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The Legend of Chemistry

歐洲化學簡史 - 暨諾貝爾化學獎巡禮. http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm. The Legend of Chemistry. http://nobelprize.org/alfred_nobel/. 四元素說. 古 印度 的哲學家認為萬物皆由 地、水、火、風 ( 氣 ) 四種要素加上 “ 以太 ” ( 空間 ) 構成 , 這和下列古 希臘 的學說很相似 , 也許是源襲而來。

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Presentation Transcript

  1. 歐洲化學簡史 -暨諾貝爾化學獎巡禮 http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm The Legend of Chemistry http://nobelprize.org/alfred_nobel/

  2. 四元素說 • 古印度的哲學家認為萬物皆由地、水、火、風(氣)四種要素加上“以太”(空間)構成, 這和下列古希臘的學說很相似, 也許是源襲而來。 • 古希臘文明對元素闡釋為: 四種基本性原始物質, 分別是冷(Cold)、熱(Hot)、乾(Dry)、濕(Wet), 其中兩者雙雙結合, 便會形成土、水、氣、火。四原素按不同比例結合, 便會形成各類物質。冷 + 濕 -> 水;   熱 + 乾 ->火;  冷 + 乾 -> 土; 熱 + 濕 ->氣(風), 這學說稱為四原性說, 後來的大哲學家亞里士多德(Aristotle, ca. 384~322BC) 極力的支持, 到了中世紀還奉為經典, 但科學的黎明時代, 它便遭受嚴峻的考驗了。 • 古埃及和巴比倫把水、空氣及土視為構成世界物質的原始。

  3. 微 粒 說 17 世紀中葉 英國化學家波以耳R.Boyle (1627-1691) 微粒說 • 用微粒說統一地說明自然界各種物質及其運動的基礎上 , 提出了相對於古代來說是科學的元素概念。 • 他指出 : 元素是確定的、實在的、可觀察到的實物 , 它們應該是用一般的化學方法不能再分爲更簡單的某些實物。 http://www.ngensis.com/NGE/elements/elementum.htm

  4. 燃素說 Phlogiston 1703 • 氣、水、土等都是元素。 • 土質又分爲三種 : 固定土、油性土和流土。 • 油性土常存於動植物體中, 物體燃燒時所含的油土便逸出 , 剩下固定土或流質土。 德國化學家貝歇爾 JJ.BCCher (1635 ~ 1682) 油土說 德國醫藥化學家 斯塔爾 G.E .SUM (1660-1734) 燃素說 http://www.ngensis.com/NGE/elements/elementum.htm 可燃物－燃素＝灰燼 金屬+燃素＝鍛灰

  5. 燃素說的困境 卡文迪許(英) Henry Cavendish1731 - 1810 卡文迪許發明用來製造與收集氣體的裝置 http://mattson.creighton.edu/History_Gas_Chemistry/Cavendish.html

  6. 化學之父-拉瓦節 重要貢獻: 一、 出版了第一本化學教課書 Traite Elementair de Chimie (1789) 1. 揭開了化學在江湖術士渲染下的神秘面紗。 2. 將一系例化學元素加以清析定義 3. 雖然還有許多錯誤,但所用的方法和提出的概念,已對現代化學奠下了基礎。 拉瓦節 A.L .Lavoisier 1743 ~ 1794 (法) http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm

  7. 二、 精確說明燃燒是物質和氧氣化合,推翻了當 時的理論"燃素說" http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm

  8. 實驗儀器模擬圖 三、 由實驗提出了化學反應中的“質量守恆定律” 1.自製天平,可精確測量到0.0005克 2. 反應物的總質量=生成物的總質量(當時是最先進的看法) 3. 物質不能無中生有,只是改變它的狀態 http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm 在特殊的燃燒爐中進行分解實驗

  9. 四、証明了空氣中有氮氣,但與燃燒無關 拉瓦節指揮助手進行呼吸作用實驗 http://www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm

  10. 元素探索時期

  11. 約在同一時期, 有一群化學家正從另一方面著手研究…

  12. 氣體研究的歷史簡表 1662年1766年1772年1774年1787年1801年1808年1830年1894~1898年 波以耳定律發現氫氣發現氮氣發現氧氣查理定律道耳吞分壓定律給呂薩克化合體積定律格銳目擴散定律惰性氣體被拉姆賽等發現

