水集氣法把它收集起來，進行研究。他發現一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類、濃度都無關。他還發現氫氣與空氣混合后點燃會發生爆炸；又發現氫氣與氧氣化合生成水，從而認識到這種氣體和其它已知的各種氣體都不同。但是，由于他是燃素說的虔誠信徒，按照他的理解：這種氣體燃燒起來這么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃燒后成為硫酸，那么硫酸中是沒有燃素的；而按照燃素說金屬也是含燃素的。所以他認為這種氣體是從金屬中分解出來的，而不是來自酸中。他設想金屬在酸中溶解時，“它們所含的燃素便釋放出來，形成了這種可燃空氣”。他甚至曾一度設想氫氣就是燃素，這種推測很快就得以當時的一些杰出化學家舍勒、基爾萬（Kirwan,R.1735-1812）等的贊同。由于把氫氣充到膀胱氣球中，氣球便會徐徐上升，這種現象當時曾被一些燃素學說的信奉者們用來作為他們“論證”燃素具有負重量的根據。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學家，后來他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問題，通過精確研究，證明氫氣是有重量的，只是比空氣輕很多。

他是這樣做實驗的：先把金屬和裝有酸的燒瓶稱重，然后將金屬投入酸中，用排水集氣法收集氫氣并測體積，再稱量反應后燒瓶及內裝物的總量。這樣他確定了氫氣的比重只是空氣的９％。但這些化學家仍不肯輕易放棄舊說，鑒于氫氣燃燒后會產生水，于是他們改說氫氣是燃素和水的化合物。

三、水的合成否定了水是元素的錯誤觀念

在古希臘：恩培多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，它們組成萬物。從那時起直到１８世紀７０年代，人們一直認為水是一種元素。１７８１年，普利斯特里將氫氣和空氣放在閉口玻璃瓶中，用電火花引爆，發現瓶的內壁有露珠出現。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復進行這項實驗，確認這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時氧氣業已發現，卡文迪許又用純氧代替空氣進行試驗，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認大約２份體積的氫與１份體積的氧恰好化合成水（發表于１７８４年）。這些實驗結果本已毫無疑義地證明了水是氫和氧的化合物，而不是一種元素，但卡文迪許卻和普利斯特里一樣，仍堅持認為水是一種元素，氧是失去燃素的水，氫則是含有過多燃素的水。他用下式表示“易燃空氣”（氫）的燃燒：

（水＋燃素） ＋ （水－燃素）─→水

易燃空氣（氫） 失燃素空氣（氧）

１７８２年，拉瓦錫重復了他們的實驗，并用紅熱的槍筒分解了水蒸汽，才明確提出正確的結論：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了兩千多年來把水

當做元素的錯誤概念。１７８７年，他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H-ydrogne”（氫），意思是“產生水的”，并確認它是一種元素。

四、氫、氧等氣體液化的研究

初中化學教材在敘述氧氣和氫氣的性質時指出：在壓強為１．０１３×＾５帕（即１個標準大氣壓）時，氧氣在約－１８３℃（９０Ｋ）時變為淡藍色液體，氫氣在－２５２℃（２１Ｋ）時變為無色液體。人們認識到這些氣體的液化溫度是很不容易的，經歷了一個曲折而艱巨的過程，這個過程是和低溫物理的發展聯系在一起的。

關于氣體液化的研究始于１８世紀末。早在１７９９年，已經通過降溫和壓縮的方法使氨和二氧化硫液化。１８２３年，杰出的英國物理學家和化學家法拉第（Faraday,M.1791-1867）用冰凍的混合物使加壓的氣體降溫，液化了硫化氫 、氯化氫、氯 。１８３５年，蒂洛勒爾（Thilorier）制得了大量的液態和固態的二氧化碳，并把固態二氧化碳和乙醚混合起來獲得了更低的溫度。但是，對于氫、氧、氮、一氧化碳這幾種氣體，直到１９世紀六十年代，科學家們盡管已經嘗試了一切當時采用的手段（當時壓力已可加到２７９０大氣壓），都沒有能使它們液體。因此這些氣體被稱為“永久性氣體”，這個名稱一直沿用了四分之一的世紀。

１８６３年，英國物理學家安德魯斯（Andr ews,T.1813-1885）把裝有液態的和氣態的二氧化碳的玻璃容器加熱到８８°Ｆ（３０．９２℃）時，液體和氣體之間的分界面就完全消失；當溫度高于這個數值時，即使壓力增大到３００或４００個大氣壓，也不能使二氧化碳氣液化。他把這個溫度稱為二氧化碳的臨

界溫度，并設想每種氣體都有自己的臨界溫度。在１８６９年他提出：液化“永久性氣體”的失敗大概是由于他們臨界溫度比迄今已經獲得的最低溫度還要低得多。只要能夠實現更低的溫度，它們也是可以被液化的。為此必須尋找獲得更低溫度的方法。

１８５２年 ，英國物理學家焦爾（Joule,J.P.1818-1889）和丹麥物理學家湯姆遜（Thomn,H.P.J.J.1826-1909）已證明 ，當非理想氣體發生真空絕熱膨脹時，由于要克服分子間的引力而作功，溫度可能大大降低。１８７７年兩個法國人分別獨立地利用焦爾－湯姆遜原理制得了少量液態氧。１８７５年至１８８０年間，德國工程師林德（Linde,K.1842-1934）利用焦-湯效應，并采用循環對流冷卻，制成了氣體壓縮式制冷機，可得到更代的溫度。１８８３年奧匈帝國的烏羅布列夫斯基（von Wroblewski,S.F.1848-1888）和奧耳舍夫斯基（Olszewski,K.S.1846-1915）用林德制冷機使氧氣和氮氣大量液化。英國的杜瓦發明了低溫液體容器──杜瓦瓶，并于１８９８年成功地實現了氫的液化，它在１大氣壓下的液化溫度是－２５３℃。上世紀末達到的最低溫度是－２５９℃。荷蘭物理學家昂乃斯（Onnes,H.D.1853-1926）在１９０８年成功地實現了有重大影響的氦的液化 ，從而消除了最后一種“永久性氣體”，并達到了４．３－１．１５Ｋ之間的低溫。昂乃斯及其合作者還對極低溫度下出現的各種現象（包括超導現象）進行了廣泛的研究。昂乃斯“由于他對低溫下物質性質的研究，并且制成液氮”而獲得１９１３年諾貝爾物理學獎。

伏打電池和水的電解

一、伏打電池的發明

水的電解，是在歷史上第一個提供穩定連續電流的電源裝置──伏打電池于１８００年誕生以后才實現的。伏打電池的發明歸功于兩位意大利科學家。一位是解剖學家和醫學教授伽伐尼（Galvani,L.1737-1798） ，一位是物理學和化學家伏打

（Volta,A.1745-1827）。

１７８０年，伽伐尼在一次解剖青蛙時有一個偶然的發現。一只已解剖的青蛙放在一個潮濕的鐵案上，當解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經時，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重復了這個實驗，又觀察到同樣的現象。最初他以為蛙腿發生痙攣是“大氣電”作用的結果。后來他以嚴謹的科學態度，選擇各種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀，接在一起，而把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經接觸，青蛙就會不停地屈伸抽動。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等代替金屬，就不會發生這樣的現象。作為解剖學家的伽伐尼腦子里總是想著肌肉和神經等，他想用動物體內有某種電來解釋，但這種“動物電”的解釋是含糊不清的。１７８９年他寫成了論文：《關于電對肌肉運動的作用》，于１７９１年發表。

