阿莫迪欧·阿伏伽德罗

阿梅代奥·阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro，1776年－1856年），意大利化学家，生于都灵。全名Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregua。1811年发表了阿伏伽德罗假说，也就是今日的阿伏伽德罗定律，并提出分子概念及原子、分子区别等重要化学问题。阿伏伽德罗出生于意大利西北部皮埃蒙特区的首府都灵，是当地的显赫家族，阿伏伽德罗的父亲菲立波，曾担任撒伏以王国的最高法院法官。父亲对他有很高的期望。阿伏伽德罗勉强地读完中学，进入都灵大学读法律系，成绩突飞猛进，1796年获博士学位。阿伏伽德罗30岁时，对研究物理产生兴趣。后来他到乡下的一所职业学校教书，1815年1月与马西亚结婚。1832年，出版了四大册理论物理学，其中写下有名的假设：“在相同的物理条件下，相同体积的气体，含有相同数目的分子。”但未被当时的科学家接受。后来经坎尼札罗用实验论证，到1860年才获得公认。著名的阿伏伽德罗常数（NA=6.02214129±0.00000027×1023，一般计算时常取6.02×1023或6.022×1023为近似值）以他的姓氏命名。阿伏伽德罗的重大贡献，是他在1811年提出了一种分子假说:同体积的气体，在相同的温度和压力时，含有相同数目的分子。现在把这一假说称为阿伏伽德罗定律。这一假说是根据盖-吕萨克在1809年发表的气体化合体积定律加以发展而形成的。阿伏伽德罗在1811年的著作中写道：“盖-吕萨克在他的论文里曾经说，气体化合时，它们的体积成简单的比例。如果所得的产物也是气体的话，其体积也是简单的比例。这说明了在这些体积中所作用的分子数是基本相同的。由此必须承认，气体物质化合时，它们的分子数目是基本相同的。”阿伏伽德罗还反对当时流行的气体分子由单原子构成的观点，认为氮气、氧气、氢气都是由两个原子组成的气体分子。当时，化学界的权威瑞典化学家永斯·贝采利乌斯的电化学学说很盛行，在化学理论中占主导地位。电化学学说认为同种原子是不可能结合在一起的。因此，英、法、德国的科学家都不接受阿伏伽德罗的假说。一直到1860年，欧洲100多位化学家在德国的卡尔斯鲁厄举行学术讨论会，会上S.坎尼扎罗散发了一篇短文《化学哲学教程概要》，才重新提起阿伏伽德罗假说。这篇短文引起了J.L.迈尔的注意，他在1864年出版了《近代化学理论》一书，许多科学家从这本书里了解并接受了阿伏伽德罗假说。现在，阿伏伽德罗定律已为全世界科学家所公认。阿伏伽德罗数是摩尔物质所含的分子数，其数值是6.02×1023左右，是自然科学的重要的基本常数之一。定义：同温同压同体积的气体含有相同的分子数。推论：同温同压下，相同体积的任何气体含有相同的分子数，称为阿伏伽德罗定律。气体的体积是指所含分子占据的空间，通常条件下，气体分子间的平均距离约为分子直径的10倍，因此，当气体所含分子数确定后，气体的体积主要决定于分子间的平均距离而不是分子本身的大小。分子间的平均距离又决定于外界的温度和压强，当温度、压强相同时，任何气体分子间的平均距离几乎相等(气体分子间的作用微弱，可忽略)，故定律成立。该定律在有气体参加的化学反应、推断未知气体的分子式等方面有广泛的应用。阿伏伽德罗定律认为：在同温同压下，相同体积的气体含有相同数目的分子。1811年由意大利化学家阿伏伽德罗提出假说，后来被科学界所承认。这一定律揭示了气体反应的体积关系，用以说明气体分子的组成，为气体密度法测定气态物质的分子量提供了依据。对于原子分子说的建立，也起了一定的积极作用。阿伏伽德罗常数指摩尔微粒（可以是分子、原子、离子、电子等）所含的微粒的数目，符号表示为NA。