  13. 道耳吞 Dalton John 1766 ~1844 英國 道耳吞「原子說」 1803年10月21日，道耳吞在曼徹斯特的「文學和哲學學會」上第一次敘述關於原子論及原子量的計算見解：◎ 元素（單質）的最終粒子稱為簡單原子，它們極其微小，是看不見的；既不能創造，也不能毀滅和不可再分割的。在一切化學變化中保持其本性不變。◎ 同一種元素的原子，其形狀、質量及各種性質都是相同的；不同元素的原子在形狀、質量及各種性質上則不相同。每一種元素以其原子的質量為最基本的特徵。◎ 不同元素的原子以簡單數目的比例相結合，形成了化學中的化合現象。化合物的原子稱為複雜原子。複雜原子的質量是所含各種元素原子質量的總和。同一化合物的複雜原子，其組成、形狀、質量、和性質也相同。 http://www.nani.com.tw/nane/s_teacher/index.jsp

  14. 道耳吞的試圖引伸 • 道耳吞並且發現在強壓下，不同氣體的溶解度差別很大，於是他設想：一系列氣體的溶解度取決於這些粒子的重量，其中最輕的、最簡單的必是最難溶解的。 • 他將複雜原子做了以下命名：1個A原子＋1個B原子生成1個C原子（AB），C稱為二元化合物。1個A原子＋2個B原子生成1個D原子（AB2），D稱為三元化合物。1個A原子＋3個B原子生成1個F原子（AB3），F稱為四元化合物。 • 若發現元素A和B可形成三種化合物，則一個是二元的，另兩個是三元的，分別為 A1B2 和 A2B1。一個二元化合物AB的比重，應該比 A和 B 的混合物大些，即A與B化合後較它們處於混合狀態時靠得更緊密些。 道耳吞錯在哪裡？

  15. 道耳吞的失敗及倍比定律 • 道耳吞根據以上原則，規定氫原子量為1作為基準，於1803年進行原子量的最早計算。根據拉瓦節對水的分析結果，水中氫和氧的重量分別佔 15% 和 85%，因此氧的原子量被定為 5.66，不過在1807年以前，道耳吞本人並沒有進行分析實驗去測定原子量，顯然道耳吞確定化合物組成的原則是沒有根據的，很多化合物的原子組成被弄錯，計算出的原子量也就不可靠。 • 而1804年道耳吞發現的「倍數比例的法則」 （倍比定律）擔任了確立原子說的決定性角色。他分析了沼氣（甲烷）和油氣（乙烯）的組成，測得其中碳與氫的質量比分別是4.3:4和4.3:2，由此可知與同樣質量碳化合的氫的質量比爲2:1。類似的情況出現于其他成對的化合物中。這使道耳吞明確地提出了倍比定律——當兩種元素化合生成兩種或多種化合物時，若固定其中一種元素的質量，則另一種元素的質量互相成簡單整數比。

  16. 給呂薩克 • 在1805年重複氫氧化合時體積比的試驗，試驗結果是：當氫過量時，與100份體積氧完全化合的氫是 199.89份；當氧過量時，100份氧與 199.8份氫相化合。 • 在1808年，給呂薩克作出以下結論：「各種氣體在相互發生化學反應時，常以簡單的體積比相結合，不但氣體間的化合是以簡單體積比的關係相作用，在化合後，氣體體積的改變與發生反應的氣體體積間也有簡單整數的關係。」 給呂薩克 Joseph Louis Gay-Lussac 1778－1850 法國 http://www.nani.com.tw/nane/s_teacher/index.jsp