伏打讀到了這篇論文后，就多次重復了伽伐尼的實驗。作為物理學家，他的注意點主要集中在那兩根金屬上，而不在青蛙的神經上。伏打在此以前已經對電學作出不少貢獻。他曾經對已有驗電器進行改造，制成了一種能夠測微量電荷的驗電器。１７７５年，他在給普利斯特里的信中描寫了一種起電盤裝置。對于伽伐尼發現的蛙腿抽搐的現象，他想這可能與電有關，但是他認為青蛙的肌肉和神

經中是不存在電的，他推想電的流動可能是由兩種不同的金屬相互接觸產生的，與金屬是否接觸活動的或死的動物無關。伏打用自己設計的精密驗電器，對各種金屬進行了許多實驗。這些實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過的（甚至只要是濕和）硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西（他認為這是使實驗成功所必須的），并用金屬線把兩個金屬片連接起來，不管有沒有青蛙的肌肉，都會有電流通過。這就說明電并不是從蛙的組織中產生的，蛙腿的作用只不過相當于一個非常靈敏的驗電器而已。

在１７９６年的一封信中，伏打把金屬（以及黃鐵礦等某些礦石和木炭）稱為第二類導體或干導體，把鹽、堿、酸等的溶液稱為第二類導體或濕導體。他指出：把第一類導體與第二類導體相接觸，“就會引起電的擾動，產生電運動；至于這個現象的原因，目前還不清楚，只能認為是一般的特性”。

伏打用了三年的時間，用把各種金屬兩兩搭配進行實驗的方法，研究兩種金屬接觸產生電的現象。他發現，一種金屬與某一種金屬接觸時帶正電，它與另一種金屬接觸時則可能帶負電。例如，鋅和銅接觸時鋅帶正電，銅帶負電；但銅若與金或銀接觸，則銅帶正電，金、銀帶負電。伏打以大量的實驗為基礎，發現了如下的金屬起電順序：

鋅－銅－錫－鐵－銅－銀－金－石墨－木炭

在序列中任何兩種相接觸，都是位序在前的一種帶正電，后面的一種帶負電。

這就是著名的伏打序列。

伏打將兩塊不同的第一類導體與浸有第二類導體溶液的濕布接觸，再用導線將這兩塊第一類導體連接起來，成一回路，便得到雖然微弱但很穩定的電流。他把這個位置叫做伽伐尼電池。當把若干個這種電池串接起來時，就能得到較強的電流。

例如，他把許多對（４０對、６０對）圓形的銅片和鋅片相間地疊起來，每一對銅鋅片之間放上一塊用鹽水侵濕的麻布片。這時只要用兩條金屬線各與頂面上的鋅片和底面上的銅片焊接起來，則兩金屬端點就會產生幾伏的電壓。如果把銅片換成銀片，則效果更好。金屬片對數越多。電力越強。這樣產生的電流不僅相當強，而且非常穩定，可供人們研究和利用。后來人們對伏打發明的這種電源裝置叫做“伏打電堆”。１８００年，伏打給英國皇家學會寫信，報告了他的電堆試驗。從此以后，電學的研究便活躍起來了。

不久，伏打發現當兩種金屬片之間的濕布慢慢干燥了的時候，電堆產生的電流就漸趨微弱。于是他改用許多杯子，杯子都盛有鹽水或稀酸，每個杯中插入一對鋅和銅片，然后用金屬線把每個杯中的鋅片和另一杯中的銅處焊接起來，便得到經久耐用、電流更強的電池。這種裝置稱為“杯冕”。這就是歷史上第一具實用電池。

伏打電池的出現，是一項重大發明，它使人們第一次獲得了比較強的穩定而持續的電流。為科學家們從對靜電的研究轉入對動電的研究創造了物質條件，導致了電化學、電磁聯系等一系列重大的科學發現，加深了人們對光、熱、電磁、化學變化之間的關系的認識。伏打電池的發現還開辟了電力應用的廣闊道路，由于它的誕生，１９世紀的第一年成了電氣時代文明生活的開端。

二、水的電解

在電化學發展中上的第一個發明是利用電流分解水。１８００年３月，英國倫敦皇家學會會長接到伏打關于發明了電堆的信件后，便把這封信給了他的好朋友，英國化學家尼科爾森（Nicholson,W.1753-1815）和卡里斯爾（Carlisle,A.1768-1840），并在皇家學會上公開宣讀了 。尼科爾森和卡里斯特爾立即著手利用伏打電池進行施電流于水的試驗 。他們的電堆是利用３６枚英國半克朗（Crown）銀幣及一些鋅片和硬紙片，用白金箔和絲做電極和導線。當電極導一和電堆兩極接觸時，兩極上都有氣體逸出，他們用排水集氣法加以收集。這樣電解了１３小時，他們才得到１．１立方時的氣體。與電堆負極相連的鉑電極上產生的氣體的體積恰為另一鉑電極上逸出氣體的二倍。經鑒定，證明這兩種氣體分別是氫氣與氧氣，它們的體積比和氫氣、氧氣合成水時一致。他們的文章《利用電池電解水》１８００年發表后，這一消息立即轟動了科學界。水的電解和氫、氧化合成水，這兩個科學事實完全證實了水是氫和氧的化合物的正確論斷，在化學史上有重要意義。

在１８００年以后幾年內，化學家們利用伏打電堆研究了許多電化學問題，如電解水時水中為什么產生出酸和堿，一些金屬鹽類水溶液電解時產生的現象及其原因等 ；英國化學家戴維（Davy,H.1778-1829）并于1807-1808年通過電解法發現了元素鉀、鈉、鈣、鍶、鋇和鎂。由此可見，伏打電池的發明（以及電解水的成功）對于化學的發展確實具有深遠的重要意義。

Ｘ射線和放射性的發現

一、Ｘ射線的發現

Ｘ射線是１８９５年德國物理學家倫琴（Rontgen W.K.1845-1923）發現的 。１８９５年１１月８日晚，倫琴為了進一步研究陰極射線的性質，他用黑色薄紙板把一個克魯克斯管嚴密地套封起來，在完全暗的室內做實驗。在接上高壓電流進行實驗中，他意外地發現在放電管一米以外的一個熒光屏（涂有熒光物質鉑氰化鋇的紙屏）上發生亮的光輝。一切斷電源，熒光就立即消失。這個現象使他非常驚奇，于是全神貫注地重復做實驗。他發現即使在蹺儀器二米處，屏上仍有熒光出現。倫琴確信，這個新奇現象不是陰極射線造成的，因為實驗已證明陰極射線只能在空氣中進行幾厘米，而且不能透過玻璃管。他決定繼續對這個新發現進行全面檢驗。一連六個星期都在實驗里廢寢忘食地工作著。經過反復實驗，他確信發現了一種過去未被人們所知的具有許多特性的新射線。這種射線的本質一時還不清楚，所以他取名為“Ｘ射線”（后來科學界稱之為倫琴射線）。他在１２月下旬寫的論文中說明了初步發現的Ｘ射線的如下性質：（１）陰極射線打在固體表面上便會產生Ｘ射線；固體元素越重，產生的Ｘ射線越強。（２）Ｘ射線是直線傳播的，在通過棱鏡時不發生反射和折射，不被透鏡聚焦。（３）與陰極射線不同，不能借助磁體（即使磁場很強）使Ｘ射線發生任何偏轉。（４）Ｘ射線能使熒光物質發出熒光。（５）它能使照相底片感光，而且很敏感。（６）Ｘ射線具有很強的貫穿能力，比陰極射線強得多。它可以穿透射線具有很強的貫穿能力，比陰極射線強得多。它可以穿透千頁的書，二、三厘米厚的木板，幾厘米的硬橡皮等。１５毫米厚的鋁板，不太厚的銅板、銀板、金板、鉑板和鉛板的背后，都可以辨別熒光。只有鉛等少數物質對它有較強的吸收作用，對１．５毫米厚的鉛板它實際上不能透過。倫琴一次檢驗鉛對Ｘ射線的吸收能力時，意外地看

