从“水为什么是H2O?”探讨化学分子式的原理

  水是H2O?

  二十年前,也就是我第一次在法兰克福一所中学给九年级学生上实验课时,我认为讲授水的方程式很合适。还有什么化学式比H2O更加有名呢?水并非元素,而是一种化合物,这一发现是现代自然科学最特别的一项成就。

  整个实验过程相对简单,因为基本不需要额外什么东西。粗略来说,就是让两桶氢气和一桶氧气发生化学反应。反应过程比较剧烈,伴随有响亮的爆炸声。爆炸是这个化学课堂的出发点。我想向学生展示,要想从现象推导出水的化学方程式是一件多么困难的事,尽管它如今人尽皆知。一次化学实验往往可以有多种不同解释。每种物质和每次变化对化学家来说都是谜团。人们看到东西嘶嘶作响,噼啪爆裂,知道有事发生,但不知道到底发生了什么。人们也看不出来是简单物质还是复合物质,是元素还是化合物。通过思考和新实验人们揭开了谜底,但往往随之又会产生新的谜团。我讲述这些内容,不是为灌输知识,而是为传递一种观念。

  两桶氢气加一桶氧气——水就产生了。这个容积比很准确,二比一,既不会多也不会少。有可能纯属偶然,但在气体领域里很多化学反应都拥有简单的整数的容积比,总是一对一,二对一,或者三对二等等。这是由天才的意大利自然科学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗(1776—1856)首先想到的,他宣称同样体积的气体里含有同等数量的微粒。这不是一种漫无边际的即兴猜想,而是一次尝试,不然人们不可能有朝一日猜测到原子世界的秘密。

  也就是说,一桶氢气里,含有和一桶氧气数量相当的颗粒。由此可知,氢气和氧气发生化学反应时的比例是2∶1,最后得到一桶水蒸气。然后我们有了这个化学分子式H2O,这个课时的学习任务就算完成了。实践的这一天到来了,我从可爱的器材负责人那里拿到一个一米长的设备,这是包括玻璃注射器、反应管和气瓶的一整套设备。我开始做实验,而结果出来了:得到的不是一份,而是两份水蒸气。

  学生们开始还估计是不是出了什么差错。但是当我们重复实验,得出的结果仍然一样:两份氢气和一份氧气发生反应后,最终得到两份水蒸气。

  这正是我所期待的时刻。我一向认为科学课堂绝不是尽快给学生灌输当前的自然科学新知,而更应该展示出,针对一种现象,人们至少可以得到两个甚至无穷无尽个对它进行解释的方法。

  于是我在课堂上说:“原子世界可能发生了什么呢?你们在小册子上写几个符合实验的化学分子式吧!”一阵沉寂后学生们先后给出建议,它们非常有创意:一个学生认为氧气实际上由两倍的四处乱飞的极小部分构成,因此正确的化学分子式应该是2H加上O-O,最后得到2HO。我等的正是这个,于是立即解释道,十九世纪化学家们同样对这个化学分子式深信不疑,并且还有着充分理由,因为这是人们对该化学反应能想出的最简单的分子式。

  其他人还认为:H-H加上O-O-O-O,于是得出HHOOOO(也就是两个H,四个O,用现在的写法是H2O4)

  另外一人说:2H-H加上O-O,于是得到HHO(也就是2个H和O,写成H2O)。

  我很兴奋,觉得全班同学都理解到我想要表达的内容。一位女学生举手问:“所有这些化学分子式中到底哪个正确呢?”我不假思索地说:“都是正确的,水是HO,H2O4或者H2O!这每一个化学分子式都适用于我们的实验。”这时我觉得场面有点失控了,所有人都坐不住开始叫嚷起来:“不可能,只有一个分子式是正确的,如果我们考试中写了其他分子式,您肯定会因为它是错的而把它划掉!”其他人也高声说:“您这样说完全把人弄得糊里糊涂,我们到底该信哪个呢?”我正想挽回这个局面,说我不只要让他们记住什么,更重要的是让他们能理解科学研究该如何进行,可就在这当儿下课铃响了。学生们兴高采烈地收拾好东西,飞也似地跑向学校操场。

  我的“实验课”失败了吗?我告诉自己,不管怎么说,学生现在对这个问题的困惑和十九世纪的化学家们一样,但后者可不只是花费了一节课时间,为了想出水的正确分子式他们花费了整整四十年。据说波斯顿一家精神病院里曾寄出一封非正式书信,1860年它被刊登在《化学新闻》杂志上,信中一位化学家承认水的分子式问题令他绞尽脑汁,以至于最后疯疯癫癫,甚至大脑全部软化了。这篇文章的标题叫做《一则悲伤的故事》。

  直到十九世纪后半叶,化学家们才终于对“正确”的水的化学分子式取得了一致意见。

  今天,水的分子式H2O成了永恒的化学知识。化学上一个简单的分子式,确实相当于一次哥白尼式的转变。哥白尼当时对抗的是老派思想家想当然的知识,甚至包括对抗传授太阳围绕地球旋转的《圣经》。类似的,化学家们证明水其实并不像上千年来所认为和传授的那样是一种元素,而是一种化合物。现代科学知识颠覆了一些传统理论,同时奠定了自己的基础。伴随着化学家们新发现的物质,谜团接踵而至,它们必须通过进一步实验和借助其他物质来解谜。对于化学家们来说,化学分子式首先揭开了一个谜底,回答了物质构成的问题。

  然而对于门外汉来说,分子式本身就是一个谜,它究竟意味着什么?

  化学分子式的发明有其实用性。因为它就好比烹饪配方:一旦人们掌握化学分子式,至少在理论上就知道如何制作相应物质。比如用来给牛仔裤上色的蓝色颜料靛蓝,只要人们知道了其化学分子式,就可以通过人工方法合成。但对于水来说,这个了不起的认知作用不大。是的,人们能用氢气和氧气合成水,但如果你口干舌燥走在大草原上,掌握这些知识又有何用?

  换句话说,因为化学分子式能在化学反应的网络中定位一种物质,并能解释该如何从其他物质中合成该物质,对于自然科学的确意义重大。化学分子式对这类问题给出答案,对一个研究物质转化的专业人士来说帮助很大。它的作用很显著,也能加深人们对于水的理解。尽管如此,人们也不能过高评价化学分子式。它不是水这个“物质”本身,更多只是对一个大多数人从来不会提出的问题的一种回答而已。

  参考文献火焰中的秘密:从炼金术到现代化学作者【德】延斯·森特根

  来源:良仁无机盐
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