  17. 給呂薩克的貢獻與困境 • 在他綜合推理後，得到以下的結論：一、同樣體積中的不同氣體所含原子數應該有簡單的整數比。例如：氫氧化合時體積比為2:1，如果水的原子組成是氧1氫1，則同體積中氧原子數當為氫原子數的2倍；若水的原子組成是氧1氫2，相同體積的氧和氫中含有相同數目的原子。 二、相同體積的不同氣體，其重量比（及密度比）與原子量之比也有簡單關係。最後他提出一個假說：同溫同壓下，相同體積的不同種氣體（不論是元素或者是化合物）都含有相同數目的原子（他和道耳吞一樣，把各種元素的簡單原子與化合物的複雜原子都稱為原子）。 • 不過道耳吞並不認同給呂薩克的見解，他反對的理由是： 一、不同物質的原子大小必定不同，因此在相同體積內，不同氣體物質不可能含有相等數目的原子。 二、如果在相同體積中不同氣體的原子數目相等，則每一水原子中只含有半個氧原子，這與簡單原子是不可分割的相違背。

  18. 亞佛加厥 • 給呂薩克有充分的實驗事實為根據，而化合物的『複雜原子』又不允許半個某種原子存在，這個矛盾最後由亞佛加厥來解決。義大利科學家亞佛加厥（Amedeo Avogadro，1776－1856）提出新的觀點－分子－ 。 • 1811年，他在《物理雜誌》上簡短地寫道：「我在這裡提供一個非常簡單的假設。依我看來，這個假設可以簡單、有效地解釋給呂薩克的實驗結果。我所提的假設是在同溫、同壓之下，相同體積的氣體，含有相同數目的分子。因為以分子的觀點來看，空氣反應後的體積雖然減少，但是在單位氣體體積分子的數目並沒有改變。」 亞佛加厥 Amedeo Avogadro 1766-1856 義大利 http://www.nani.com.tw/nane/s_teacher/index.jsp

  19. 亞佛加厥調和道耳吞與給呂薩克的衝突 • 依亞佛加厥的理論，給呂薩克的實驗正好證明「分子的存在」。假設1體積的氮氣有10個氮氣的分子，3體積的氫氣有30個氫氣的分子，氮氣與氫氣反應以後有2體積的氨氣，表示反應後產生20個氨氣的分子。很明顯地，這裡存在一個比例，就是每1體積的氮氣、氫氣與氨氣都含10個分子。 • 分子就是道耳吞所謂的「複雜原子」，對單質元素來說，是由相同的原子結合成分子。因此給呂薩克的氣體反應定律改成「在相同溫度、壓力下，同體積的任何氣體都含有相同數目的分子」就可以得到圓滿的回答。後來被稱之為「亞佛加厥定律」（Avogadro's Law）。 • 溫度與壓力都會影響分子間的距離。溫度愈高，分子間的距離愈大；壓力愈大，分子間的距離愈小。亞佛加厥認為若將影響分子間距離的溫度與壓力固定，那麼相同體積的不同氣體，皆有相同數目的氣體分子。

  20. 元素週期探索時期 • 三元素組: 1829 年德國化學家 德貝賴納(Johann Dobereiner) • 1858年意大利化學家S.坎尼扎羅提出測定原子量的方法, 統一的原子量迅速被測定。 • 螺旋圖: 1862年法國化學家德尚庫托瓦 (Beguyer de Chancourtois)提出,這是化學歷史上第一次提出的元素週期性。 • 八音律: 1865 年英國化學家 紐蘭茲(John Newlands) 。 10

  21. 週期表的演進 1867年辛里斯(Hinrichs)的螺旋圖 八方週期表 能級圓形週期表 蝸牛週期表 扇形凹形週期表 http://www.ngensis.com/NGE/elements/elementum.htm 10

  22. 門得列夫週期表 與現代週期表

  23. 現代元素週期表建立時期 Periodic Table of the Elements 門得列夫 Dmitry Ivanovich Mendeleyev (1834～1907) • 元素性質是原子量的週期函數, 原子量決定元素的特徵, 同族元素的性質相似, 但不是簡單的重覆 • 1869年他把當時已知的 63 種元素排成週期表, 初步實現了元素的系統化。 http://www.nani.com.tw/nane/s_teacher/index.jsp • 對於當時尚未發現的某些元素, 他不僅在週期表中給它們留有空位, 並且預言了部分性質。 http://www.ngensis.com/NGE/elements/elementum.htm