到了他自己拿鉛片的手的骨髂輪廓。于是他請他的夫人把手放在用黑紙包嚴的照相底片上，用Ｘ射線照射，底片顯影后，看到倫琴夫人的手骨像，手指上的結婚戒指也非常清晰，這成了一張有歷史意義的照片。

１８９６年元旦，倫琴將他的論文和第一批Ｘ射線照片復制件分送給一些著名物理學家。幾天之后，這個發現就傳遍了全世界，在公眾中引起轟動。其傳播之迅速，反應之強烈，在科學史上是罕見的。Ｘ射線很快就被應用于醫學和金屬探傷等領域，從而創立了Ｘ射線學。Ｘ射線究竟是一種電磁波，還是一種粒子流，曾經爭論許多年。直到１９１２年德國物理學家勞厄和他的助手發現Ｘ射線通過晶體后產生衍射現象，才證明它是一種波長很短的電磁波。

Ｘ射線的發現具有十分重大的意義，它是１９世紀末２０世紀初發生的物理學革命的開端。它的發現對于化學的發展也有重要意義：１９１３年，根據對各種元素的特征Ｘ射線光譜的研究發現的莫斯萊定律，確定了元素的原子序數等于核電荷數，這對元素周期律的發展和原子結構理論的建立起了重要作用。以Ｘ射線晶體衍射現象為基礎建立起來的Ｘ射線晶體學，是現代結構化學的基石之一。

倫琴由于發現Ｘ射線，于１９０１年成為第一個諾貝爾物理學獎獲得者。倫琴作出這個重大發現并非由于偶然的幸運。他的廣博深厚的科學素養，周密敏銳的觀察能力，頑強探索的科學精神和嚴謹細致的實驗工作，使他具有高瞻遠矚的科學遠見，能迅速地揭示出并捕捉住前人所未注意的有重要價值的新現象，緊緊抓住這種現象進行深入研究，終于取得成功。

二、天然放射線的發現

１８９６年法國著名數學家和物理學家彭加勒（Poincare,H.1854-1912）注意到Ｘ射線是從受陰極射線轟擊而發出熒光的玻璃管壁上產生的。他提出是不是所有能強烈地發熒光和磷光的物質都能發射出Ｘ射線。法國物理學家亨利·貝克勒（Becquerel,H.A.1852-1908）由此受到啟發 ，立即開始研究究竟有哪些熒光和磷光物質能發射Ｘ射線。他把許多磷光和熒光物質一一放在密封照相底片上置于陽光下曝曬，底片都沒有感光。他想起十五年前和他父親一起制備的磷光物質硫酸鈾酰鉀晶體，于是他把一塊這種晶體放在日光下曝曬，直到它發出很強的熒光，然后把它和用黑紙包封的照相底片放在一起，發現底片感光了。他錯誤地認為這種晶體發射Ｘ射線。１８９６年２月２４日他向法國科學院報告了這一實驗，認為Ｘ射線與熒光有關。

３月１日，貝克勒把在抽屜里和鈾鹽放在一起的一張密封的底片拿去沖洗，顯影后發現一件奇怪的事：這張底片已經感光，上面有很明顯的鈾鹽的象，和剛經過日曬的鈾鹽產生的影象同樣清晰。究竟日曬和熒光對于鈾鹽發出的這種神秘射線有沒有關系呢？于是他親自用純試劑合成一些硫化物熒光物質，并設法加強它們的磷光，但它們日曬后都不能使底片感光。經過幾個月的反復試驗，貝克勒確信使底片感光的真實原因是鈾和它的化合物不斷地放射出一種奇異的射線，日曬與熒光都與照相底片感光無關，他把這種射線稱為“鈾射線”。

１８９６年５月１８日，貝克勒宣布：發射鈾射線的能力是鈾元素的一種特殊性質，與采用哪一種鈾化合物無關。鈾及其化合物終年累月地發出鈾射線，純鈾所產生的鈾射線比硫酸鈾酰鉀強三至四倍。鈾射線是自然產生的，不是任何外界原因造成的（光照、加熱、陰極射線激發等不需要），所以既與熒光無關，也

和Ｘ射線不同。鈾射線能穿透過黑紙使照相底片感光，能使空氣電離，使驗電器放電，這些性質與Ｘ射線相同。但它的穿透能力不如Ｘ射線，它不能穿透肌肉和木板。

鈾射線的發現，立即引起科學界的極大興趣。當時在巴黎大學攻讀博士學位的居里夫人，即瑪麗·斯克洛多芙斯卡（Sklodowska,M.1867-1934），決定選擇鈾射線的本質和來源問題作為自己的博士論文題目。１８９７年她開始研究。要深入研究鈾射線的本質，首先要有一臺能精確測量鈾射線強度的儀器。瑪麗的丈夫、法國物理學教授居里（Curie,P.1859-1906）設計了一個靈敏而簡易的鈾射線檢驗器 。經過幾周的研究，瑪麗先弄清楚了鈾射線的強度與試樣中鈾的濃度成正比，而與含鈾化合物的化學組成無關，也不受外界光照和溫度起落的影響。由此可以確認這種輻射是鈾原子一種特性。１８９８年，她和德國人施米特（Schmidt,G.C.1856-1949）分別發現釷元素也具有這種性質，表明這種性質并非鈾元素所獨有 。于是瑪麗建議把這種性質叫做“放射線”，把具有放射線的元素如鈾和釷叫做“放射性元素”。

三、放射性元素釙和鐳的發現

居里夫人對很多種礦物標本逐個檢驗有無放射性。檢驗了幾百種物質，都沒有放射性。但當她檢驗到一種瀝青鈾礦和一種銅鈾云母礦時，發現它們有很強的放射性，其強度比根據其中鈾或釷的含量所預計的強度大得多。她又根據天然銅鈾云母礦精確分析得到的組成，自己合成了銅鈾云母，發現天然銅鈾云母的放射性是人工合成試樣的４．５倍。這兩種礦物的異常的放射性，只能解釋為其中含有某種含量很少但比鈾和釷的放射性強得多的新元素。

１８９６年６月，居里夫婦開始合作搜索這種新元素。他們先到瀝青鈾礦中去找。他們把這種礦石分解后，用系統的化學分析程序把其中的各種元素按組一組一組逐步分開。每經過一步分離，就測定兩部分的放射線，根據溶液和沉淀有無放射性或放射性的大小來確定新元素在哪一部分中。經過幾次淘汰搜索的范圍逐步縮小，最后他們發現在瀝青鈾礦中有兩種而不是一種新的放射性元素。１８９８年７月他們根據放射性證實了一種新放射性元素的存在，當時他們還只得到了一點富集了這種新元素的硫化鉍，它的放射性遠比金屬鈾的放射性大得多。要知道在瀝青鈾礦中這種新元素的含量只有一億分之一，用一般的化學方法把它富集起來是何等艱巨啊！瑪麗為這個新元素命名為“Polonium”（釙），這是為了紀念她的祖國波蘭。五個月后，居里夫婦又根據放射性發現了另一種新的放射性元素，它已富集在氯化鋇結晶里。這種混有新元素的晶體比金屬鈾的放射性竟大九百倍。居里夫婦給該元素命名為“Radium”（鐳），意思是“賦予放射性的物質”。釙富集在硫化鉍沉淀中，鐳富集在氯化鋇晶體中，這說明它們的化學性質分別很象鉍和鋇，而與鈾相差很遠。但是，這時居里夫婦還沒有得到一點點純的鐳或釙的化合物。他們決定下一階段的工作是從瀝青鈾礦制取純的鐳化合物。他們估計從瀝青鈾礦中提取了鈾以后釙和鐳可能原封不動地存留在廢礦渣中，因為釙和鐳的化學性質與鈾相差很遠。于是他們便從奧地利處理瀝青鈾礦的國營礦場買到了便宜的廢礦渣。從１８９９年到１９０２年底，居里夫婦在物理學校的礦爛工棚里艱苦地工作了４５個月，一公斤一公斤地處理了兩噸廢礦渣。經過幾百萬次的溶解、沉淀和結晶等提煉工作，終于得到僅僅１００毫克的光說純氯化鐳。它的放射性強大得令人吃驚，竟是鈾鹽的二百萬倍！把它放在玻璃瓶里，玻璃瓶就放出紫色的熒光，它也能使金剛石、紅寶石、螢石、硫化鋅、鉑氰化鋇等發出磷光。

