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化学 1808

化学哲学新体系

约翰·道尔顿

物质即原子——每种元素各有定重,只以整数比相结合。

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In depth · the introduction

用两种不同的方式去烧碳,与它结合的氧,竟以一个可疑地整齐的比例出现——恰好是一比二。道尔顿看出了缘由:物质,是一份份可以数的。

核心想法

道尔顿的主张是:万物都由原子构成——一种微小、不可打破的粒子。每一种元素(氧、碳、金)都只由一种原子组成,彼此完全相同;不同的元素,原子的重量也不同。当元素结合成化合物时,它们的原子以固定的整数群相连:一比一、一比二、二比三——绝不会是一个半。

最后这一点,正是可以检验的。如果原子是真实的、且只以整数相连,那么当两种元素生成好几种不同的化合物时,相结合的量就应当一阶一阶地跳。它们确实如此——而这种规整,正是物质「有颗粒、不平滑」的有力证据。

它是如何诞生的

约翰·道尔顿是曼彻斯特的一位贵格会教师,几乎全靠自学,连续五十七年记着每日的气象日记。他是色盲,也是第一个描述这种情形的人——至今这仍被称作「道尔顿症」。在研究气体如何混合、如何溶解时,他被迫把气体想象成一群群重量不同的粒子,并由此走向一套关于物质的总体理论。

1803 年,他发表了第一张原子量表;1808 年,又在这本书里铺陈出完整的体系。作为一个没有大学教职的外省局外人,他给了化学一副定量的骨架,欧洲那些大实验室将在此后一个世纪里,在它之上继续构筑。

它为何重要

道尔顿把化学,从一门关于性质与亲和力的手艺,变成了一门定量的科学。原子量、化学式、配平的方程式——现代化学的整套语法——都从这里开始。半个世纪后,门捷列夫将把元素按原子量排开,找出周期表;而那之后的一切,都立在道尔顿「为原子称重」这一决定之上。

一个可以想象的画面

想想硬币形式的钱。你可以付一便士、两便士,却付不出一个半便士——硬币不会裂开。原子就是这样:一种化合物只取整个的原子,绝不取零头。所以当你称量相结合的量时,结果总是干净的比例——一枚、两枚、三枚——这正是道尔顿在氮与碳的氧化物中找到的指纹。

一个可交互的演示:按钮选择「氮与氧」或「碳与氧」,滑块逐一切换它们生成的化合物,每种都以道尔顿的圆圈原子画出。一条数轴显示与固定量的基准元素相结合的氧有多少;每一种化合物都落在整数的台阶上(氮的氧化物为 1、2、3、4、5;碳的氧化物为 1、2),于是标记排成一道整齐的阶梯。

它的位置

原子的念头是古老的——希腊的哲人在两千四百年前就已猜到——但在道尔顿让它有了重量之前,那始终只是纯粹的思辨。他的书,立在拉瓦锡「质量守恒」与普鲁斯特「定比」这两条定律之上,又为门捷列夫的周期表埋下伏笔。在本馆中,它是一条长线的种子:玻尔兹曼(1877)后来会把热与气体,解释为这些原子的统计;而卢瑟福(1911)则会把道尔顿那「不可分割」的原子撬开,在里面找到一个核。

The original document
Original source text

无法被创造或毁灭之物

J. Dalton · A New System of Chemical Philosophy · Vol. I, Part I · 1808 · ch. III, p. 212
Chemical analysis and synthesis go no farther than to the separation of particles one from another, and to their reunion. No new creation or destruction of matter is within the reach of chemical agency. We might as well attempt to introduce a new planet into the solar system, or to annihilate one already in existence, as to create or destroy a particle of hydrogen.
On why the atoms of any one substance must be identical
Therefore we may conclude that the ultimate particles of all homogeneous bodies are perfectly alike in weight, figure, &c. In other words, every particle of water is like every other particle of water; every particle of hydrogen is like every other particle of hydrogen, &c.

原子如何结合

On the rules for inferring how many atoms join in a compound
When only one combination of two bodies can be obtained, it must be presumed to be a binary one, unless some other cause appear to the contrary.
Further rules extend this to two, three and four compounds of the same elements — the “rule of greatest simplicity” by which Dalton inferred a formula, and hence a weight, for each compound.

为看不见之物称重

On the aim of the work — the relative weights of the ultimate particles
Now it is one great object of this work, to shew the importance and advantage of ascertaining the relative weights of the ultimate particles, both of simple and compound bodies, the number of simple elementary particles which constitute one compound particle, and the number of less compound particles which enter into the formation of one more compound particle.
Dalton appended a plate of circular symbols — ◯ for oxygen, a barred circle for azote (nitrogen), a filled disc for carbon — the ancestor of the chemical formula. Several of his weights were wrong (he wrote water as one hydrogen to one oxygen), but the method of weighing atoms was right.
J. Dalton · Manchester · 1808