阿伏伽德罗常量一般取值为6.022×1023/mol。12.000g12C中所含碳原子的数目，因意大利化学家阿伏伽德罗而得名，具体数值是6.02214129±0.00000027×1023。包含阿伏伽德罗常量个微粒的物质的量是1mol。它表示1摩尔的任何物质所含的分子数。它的内容是在同一温度、同一压强下，体积相同的任何气体所含的分子数都相等，这一定律是意大利物理学家阿佛加德多于1811年提出的，在19世纪，当它没有被科学界所确认和得到科学实验的验证之前，人们通常把它称为阿伏伽德罗的分子假说。假说得到科学的验证，被确认为科学的真理后，人们才称它为阿伏伽德罗定律。在验证中，人们证实在温度、压强都相同的情况下，1摩尔的任何气体所占的体积都相等。例如在0℃、压强为760mmHg时，1摩尔任何气体的体积都接近于22.4升，人们由此换算出：1摩尔任何物质都含有约6.022×1023个分子，这一常数被人们命名为阿伏伽德罗常量，以纪念这位杰出的科学家。例如1mol铁原子，质量为55.847g，其中含6.02×1023个铁原子；1mol水分子的质量为18.010g，其中含6.02×1023个水分子；1mol钠离子含6.02×1023个钠离子；1mol电子含6.02×1023个电子。由于NA在化学中极为重要，所以必须要测量它的精确值。这个常数可用很多种不同的方法进行测定，例如电化当量法，布朗运动法，油滴法，X射线衍射法，黑体辐射法，光散射法等。也可以通过测量晶体（如晶体硅）的晶胞参数求得。这些方法的理论根据各不相同，但结果却几乎一样，差异都在实验方法误差范围之内。这说明阿伏伽德罗常量是客观存在的重要数据。现在公认的数值就是取多种方法测定的平均值.由于实验值的不断更新，这个数值历年略有变化，在20世纪50年代公认的数值是6.023×1023，1986年修订为6.0221367×1023，2010年CODATA公布的最新数据则是6.02214129±0.00000027×1023。阿伏伽德罗在科学史上占据这样一个重要地位，那么他究竟是个什么样的人呢？从分子论的提出说起。就在英国化学家道尔顿正式发表科学原子论的第二年（1808年），法国化学家盖·吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现，参加同一反应的各种气体，在同温同压下，其体积成简单的整数比。这就是著名的气体化合体积实验定律，常称为盖·吕萨克定律。盖·吕萨克是很赞赏道尔顿的原子论的，于是将自己的化学实验结果与原子论相对照，他发现原子论认为化学反应中各种原子以简单数目相结合的观点可以由自己的实验而得到支持，于是他提出了一个新的假说：在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。他自认为这一假说是对道尔顿原子论的支持和发展，并为此而高兴。没料到，当道尔顿得知盖·吕萨克的这一假说后，立即公开表示反对。因为道尔顿在研究原子论的过程中，也曾作过这一假设后被他自己否定了。他认为不同元素的原子大小不会一样，其质量也不一样，因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。更何况还有一体积氧气和一体积氮气化合生成两体积的一氧化氮的实验事实（ N + O ⟶ 2 NO {displaystyle {ce {N +O -> 2NO}}} ）。若按盖·吕萨克的假说，n个氧和n个氮原子生成了2n个氧化氮复合原子，岂不成了一个氧化氮的复合原子由半个氧原子、半个氮原子结合而成？原子不能分，半个原子是不存在的，这是当时原子论的一个基本点。为此道尔顿当然要反对盖·吕萨克的假说，他甚至指责盖·吕萨克的实验有些靠不住。