他們對鐳的原子量進行了初步測定，大約是２２５，從而確定了它在周期表中處于ⅡＡ族鋇的下面。

１９０３年６月２５日，３６歲的瑪麗·居里夫人在巴黎大學通過了博士論文答辨，論文題目是《放射性物質的研究》。這年１１月，英國皇家學會授予居里夫婦載維金質獎章。１２月１０日居里夫婦和貝克勒一道榮獲這一年的諾貝爾物理學獎，分享獎金。

１９１０年，居里夫人和法國化學家德比爾納（Debierne,A.1874-1949）合作，通過電解氯化鐳取得了金屬鐳，研究了它的性質。１９１１年，居里夫人獲得了諾貝爾化學獎。全世界只有為數極少的幾位科學家兩次獲得諾貝爾獎，居里夫人是其中唯一的女科學家。

瑪麗·斯克洛多芙斯卡１８６７年１１月７日出生沙俄統治下的華沙，當時波蘭已經亡國一百多年了。她少年時就有強烈的愛國思想，在青年時代又愛上了科學，決心要以科學振興祖國，為波蘭爭光。她于１８９１年來到巴黎求學，先后以優異的成績獲得數學和物理學碩士學位，１８９５年與已是物理學教授的居里結婚，結成了一對后來非常著名的科學伴侶。從１８９８年６月起居里決定和瑪麗合作共同探索瀝青鈾礦中的新的放射性元素，他們的親密合作一直持續了八年。１９０６一天居里在大街上被載重馬車撞倒，車輪奪去了他的生命。居里夫人悲痛欲絕，幾乎神經失常。經過長期療養后剛剛康復，她就以驚人的毅力，不僅擔負起撫養兩個女兒的家庭重擔，承擔了居里在巴黎大學的教授席位，而且為放射科學的建立和發展又作出了重大貢獻，從而獲得了１９１１年諾貝爾化學獎。鐳的發現在科學界引發了一場革命，居里夫婦的工作是原子能應用研究的開

端。但居里夫人不僅是有重大貢獻的科學家之一，而且是一位高尚無私的人。當時鐳的價格十分昂貴，但居里夫人甘于過著簡樸的生活，她毫無保留地公布了鐳的提煉方法，沒有申請專利。正如她所說“鐳不應該使任何人發財，鐳是化學元素，應該屬于大家”。她所獲得的巨額獎金，也幾乎全部用于接濟窮苦的學生，或支援了科學團體。１９３４年７月４日，居里夫人在長期患惡性貧血白血病后與世長辭。醫生的證明是：“奪去居里夫人生命的真正罪人是鐳”。她把自己的一生獻給了科學事業。

四、α、β、γ三種射線的發現

居里夫婦曾發現，鐳發出的射線有兩種。１８９８年，出生于新西蘭在劍橋大學卡文迪許實驗室工作的青年物理學家盧瑟福（Rutherford,E.1871-1937）開始投入放射性的研究工作。他用強磁鐵使鈾射線偏轉，發現射線分為方向相反的兩股，這表明它至少包含有兩種不同的射線，一種非常容易被吸收，稱為α射線；另一種具有較強的穿透力，稱為β射線。１９００年法國人維拉德（Villard,P.1860-1934）觀察到 ，鐳除了上面兩種射線之外，還存在著第三種射線，它不受磁場的影響，與Ｘ射線非常類似。在此之前，盧瑟福已于１８９８年發現一種比α和β射線穿透力更大的射線存在，這就是維拉德１９００年所確認的這種射線。后來盧瑟福把它稱為γ射線，并于１９１４年確定了它是一種波長比Ｘ射線更短的電磁波。貝克勒１８９９年發現β射線在磁場中偏轉的方向與陰級射線相同。居里夫人證明它荷負電。１９００年貝克勒測定了它的荷質比，確認β射線就是電子流。為了揭示α射線的本質，盧瑟福作了多年的努力。１９０２年，他用強磁場使射線發生的偏轉，證明了它是帶正電荷的粒子流，這種

粒子被稱為α粒子。１９０６年他測定了α粒子的荷質比，證明它的數量級與氫或氦離子相同，但當時的實驗精度還不能分辨出它帶一個還是兩個電荷。１９０７年盧瑟福到英國曼徹斯特大學任教授后，和年輕的德國物理學家蓋革（Geiger,H.1882-1945)一起工作 ，利用他發明的計數管和克魯克斯創造的閃爍計數法，計數了一克鐳一秒鐘內放出的α粒子數，測量了從鐳源得到的總電量，從而計算出每個α粒子帶有兩個單位電荷。盧瑟福由此推測出α粒子是帶有兩個正電荷的氦離子。盧瑟福又和合作者拍攝了α粒子的光譜線，證明它和氦的光譜線一樣，由此判定，α粒子是氦離子。

原子核和原子有核結構的發現

電子發現以后，人們普遍認識到電子是一切元素的原子的基本組成部分。但通常情況下原子是呈電中性的，這表明原子中還有與電子的電荷等量的正電荷，所以，研究原子的結構首先要解決原子中正負電荷怎樣分布的問題。從１９０１年起，各國科學家提出各種不同的原子模型。

一、湯姆遜的原子模型

第一個比較有影響的原子模型，是Ｊ．Ｊ．湯姆遜于１９０４年提出的“電子浸浮于均勻正電球”中的模型。他設想，原子中正電荷以均勻的密度連續地分布在整個原子中，原子中的電子則在正電荷與電子間的作用力以及電子與電子間的斥力的作用下浮游在球內。這種模型被俗稱為“葡萄干布丁模型”。湯姆遜還認為，不超過某一數目的電子將對稱地組成一個穩定的環或球殼；當電子的數目超過一定值時，多余電子組成新的殼層，隨著電子的增多將造成結構上的周期性。

因此他設想，元素性質的周期變化或許可用這種電子分布的殼層結構作出解釋。湯姆遜的原子模型很快地被進一步的實驗所否定，它不能解釋α射線的大角度散射現象。

二、α粒子散射實驗

盧瑟福從１９０４年到１９０６年６月，做了許多α射線通過不同厚度的空氣、云母片和金屬箔（如鋁箔）的實驗。英國物理學家Ｗ．Ｈ．布拉格（Bragg,W.H.1862-1942）在１９０４－１９０５年也做了這樣的實驗。他們發現 ，在此實驗中α射線速度減慢，而且徑跡偏斜了（即發生散射現象）。例如，通過云母的某些α射線，從它們原來的途徑約偏斜２°，發生了小角度散射。１９０６年冬，盧瑟福還認識到α粒子在某一臨界速度以上時能打入原子內部，由它的散射和所引起的原子內電場的反應可以探索原子內部結構。而且他還預見到可能會出現較大角度的散射。