  24. 現代週期表的幕後功臣 --原子序的建立 • 英國科學家莫士勒Henry G.J. Moseley (1887-1915) 觀察不同元素所放射出X-ray光譜之特定頻率後,於1912年提出莫士勒定律。 • n = A (Z – b)2 • 由此訂出原子序。 • 提出以原子序代替原子量來排列週期表。 莫士勒 Henry G.J. Moseley (1887-1915) http://www.chemistry.co.nz/henry_moseley.htm

  25. 現代週期表的幕後功臣 --精確原子質量的測定 • 1912年湯木生(J. J Thomason)用以發現質量數為22的氖之同位素，所使用的陽極射線管乃質譜儀之前身。 • 1919年阿斯頓（Francis William Aston, 1877-1945）與丹麥斯特(Dempster)分別發展曲形軌道質譜儀成功。 • 質譜儀(mass spectrometry, MS)是以熱電子撞擊氣體分子，使產生碎片及離子，再經磁場分離，依據質荷比之測量，來決定分子質量的技術。而質量是分子的一種特質，因此可以用於分子的鑑定或確認。 阿斯頓 （Francis William Aston） 1877-1945 http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1922/index.html

  26. 由諾貝爾與諾貝爾化學獎看現代化學史 關於諾貝爾獎 自1901年起，每年對於物理、化學、生理或醫學、文學、和平五個項目，具有重大發明或貢獻的人，頒予獎金。1968年，瑞典中央銀行為了慶祝成立三百週年，出資創設了「瑞典中央銀行紀念諾貝爾經濟學獎」，就是一般所說的「諾貝爾經濟學獎」。 這個6個獎項所以深獲重視，不僅是因為獎金豐厚高達100萬美元（約3,000萬台幣），主要更是在於得獎者需符合諾貝爾先生所冀望「為人類帶來最大貢獻」。換句話說，這個獎項是對這些領域有非凡成就者的最高肯定。

  27. 諾貝爾的化學實驗室 由諾貝爾與諾貝爾化學獎看現代化學史 諾貝爾的故事 Alfred Nobel (1833-1896) http://nobelprize.org/alfred_nobel/

  28. 由諾貝爾與諾貝爾化學獎看現代化學史 化學的桂冠—諾貝爾化學獎的總論 在20世紀初期，許多科學家都對「化學反應是如何發生的」很感興趣，無論是物理學或化學家都在理論架構上貢獻不少心力。在他們這些研究基礎下，第1個諾貝爾獎頒給對化學熱力學和滲透壓有重要貢獻的荷蘭物理化學家霍夫，他的成就也包括有機化合物中共價鍵與四面體理論的提出，這是未來有機化學的重要理論基礎。 在世紀初期的10年內，每個領域都有新的突破，開創出往後發展的基礎。阿倫尼士(Svante Arrhenius)離子分離定律的建立、化學平衡和反應速率基本原理的提出，奠定了物理化學的基礎；在有機化學研究方面，費雪首先合成出糖類等生化分子，接著拜耳和瓦拉赫在有機化合物的合成研究成果，對後來有機合成與化學工業有很大貢獻；另外，陸續有新元素發現，例如惰性氣體元素氦、氖、氬、氪、氡、氟等；而在生物化學領域，布希納認為發酵反應會在所有細胞內發生，是細胞內重要的產能代謝反應，一般認為這個成果是生物化學的始祖。

  29. 諾貝爾化學獎巡禮 http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/

  30. 參考資料 • 科學的歷程 吳國盛 理藝出版社 • 科學的足跡 李亞東著 凡異出版社 • 諾貝爾化學獎100年 天下雜誌 • 延陵科學綜合室 Acta Scientrium Ngensis http://www.ngensis.com/ • 科學小芽子 http://www.bud.org.tw/ • 科學文化頻道／科學新聞台 http://scc.bookzone.com.tw/sccd/sccd.asp?ser=1008 • 氣體化學 http://chemwww.pu.edu.tw/gas/Default.htm • 南ㄧ高中教師網 http://www.nani.com.tw/nane/s_teacher/index.jsp • 中華科技發明 http://203.71.9.5/chinascience/start.html • 科普知識 http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science_top.asp • Nobel e-Museum http://www.nobel.se/index.html • History of Chemistry http://www.chemistrycoach.com/history_of_chemistry.htm • Microscale Gas Chemistry – http://mattson.creighton.edu/HistoryGasChemistry.html

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