盖·吕萨克认为自己的实验是精确的，不能接受道尔顿的指责，于是双方展开了学术争论。他们俩人都是当时欧洲颇有名气的化学家，对他们之间的争论其他化学家没敢轻易表态，就连当时已很有威望的瑞典化学家贝采里乌斯也在私下表示，看不出他们争论的是与非。就在这时意大利一位名叫阿伏伽德罗的物理学教授对这场争论发生了浓厚的兴趣。他仔细地考察了盖·吕萨克和道尔顿的气体实验和他们的争执，发现了矛盾的焦点。1811年他写了一篇题为：“原子相对质量的测定方法及原子进入化合物的数目比例的确定”的论文，在文中他首先声明自己的观点来源于盖·吕萨克的气体实验事实，接着他明确地提出了分子的概念，认为单质或化合物在游离状态下能独立存在的最小质点称作分子，单质分子由多个原子组成，他修正了盖·吕萨克的假说，提出：“在同温同压下，相同体积的不同气体具有相同数目的分子。“原子”改为“分子”的一字之改，正是阿伏伽德罗假说的奇妙之处。由此可见，对科学概念的理解必须一丝不苟。对此他解释说，之所以引进分子的概念是因为道尔顿的原子概念与实验事实发生了矛盾，必须用新的假说来解决这一矛盾。例如单质气体分子都是由偶数个原子组成这一假说恰好使道尔顿的原子论和气体化合体积实验定律统一起来。根据自己的假说，阿伏伽德罗进一步指出，可以根据气体分子质量之比等于它们在等温等压下的密度之比来测定气态物质的分子量，也可以由化合反应中各种单质气体的体积之比来确定分子式。最后阿伏伽德罗写道：“总之，读完这篇文章，我们就会注意到，我们的结果和道尔顿的结果之间有很多相同之点，道尔顿仅仅被一些不全面的看法所束缚。这样一致性证明我们的假说就是道尔顿体系，只不过我们所做的，是从它与盖·吕萨克所确定的一般事实之间的联系出发，补充了一些精确的方法而已。”这就是1811年阿伏伽德罗提出分子假说的主要内容和基本观点。分子论和原子论是个有机联系的整体，它们都是关于物质结构理论的基本内容。然而在阿伏伽德罗提出分子论后的50年里，人们的认识却不是这样。原子这一概念及其理论被多数化学家所接受，并被广泛地运用来推动化学的发展，然而关于分子的假说却遭到冷遇。阿伏伽德罗发表的关于分子论的第一篇论文没有引起任何反响。3年后的1814年，他又发表了第二篇论文，继续阐述他的分子假说。也在这一年，法国物理学家安培，就是那个在电磁学发展中有重要贡献的安培也独立地提出了类似的分子假说，仍然没有引起化学界的重视。已清楚地认识到自己提出的分子假说在化学发展中的重要意义的阿伏伽德罗很着急，在1821年他又发表了阐述分子假说的第三篇论文，在文中他写道：“我是第一个注意到盖·吕萨克气体实验定律可以用来测定分子量的人，而且也是第一个注意到它对道尔顿的原子论具有意义的人。沿着这种途径我得出了气体结构的假说，它在相当大程度上简化了盖·吕萨克定律的应用。”在他讲述了分子假说后，他感慨地写道：“在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后，正如我所预言，它将要成为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。”尽管阿伏伽德罗作了再三的努力，但是还是没有如愿，直到他1856年逝世，分子假说仍然没有被大多数化学家所承认。道尔顿的原子论发表后，测定各元素的原子量成为化学家最热门的课题。尽管采用了多种方法，但因为不承认分子的存在，化合物的原子组成难以确定，原子量的测定和数据呈现一片混乱，难以统一。于是部分化学家怀疑到原子量到底能否测定，甚至原子论能否成立。不承认分子假说，在有机化学领域中同样产生极大的混乱。分子不存在，分类工作就难于进行下去，例如醋酸竟可以写出19个不同的化学式。当量有时等同于原子量，有时等同于复合原子量（即分子量），有些化学家干脆认为它们是同义词，从而进一步扩大了化学式、化学分析中的混乱。