１９０７－１９０８年間，在盧琴福指導下蓋革也進行了α粒子散射實驗研究，發現α粒子射入金屬箔時散射角與材料的厚度和原子量有關；又發現大多數粒子散射角度很小，但有少數α粒子偏角很大。盧瑟福敏銳地認識到精確地觀察大角度α粒子散射對于了解原子內部的電場和結構非常重要。在盧瑟福的指導下，蓋革和青年研究生馬斯頓（Marsden,E.1889-?）于１９０９年３月用鐳作放射源，進行α粒子穿射金屬箔（先后用了金箔和鉑箔）的實驗，精心測量數量極少的大角度散射粒子。結果發現約有八千分之一的入射α粒子發生大角度偏轉，偏轉角平均為90°，其中有的甚至反彈回來。α粒子的這種超過９０°的反常的散射現象，使盧琴福十分驚訝，雖然他事前對大角度散射做過一些推測。多年

以后，他在１９２５年的一次講演中曾講到１９０９年３月這次實驗后的心情。他說：“如果將一張金葉放在一束α射線的徑跡上，某些射線進入金的原子并被散射，那只是所期望的。但是，一種明顯而未料相想到的觀察是一些快速的α粒子的速度和能量之大，那是一張極其驚人的結果。……正好象一個炮手將一顆炮強射在一張紙上，而由于某種其他原因彈頭再彈回來一樣”。在盧琴福的指導下，蓋革和馬斯頓對實驗進行總結并寫成論文，交英國皇家學會發表。

三、盧琴福發現原子核，建立有核原子模型

蓋革和馬斯頓由于對自己的發現的意義了解不深，論文發表后又回到小角度散射實驗方面。盧琴福則不同，他１９０９年講學時談到大角度散射時說：“這一結果對于了解原子周圍或原子內部的電場強度，帶來了巨大光明。”又說：“原子處于一個強電場中的結論是不可避免的，否則α粒子通過象一個分子直徑這樣小的距離而改變方向是不可能的。”此后一二年內，盧瑟福以他敏銳的直覺和深邃的洞察力，緊緊抓住這個容易被人們忽略的反常現象，從原子內存在強電場的觀點，探索α粒子大角度散射的原因，從而發現了原子的有核結構。

１９１０年１２月，盧瑟福對大角度散射過程的受力關系進行計算，得出一個新的原子結構設想。經過反復思索、研究，于１９１１年４月下旬寫出論文《α和β粒子被物質散射和原子結構》，于５月發表。他認為α粒子是在同作為靶的金屬箔的原子一次碰撞中改變其方向的，因此原子中有一個體積很小、質量很大的帶正電荷的原子核，它對帶正電荷的α粒子的很強的排斥力使粒子發生大角度偏轉；原子核的體積很小，其直徑約為原子直徑的萬分之一至十萬分之一，核外是很大的空的空間，帶負電的、質量比核輕得多的電子在這個空間里繞核運動。

盧瑟福在論文中提出他的原子有核模型可從幾個方面驗證，蓋革和馬斯頓１９１２年所做的實驗證實了原子核的存在。１９１３年莫斯萊定律的發現以及１９１９年阿斯頓（Ast-on,F.W.1877-1945）用質譜儀測定各種元素的同位素進一步證實了盧琴福的原子模型。

但是，盧琴福原子模型由于同經典電磁理論存在著尖銳矛盾而遇到困難，所以發表后沒有很快引起國內外的重視。１９１３年玻爾把量子論用于原子，與盧琴福有核原子模型結合起來，使它發展成為盧琴福－玻爾原子模型，迅速受到各國科學界的高度重視，大大提高了盧琴福和玻爾的聲譽。從１８９８年發現鐳到１９１１年發現原子核和原子有核結構，出現了根本變革以往的原子論的劃時代科學碩果。原子有核結構的發現意味著原子物理學和核物理學的出現，也是現代結構化學即將誕生的前奏。

中學化學知識史述

第二章.氧─分子和原子

燃素學說對化學的影響

自有人類以來就有燃燒現象，但對燃燒的認識卻晚得多，至于有關燃燒的學說則更晚一些。我國古代的“五行說”的“金、木、水、火、土”中有火；古希臘“四元論”的“水、土、火、氣”中有火；古印度“四大說”的“地、水、火、風”中也有火。這些學說的建立者都認為火是構成萬物本源的一種元素。人們所以對火如此重視，因為很多物質燃燒時能產生火焰，有些物質燃燒后留下了少量的灰燼，其重量比原來的物質輕得多，似乎表明了在燃燒時損耗了一些東西；有些金屬燃燒后所得到的物質卻比原來的金屬重些，這些現象應該怎樣解釋呢？有的人把火看成熱和干兩種原性的化身；有的煉金術士和經院哲學家把火看成從物體中出來的神秘東西。英國化學家波義耳堅決反對這兩種說法。他認為火應該是一種實實在在的，由具有重量的“火微粒”所構成的物質元素。植物燃燒時它的極大部分變成火

素散失到空間，只留下同原物質本來具有的微不足道的灰燼。他把銅、鐵、鉛、錫等金屬置密閉的器中煅燒，其結果都是重量增加。他認為這些都是金屬燃燒時與火微粒結合變成比金屬更重的灰燼。由于波義耳只注意密閉器中金屬重量增加的一面，而忽視了考察與金屬密切接觸的空氣是否也發生了什么變化。為了說明這些現象，于是他提出了一個“火微粒”的概念。由于他在實驗上觀察的片面性，未能正確揭示燃燒現象的真實本質。

其后研究燃料現象比較突出的德國化學家施塔爾 （Sathl G.E.1660-1734）。他出生于德國的安斯巴赫，１６８４年獲得耶拿大學醫學學士學位，１６９４年任哈雷大學醫學和化學教授，１７１６年任柏林普魯士王的御醫。他研究了燃燒中的各種現象和各家觀點之后，于１７０３年系統地闡述了他提出的燃素學說。施塔爾認為，燃素充塞于天地之間，植物能從空氣中吸收燃素，動物又從植物中取得燃素，所以動植物中都含有大量的燃素。一切與燃燒有關的化學變化，都是由于物體吸收燃素和釋放燃素的過程。如金屬燃燒時，便有燃素逸出，金屬就變成金屬灰，可見金屬比金屬灰含有更多的復雜成分。如果金屬灰與燃素重新結合，就會再變成金屬。木炭、煙炱、油脂都是從植物中來的，植物又在空氣中吸收了燃素，因此它們都是富有燃素的物質。如果把木炭與金屬灰一起燃燒，金屬灰就可以吸收木炭的燃素，使金屬灰再變成金屬。這樣燃素學說不僅可以解釋許多燃燒現象，同時可以解釋冶金中的許多化學變化。不僅如此，當時還用燃素學說解釋許多非燃燒的化學變化。如金屬溶解于酸中，理解為酸奪取了金屬中的燃素。鐵置換溶液中的銅，理解為鐵中的燃素轉移到銅的緣故。燃素不僅是燃燒的要素，還是金屬的性質，物體的顏色、氣味等的根源。

燃素學說在當時幾乎用來解釋所有的化學現象，因而獲得了許多化學家的贊同與支持，從而取代了煉金術家在化學上的統治地位。燃素學說是歷史的必然產物，而且在化學發展史上起了積極的作用。其功績主要在于把化學現象作了比較統一的解釋，因而在化學研究領域起著支配作用長達一百年。由于燃素學說沒有確切的科學依據，是從化學現象中臆造的一種實際上不存在的燃素，因而經不起化學發展的長期檢驗。隨著科學的發展，它的問題也暴露出來了。金屬燃燒增加重量與有機物燃燒減輕重量這兩種矛盾現象，燃素學說盡管臆造了一些“正重量”和“負重量”來解釋，仍不能自圓其說，更不能找到科學事實證明燃素的存在。由于對化學現象的解釋沒有科學的真實性，因而逐漸成為化學發展的障礙。１８世紀人們發現了氧氣，揭示了燃燒現象的本質，燃素學說也就為人們所拋棄了。

