原子分子的几何模型的发展历史

　　不管是在日常生活中，还是在生产活动和科学实践过程中，人们接触、感受和认识最深的是有形物质。在这过程中，人们逐渐认识到物质的各种性质，如物质可以不断地被机械分割而不改变性质；物质总是处于气、液、固三种状态之一，并在一定温度和压力下可以在三态之间相互转化；物质均有质量并占有一定的空间，固体和液体物质还有固定的密度，有的物质还有铁磁性；物质之间还可以发生化学反应等。那么，物质究竟是什么？不同物质为什么表现出不同的性质？不同性质的物质之间有何联系？物质是否无限可分？如果物质不能无限可分，能够保持物质性质的最小单元是什么？如果沿着物质不能无限可分这一思辨追问下去，必定得出任何物质均由原子、分子组成的概念。
　　事实上，古典时代的思想家已经提出了原子的概念。例如，我国古代思想家墨子提出物质不能无限可分的观点，并假设组成物质的最小单元是一种称为端的微粒。与墨子处在同一时代的古希腊哲学家Democritus，也持物质不能无限可分的观点，认为构成物质的最小单元是原子。稍后的惠施也提出了类似的观点，认为物质是由被称为小一的微粒组成。古罗马诗人Lucretius还提出了气味的分子模型：人们的味觉器官上分布着许多不同形状的小孔，一种形状的小孔可以感知一种气味，不同形状的小孔可以感知不同的气味；同时，气味由气味粒子组成，相同气味的粒子形状相同，不同气味的粒子形状不同；当气味粒子刚好与某种味觉小孔匹配时，就感知了相应的气味。
　　近代化学建立后，化学家对物质的性质有了更加深入的认识，为今天的科学原子论和分子论的建立奠定了坚实的基础。在科学原子论、分子论的建立过程中，最重要的科学家包括以下几位。
　　1。JohnDalton（17661844）
　　1800年前后，英国化学家Dalton开始从证实科学的角度思考原子的概念，提出原子是具有固定体积和质量的球体，同种原子具有完全相同的体积和质量，不同原子具有不同的体积和质量。这个假设无疑是正确的，抓住了原子的两个最本质的属性。他在1803年皇家学会的讲座中提出了如下基本思想：
　　（1）Allmatteriscomposedofatoms（这个假论已经存在了2000多年）。
　　（2）Atomsareindestructibleandunchangeable（这个假设建立在质量守恒定律之上）。
　　（3）Elementsarecharacterizedbythemassoftheiratoms（现代物理学中该假设被修正为wElementsarecharacterizedbythenuclearchargeoftheiratoms）
　　（4）Whenelementsreact，theiratomscombineinsimple，wholenumberratios（这与化学定比定律一致）。
　　（5）Whenelementsreact，theiratomssometimescombineinmorethanonesimplewholenumberratio（这条假设说明水和双氧水等由相同元素组成不同分子的现象）。
　　Dalton的原子假设可以说明许多实验现象，特别是化学定比定律。但是，他错误地假设两种元素间最简单的分子必须是按1：1配比的双原子分子，这引起了许多错误的推论。按照这样的假设，水的分子式应为H（）而不是H2O，氨的分子式应为NH而不是NH3，由此得到氧和氮的相对原子质量分别为8和5，而不是16和14，无法解释许多实验数据。Dalton模型的另一个缺陷是给出的相对原子质量的数值不够精确。例如，他给出的氧元素相对原子质量为7，而不是更精确的8。尽管Dalton的原子模型存在缺陷，但该模型无疑是在正确的方向迈出重要的第一步。所以，Dalton被公认为科学原子论的创始人。
　　2。AmedeoAvogadro（17761856）
　　Avogadro是著名的意大利科学家，从中学时代起就已经熟知的Avogadro常量就是以他的名字命名，以表彰他在化学、物理学中的杰出贡献。
　　Avogadro在研究气体时提出了著名的Avogadro定律：在相同温度和压力下，相同体积的不同气体的质量与该种气体的相对分子质量成正比。根据Avogadro定律，可以通过测定一定体积的气体质量，确定该种气体的相对分子质量。
　　Avogadro的最大贡献是明确地提出气体由分子构成，而分子又由原子构成的观念，是正确区分原子与分子的基础。Avogadro当时虽然并未像今天那样使用原子和分子这两个词，但他认为存在三种不同类型的分子，其中的基本分子（elementarymolecule）就是今天所说的原子（atom）
　　虽然Avogadro的假设在今天看来完全正确，但在当时并没有引起科学界的广泛注意和立即接受。即使科学原子论的创立者Dalton也不认为Avogadro有关原子和分子的假设是正确的。直到后来，CharlesF。Gerhardt和AugusteLaurent在有机化学领域的研究才证明Avogadro关于相同体积的气体中包含相同数量的气体分子这一假设的正确性。不幸的是，无机化学领域的研究似乎表明Avogadro定律不适用于无机化学。直到I860年前后，StanisloCannizzaro才发现由于有的气体分子在一定温度下的分解才造成了与Avogadro定律的偏离，证明Avogadro定律也适用于无机化学。但是，这已经是Avogadro去世四年以后的事了。
　　3。JosefLoschmidt（18211895）
　　1861年，奥地利科学家Loschmidt在维也纳的一所中学教书时，设想了300多种分子的结构模型。Loschmidt的分子结构模型建立在几何推理之上，虽然可以解释这些物质的许多化学性质，但不被当时的著名化学家认可。例如AugustKekule认为，由于原则上无法推测分子的实际形状，Loschmidt的分子结构模型只是一种想象，不是科学假设。但是，后来的科学发展证明Loschmidt的分子结构模型是正确的，是现代分子模型的先驱。
　　由于没有得到化学界的认可，失望的Loschmidt后来转向物理学研究。例如，他根据气体动理学理论推算出N？分子的直径约为10A，与现代公认的实验值处于同一数量级。他还计算了每立方毫米空气中的分子数，该数值被Boltzmann称为Loschmidt常量。今天，虽然不再使用Loschmidt常量，但却将
　　22。4dm3气体中所包含的分子数称为Avogadro常量。
　　4。JacobusHendricusvantHoff（18521911）
　　Loschmidt将分子模型画在纸上，代表实际分子在平面上的投影。1874年，vantHoff利用纸张制作了许多分子的三维模型，并把这些分子模型寄送给当时的几位著名化学家，得到了他们中的大多数人的认可。在van，tHoff制作的分子模型中，碳原子的4个化学键被安排成正四面体构型，被现代科学实验和量子化学理论计算所证实。vantHoff的分子模型可以解释许多有机分子的化学性质，已经被广泛应用于现代化学教学和研究，成为现代化学不可缺少的一部分。
　　此外，vantHoff还在有机化学的许多领域作出重要贡献，因此获得1905年的首届诺贝尔化学奖。