无论是无机化学还是有机化学，化学家对这种混乱的局面都感到无法容忍了，强烈要求召开一次国际会议，力求通过讨论，在化学式、原子量等问题上取得统一的意见。于是1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际化学会议。来自世界各国的140名化学家在会上争论很激烈，但没达成协议。这时意大利化学家坎尼扎罗散发了他所写的小册子，希望大家重视研究阿伏伽德罗的学说。他回顾了50年来化学发展的历程，成功的经验，失败的教训都充分证实阿伏伽德罗的分子假说是正确的，他论据充分，方法严谨，很有说服力。经过50年曲折经历的化学家此时已能冷静地研究和思考，终于承认阿伏伽德罗的分子假说的确是扭转这一混乱局面的唯一钥匙。阿伏伽德罗的分子论终于被确认，阿伏伽德罗的伟大贡献终于被发现，可惜此时他已溘然长逝了。甚至没有为后人留下一一张照片或画像。现在唯一的画像还是在他死后，按照石膏面模临摹下来的。阿伏伽德罗毕生致力于原子－分子学说的研究。1811年，他发表了题为《原子相对质量的测定方法及原子进入化合物时数目之比的测定》的论文。他以盖·吕萨克气体化合体积比实验为基础，进行了合理的假设和推理，首先引入了“分子”概念，并把它与原子概念相区别，指出原子是参加化学反应的最小粒子，分子是能独立存在的最小粒子。单质的分子是由相同元素的原子组成的，化合物的分子则由不同元素的原子所组成。文中明确指出：“必须承认，气态物质的体积和组成气态物质的简单分子或复合分子的数目之间也存在着非常简单的关系。把它们联系起来的一个、甚至是唯一容许的假设，是相同体积中所有气体的分子数目相等”。这样就可以使气体的原子量、分子量以及分子组成的测定与物理上、化学上已获得的定律完全一致。阿伏伽德罗的这一假说，后来被称为阿伏伽德罗定律。阿伏伽德罗还根据他的这条定律详细研究了测定分子量和原子量的方法，但他的方法长期不为人们所接受，这是由于当时科学界还不能区分分子和原子，分子假说很难被人理解，再加上当时的化学权威们拒绝接受分子假说的观点，致使他的假说默默无闻地被搁置了半个世纪之久，这无疑是科学史上的一大遗憾。直到1860年，意大利化学家坎尼扎罗在一次国际化学会议上慷慨陈词，声言他的本国人阿伏伽德罗在半个世纪以前已经解决了确定原子量的问题。坎尼扎罗以充分的论据、清晰的条理、易懂的方法，很快使大多数化学家相信阿伏伽德罗的学说是普遍正确的。但这时阿伏伽德罗已经在几年前默默地死去了，没能亲眼看到自己学说的胜利!阿伏伽德罗是第一个认识到物质由分子组成、分子由原子组成的人。他的分子假说奠定了原子一分子论的基础，推动了物理学、化学的发展，对近代科学产生了深远的影响。他的四卷著作《有重量的物体的物理学》（1837～1841年）是第一部关于分子物理学的教程。阿伏伽德罗一生从不追求名誉地位，只是默默地埋头于科学研究工作中，并从中获得了极大的乐趣。阿伏伽德罗早年学习法律，又做过地方官吏，后来受兴趣指引，开始学习数学和物理，并致力于原子论的研究，他提出的分子假说，促使道尔顿原子论发展成为原子—分子学说。使人们对物质结构的认识推进了一大步。但遗憾的是，阿伏伽德罗的卓越见解长期得不到化学界的承认，反而遭到了不少科学家的反对，被冷落了将近半个世纪。由于不采纳分子假说而引起的混乱在当时的化学领域中非常严重，各人都自行其事，碳的原子量有定为6的，也有定为12的，水的化学式有写成HO的，也有写成H2O的，醋酸的化学式竟有19种之多。当时的杂志在发表化学论文时，也往往需要大量的注释才能让人读懂。一直到了近50年之后，德国青年化学家迈耶尔认真研究了阿伏伽德罗的理论，于1864年出版了《近代化学理论》一书。许多科学家从这本书里，懂得并接受了阿伏伽德罗的理论，才结束了这种混乱状况。