普利斯特里發現氧而不認識氧

１７世紀中葉以前，人們對空氣的認識還很模糊，多數研究者認為只有一種氣體，空氣是唯一的氣體元素。到了１８世紀，通過對燃燒和呼吸的研究，才開始認識到氣體是多種多樣的，而且陸續發現了碳酸氣、氫氣、氯氣、氮氣和氧氣等。但這些氣體的發現是很不容易的，就以氧氣來說，其發現過程非常曲折。波義耳曾經研究過空氣的性質，對火焰和空氣的實驗作過這樣的描述：在一個抽掉空氣的容器中，將硫磺灑在一塊燒紅的鐵板上，硫磺只會冒煙而不能燃燒，但在有空氣的容器中硫磺能燃燒而產生藍色火焰。他還從蠟燭和氫氣的燃燒現象發現，燃燒是不能沒有空氣的。雖然證明了燃燒不能沒有空氣，但并沒有發現其中起作用的是氧氣。

１８世紀下半葉，英國著名化學家普利斯特里（Priestly,J.1733-1804），很喜歡閱讀有關燃素學說的化學書籍，也喜歡研究氣體。２８歲開始寫書，３１歲寫成《電學史》。由于這本書的出版，他在１７６６年當選為英國皇家學會的會員。

４１歲他到巴黎，和著名化學家拉瓦錫進行了學術交流。在法國大革命時期，他支持革命，宣傳革命，被一批反對革命的人燃毀了他的住宅和實驗室。他不得已遷居倫敦，仍然受到歧視，在６１歲時移居美國。他到美國受到政府和科學界的歡迎，成為美國的公民。普利斯特里在美國的住宅 ，至今仍然是科學界所瞻仰的名勝古跡。

普利斯特里研究氣體的貢獻很大，制出了氧化氮、二氧化硫、氯化氫、氨氣，第一次分離出一氧化碳，并對許多有機酸也進行了研究。由于他研究氣體的貢獻很突出，被化學界稱為“氣體化學之父”。

普利斯特里研究氧氣的故事卻是很有趣的。１７７４年他得到一個大凸透鏡，于是用這個透鏡聚光對汞鍛灰（氧化汞）加熱，發現很快產生了氣體。他用排水集氣法收集了這種氣體，蠟燭在它里面能劇烈燃燒。他還作了這樣一段實驗記錄：“我把老鼠放在‘脫燃素氣’里，發現它們過得非常舒服后，又親自加以實驗，我想讀者是不會覺得驚異的。我自己實驗時，是用玻璃吸管從放滿這種氣體的大瓶里吸取的。當時我的肺部所得的感覺，和平時吸入普通空氣一樣；但自從吸過這種氣體以后經過很多時候，身心一直覺得十分輕快適暢。有誰能說這種氣體將來不會變成通用品呢？不過現在只有兩只老鼠和我，才有享受呼吸這種氣體的權利罷了。”其實他所發現的就是重要的化學元素氧。遺憾的是，由于他深信燃素

學說，因而認為這種氣體不會燃燒，所以有特別強的吸收燃素的能力，只能夠助燃。因此，他把這種氣體稱為“脫燃素空氣”，把氮氣稱為“被燃素飽和了的空氣”。

１７７３年左右，瑞典化學家舍勒（Scheele,C.W.1742-1786），用兩種不同的方法制得了他稱之為“火氣”的氣體，并用實驗證明空氣中也存在著“火氣”。他所制取的火氣實際就是氧氣，發現時間比普利斯特里發現氧還早一年。同樣令人遺憾的，舍勒也是燃素學說的堅信者，他認為火是火氣與燃素生成的化合物。可見普利斯特里和舍勒雖然都獨立地制得了氧氣，卻不能認識氧氣。正如恩格斯所指出的，由于他們被傳統的燃素學說所束縛，“從歪曲的、片面的、錯誤的前提出發，循著錯誤的、彎曲的、不可靠的途徑進行探索，往往當正確的東西碰到他鼻尖上的時候他還是沒有得到正確的東西”。

化學革命家──拉瓦錫

法國化學家拉瓦錫（Laroisier,A.L.1743-1794），出生于法國巴黎富裕的律師家庭。他５歲喪母，在姨母照料下生活，１１歲進入當時巴黎著名的馬沙蘭學校，以后升入法政大學，２１歲取得律師資格。他的家庭希望他繼承父業，然而他對天文、數學、植物、礦物、化學等自然科學卻有深厚的興趣。１７６５年法國科學院以重獎征求一種使路燈既明亮又經濟的設計議案２２歲的拉瓦錫勇敢地參加了競賽。他的設計被評為優秀方案，榮獲國王頒發的金質獎章。這項活動給年輕的拉瓦錫以極大的鼓勵，使他決心投入科學研究的事業。由于他不斷地獲得研究成果，展示了出眾的才華，于１７６８年受命為法國皇家科學院的副會員，１０年后成為１８名正式會員之一，又任７年科學院的秘書長，實際上是科學院

的負責人。很不幸，因包稅事件，被判處死刑。１７９４年８月８日法國把自己偉大的化學家拉瓦錫處死了，世界失去了一位人類最杰出的科學家。

拉瓦錫作出的科學貢獻很多，其中最突出的是掀起了一場化學革命，推翻了統治化學界百年之久的燃素學說，１７７２年，拉瓦錫當選為科學院院士后，主要思考的問題是燃燒的本質。窨燃燒是怎么一回事？不僅他這樣想，許多其他化學家也都感到燃素學說不能解釋燃燒過程。為了研究這個問題拉瓦錫常跟其他化學家開展了熱烈的討論。在一個寒冷的晚上，他同實驗室的同事馬凱爾和卡德一起研究。這兩位同事說了，他們在高溫下灼燒金剛石的實驗。按一般情況物質燃燒后總有一點

灰渣，可以金剛石灼燒后卻沒有任何灰渣，完全消失得無影無蹤了。為什么會出現這樣奇異的現象呢？他們討論認為，因為加熱是在空氣中進行的，空氣不會產生影響。如果在隔絕空氣的情況下灼燒金剛石，又會產生什么現象呢？第二天，拉瓦錫帶來了幾塊金剛石，涂上一層厚厚的石墨稠膏用來隔絕空氣。然后把小黑球加熱燒到通紅，而且發出了光。待小黑球冷卻幾小時后，剝掉涂料，金剛石仍然是完整的。拉瓦錫推測：“金剛石消失的神秘現象竟然與空氣有關。也許它們是跟空氣結合在一起的？”對拉瓦錫來說這一發現是不尋常的，以致所有其他的問題都退居次要地位了。

拉瓦錫立刻著手研究磷和硫的燃燒，成功地收集了磷燃燒冒出的全部白煙，并稱量出它比原來的磷重。拉瓦錫判斷，磷與空氣化合了。它們是怎樣化合的呢？于是設計了這樣的實驗。在密閉的器皿里燃燒磷，并稱出有關各物質的重量。他把裝有磷的小盤子放在水面的軟木座上，用燒紅的金屬絲點燃磷，迅速用玻璃把

它罩上。白色濃煙充裝了玻璃罩，然后就熄滅了，水在罩內開始上升，過一會兒，水位就停止上升了。拉瓦錫認為，可能用的磷少了，不能跟罩內的空氣全部化合。于是他用更多的磷作了十幾次實驗，水位上升的高度都相同。他想，“磷僅僅與五分之一的空氣化合，難道空氣是復雜的混合物嗎？”拉瓦錫研究硫的燃燒，硫也只能同五分之一的空氣化合。１７７４年，拉瓦錫作了著名的金屬鍛煉實驗：他將錫和鉛分別密封在曲頸瓶中，在加熱前后都精確地稱量，發現瓶和鍛灰的總重量并未改變。

當他把瓶子打開后，發現有空氣沖進瓶內，這時的瓶和鍛灰的總重量增加了。空氣進入瓶內增加的重量與金屬變成鍛灰增加的重量正好相等。拉瓦錫根據這些實驗，對燃素學說產生了懷疑，并指出金屬鍛灰的增重與燃素無關，而是由金屬與空氣化合的緣故。

就在這年的１０月，普利斯特里訪問巴黎，向拉瓦錫介紹了他用凸透境加熱汞鍛灰發現了一種脫燃素空氣。拉瓦錫立刻重做了普利斯特里的實驗，證實了加熱汞鍛灰時逸出的氣體重量與汞鍛煉成鍛灰所增加的重量相等。這是拉瓦錫用來推翻燃素學說最有力的證據。后來他做了大量的燃燒實驗都說明燃素是不存在的。１７７７年他接受其他化學家的見解，確認空氣是兩種氣體的混合物。一種是能助燃的、有助于呼吸的氧氣；另一種是不助燃的、無助于生命的氮氣。１７８９年，拉瓦錫出版了他的名著《化學綱要》，以大量的實驗事實為根據，系統地、全面地批判了燃素學說，系統地闡明了燃燒的氧化學說。

氧化學說的要點：（１）物質燃燒時放出光和熱；（２）物質在氧存在時才能燃燒；（３）物質在空氣中燃燒時吸收其中的氧，燃燒后增加的重量恰等于吸

收的氧；（４）一般可燃物（非金屬）燃燒后變為酸，金屬燃燒后變為灰渣即金屬氧化物。這個以氧為中心的理論簡明地把燃素學說所不能解決的問題解決了，把燃素學說誤解的問題也糾正了，使人們能夠按照燃燒的本來面目掌握燃燒的規律。燃燒的氧化學說的建立，著名化學家武茲和貝特羅都把它稱為一場全面的化學革命。拉瓦錫著的《化學綱要》、牛頓著的《自然哲學的數學原理》和達爾文著的《物種起源》被人們稱為世界自然科學的三大名著。

拉瓦錫的科學方法

為什么拉瓦錫研究化學的業績，人們尊稱之為化學革命呢？這不僅僅在于他認識了氧氣，否定了燃素的存在，而在于化學觀念的根本變革，從整體推倒了舊的理論體系而建立了新的理論體系。正如恩格斯所說，拉瓦錫“使過去在燃素說形式上倒立著的全部化學正立過來”。拉瓦錫之所以能做出這樣偉大的功績，是同他的研究方法分不開的。他在研究化學方法上所作的貢獻，是他化學革命的一部分、并不亞于他在化學理論方面的成就。所以他的科學方法，至今對科學研究和教學仍然具有指導作用。

一、重視實驗而且作了定量要求

拉瓦錫研究科學的名言是，“不靠猜想，而要根據事實”。他認為實踐是認識的基礎，沒有充分的實驗根據，不能推導出嚴格的定律。他說：“在任何情況下，都應該使我們的推理受到實驗的檢驗，除了通過實驗和觀察的自然道路去尋求真理之外，別無他途。”他對待任何化學問題，都要用實驗來檢驗。關于金屬在空氣中鍛煉變成灰渣，其重量增加的解釋問題。著名化學家波義耳提出“火微粒”的

假說，認為金屬灰渣重量的增加，來自增加了具有重量的火微粒。可是，拉瓦錫對此并未主觀地予以否定，而是用實驗來檢驗，然后作出結論。古希臘哲學家提出水轉為土的古老論點，曾經獲得權威人士海爾蒙特和波義耳的支持。拉瓦錫并沒有盲目輕信，而是通過他親自操作的１０１天加熱水的實驗，證明了水不能轉變成土。至于從水中得到的沉淀，實際上是容器被溶下來的固體物質，從而推翻了水變為土的說法。

拉瓦錫開始從事化學研究，就應用了精確的測量方法。他２１時做的一個實驗，就是定量地測定了石膏在加熱和冷卻過程中水分的變化。２４歲時，他在地質勘查活動中用自己設計的比重計研究法國各地的水的比重。關于燃素是否存在的問題，拉瓦錫認為假如有燃素這種東西，我們就能把它提取出來看看，而且在天平上一定能夠覺察出來。他用磷和硫分別作燃燒實驗，就是應用了定量測定方法證明了氧氣參加了變化。正是由于拉瓦錫采用了定量實驗，才能“把以前人們所做的一切實驗看作只是建議性質的”。因而他才敢于對已為人們所肯定的實驗予以檢驗，從而掀起了化學的革命。

二、善于應用科學史的分析方法

拉瓦錫同歷史上那些偉大的科學家一樣、善于應用科學史的分析方法來分析化學史中的問題。前面所提到的關于水可以轉變為土的否定，火微粒可以增加重量的否定，都可以看出拉瓦錫在這個方面的才能。至于推翻燃素學說的過程，更能說明他應用分析方法的效用。遠在普利斯特里發現氧氣以前，拉瓦錫就已經覺察到燃素學說有些問題。因為他從科學史的研究中認識到，燃燒可能不是燃素學說的支持者所說的那樣，是可燃物中析出了什么燃素，相反的可能是從空氣中吸

收了什么東西。為了弄清楚物體燃燒時空氣所起的作用，從研究化學史中發現，不同的研究者有不同的解釋，有的解釋甚至互相矛盾。這些史料啟發他找到了研究的課題，需要重復、改進別人的實驗以判斷其真偽，他曾在一篇日記中寫道：“當我研究所有從物質中所析出或與物質結合的空氣的全部歷史時，一些不同的解釋全部呈現。由于這項研究結果的重要性促使我擔任這項工作，這項研究最后可能導致物理學和化學的革命。我認為過去做的實驗僅供參考，有人建議我用新的方法重做這些實驗以便將空氣從物體中析出或與物體結合的知識同其他知識融合，以形成一項新的理論。”這充分說明了拉瓦錫推倒燃素學說并非偶然的，而是長期確定的革命對象。

三、應用以量求質的研究方法

化學實驗中應用天癥做定量研究的，在拉瓦錫以前的波義耳、普利斯特里、凱文迪旭等著名的化學家就開始了。但拉瓦錫卻跟他們有些不同，他不單是用以測定物質的重量、密度、體積和成分等數量，而是應用以量求質的方法研究以應的實質。非金屬燃燒究竟是增加重量還是減少重量？鍛煉金屬增加的重量是從哪里來的？類似這樣的一些問題，如果用燃素學說的定性解釋是不能回答的。拉瓦錫應用以量求質的方法則可以解釋這些問題。如通過硫和磷燃燒的定量研究，就能揭示出非金屬燃燒的產物同金屬鍛燒的產物一樣都是增加重量，它們之所以增加重量都是由于氧氣同它們結合在一起了。拉瓦錫深信“必須用天平進行精確測定來確定真理”。

在化學研究中的以量求質，是從單純研究物質性質向前發展的一個高的層次。因此以量求質的研究方法也是拉瓦錫進行化學革命能夠取得勝利的一個重要

因素，也是推勸化學發展的一個重要的科學方法。所以人們評論拉瓦錫說，“他是一個明確提出把量作為衡量尺度對化學現象進行實驗證明的第一個化學家”。

氮氣和稀有氣體的發現

一、氮氣的發現

氮氣在大氣中雖多于氧氣，由于它的性質不活潑，所以人們在認識氧氣之后才認識氮氣的。不過它的發現卻早于氧氣。１７５５年英國化學家布拉克（Black,J.1728-1799）發現碳酸氣之后不久，發現木炭在玻璃罩內燃燒后所生成的碳酸氣，即使用苛性鉀溶液吸收后仍然有較大量的空氣剩下來。后來他的學生Ｄ·盧瑟福（Rutherford,D.1749-1819）繼續用動物做實驗，把老鼠放進封閉的玻璃罩里直至其死后，發現玻璃罩中空氣體積減少１／１０；若將剩余的氣體再用苛性鉀溶液吸收，則會繼續減少１／１１的體積。Ｄ·盧瑟福發現老鼠不能生存的空氣里燃燒蠟燭，仍然可以見到微弱的燭光；待蠟燭熄滅后，往其中放入少量的磷，磷仍能燃燒一會，對除掉空氣中的助燃氣來說，效果是好的。把磷燃燒后剩余的氣體進行研究，Ｄ·盧瑟福發現這氣體不能維持生命，具有滅火性質，也不溶于苛性鉀溶洲，因此命名為“濁氣”或“毒氣”。在同一年，普利斯特里作類似的燃燒實驗，發現使１／５的空氣變為碳酸氣，用石灰水吸收后的氣體不助燃也不助呼吸。由于他同Ｄ·盧瑟福都是深信燃素學說的，因此他們把剩下來的氣體叫做“被燃素飽和了的空氣”。

１７７２年化學家舍勒也從事這一研究。他用硫肝（硫酸與鐵粉的混合物）吸收空氣中的助燃氣而取得了氮氣。經實驗得出這樣的結論：這種氣體較空氣輕；

能滅火，頗似碳酸氣，其效力沒有碳酸氣顯著。他是第一個認為氮氣是空氣成為之一的人。只要把空氣中的助燃氣吸收，就能制得較純的氮氣。“氮”這個名字，是后來拉瓦錫給它取的，意思是無益于生命。

二、稀有氣體的發現

大約氮氣發現的百年之后，英國化學家瑞利（Rayleigh,J.W.S.1842-1919），一方面從空氣中除掉氧氣、二氧化碳、水蒸氣得到氮氣；另一方面從氮化物分解制得氮氣。他把這兩種來源不同的氮氣進行比較，發現在正常狀態下前者的密度是１．２５７２克／升，后者的密度是１．２５０８克／升，為什么空氣中的氮氣密度要大些呢？是不是其中還有較重的不活潑氣體？英國化學家萊姆大塞（Ramsay,W.1852-1916）用燃燒的鎂與空氣中的氮氣作用，以除去空氣中的氮，結果剩下少量的稀有氣體。經光譜檢驗，證明是一種新的氣體元素叫做氬。后幾年他用分級蒸餾法，從粗制的氬中分離出其它三種稀有氣體──氖、氪、氙。１８９５年，萊姆塞用硫酸處理瀝青油礦，產生一種氣體，用光譜鑒定為氦。由于他先后發現氦、氖、氪、氬、氙，獲得了１９０４年諾貝爾化學獎。

從原子的哲學觀念到科學概念

一、古希臘的原子觀念

關于物質本源的看法，古代哲學家有各種不同的觀點。而為后人所推崇的要算古希臘唯物主義哲學家留基伯（公元前５００－４００年）和他的學生德謨克利特（公元前４６０－３７０年），共同創立了哲學的原子論。其所以能形成正確的原子觀念，在于他們善于觀察現象，善于分析現象，善于抽象概括。看到屋

檐滴水的時間長了就會滴穿石頭，手上的戒指帶的時間久了就會變薄，鐵犁耕地多了就會磨損，銅像的手跟人握的次數多了就會變小。這些東西是怎樣損耗的呢？他們分析思考之后認為，這些損耗雖然人們看不見，也感覺不到，但可以肯定是一點點地損耗的。所說的這一點無疑極小極小，小到人們無法看見，也無法感覺。盡管看不見，感覺不到，但可以判斷它們是由極小的粒子構成的，否則這些現象就很難解釋。既然這些東西是由極小的粒子構成的，由此可以推知自然界所有的物質都是由極小的粒子構成的。他們觀察到太陽光射進屋子里的時候，可以看到許多小粒子（塵埃）以各種運動的形式活躍于光亮的房間，好象打仗似的，互相沖撞，互相追逐，時聚時散，永不休止。他們根據這些現象思考，并作出推論：構成物質的粒子不是靜止的而是運動的。為了說明這個觀點，他們講了一個很有意義的比喻：大群白羊在山上爭吃青草，奔跑跳躍，嬉戲角逐。如果我們遠遠地觀看，就好象一座萬分沉靜的青山，點綴著許多小小的白點。我們看見整塊的物質是靜止的，其實構成物質的粒子正象青山上的羊群是極其活躍的。德謨克利特等哲學家把這些看不見的、運動著的粒子叫做原子，這是唯物論哲學家最早提出的原子觀念。盡管水滴石穿、銅手變小、戒指變薄、鐵犁磨損等現象，表面上都是互不相關的，風馬牛不相及的現象，德謨克利特卻銳敏地把這些現象集中起來，概括出一個能反映事物本質的共同問題作為思考的對象，因而能得出正確的結論。這個分析推理的過程，無論對研究或學習都具有指導意義。

二、近代化學之父──道爾頓

英國化學家道爾頓（Dalton,J.1766-1844），出生于英國西部一個文化極其落后的農村，父親務農，子女６人，家境相當貧困。因此，道爾頓從１２歲開始

辦私塾，以幫助家庭。他１５歲應附近城市寄宿學校之約擔任助理教員。從此，他走上了邊教學、邊自學、邊研究、邊寫作的道路，一直走了６０年。道爾頓終身過著單身生活，沒有結婚。他自己說沒有時間交女友、談戀愛。他不僅幼年時過著貧窮的日子，在享有盛名后經濟仍不富裕。到１８３３年，由于科學界的呼吁，英國政府才給他養老金。１８５３年曼切斯特市舉行了一次市政集會，捐了一大筆錢，在曼徹斯特大學設立了道爾頓獎學金，鼓勵學習化學成績優秀的青年。

１７８１年秋，道爾頓到肯代爾城當教師，學校撥給他一間陳設很簡陋的住房，可是他卻覺得象住在皇宮里一樣了。該校圖書館藏書豐富，是道爾頓學習很好的條件。他一方面博覽群書，一方面研究自己喜愛的氣象觀測。他認為自然界不解之謎還很多哩，應該探索打開自然界奧秘之門的鑰匙。從什么地方入手呢？從物理學、醫學、化學，還是從氣象入手呢？當正在思考的時候，大紅公雞站在木板墻上喔喔地大聲啼叫，驚人準確的預報著下雨或風暴。對此道爾頓很苦惱，為什么公雞能預報天氣而我們卻不能呢？他把多年精心收集的氣象資料進行研究，對空氣的溫度和壓力進行分析比較，試圖探索氣候的秘密。為此，他決心去肯代爾城拜訪一位有名的約翰·豪夫先生。“你是豪夫先生嗎？”道爾頓走進房內很有禮貌地問道。

“是我”。豪夫先生回答。但仍然背著道爾頓坐著，只能看見他那波浪似的垂肩白發。“請你走近些，把手伸給我。你是誰？”

“道爾頓，教友學校的數學老師。”道爾頓把手伸向豪夫，才發現他原來是個盲人。