人類(lèi)發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)甲烷的歷程

1、人類(lèi)發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)甲烷的歷程 甲烷是最簡(jiǎn)單的烷烴，同時(shí)甲烷也是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，是含碳量最小含氫量最大的烴，是沼氣、天然氣、瓦斯、坑道氣以及油田氣的主要成分，在這篇小文章里，似說(shuō)甲烷，但實(shí)質(zhì)上是通過(guò)人們對(duì)甲烷結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)來(lái)回溯一下人們認(rèn)識(shí)微觀世界分子中原子相互作用關(guān)系的歷史。甲烷的發(fā)現(xiàn) 公元前1066至公元前771年，我國(guó)西周年代寫(xiě)成的算卦占卜的書(shū)周易中，在談到一些自然界發(fā)生的現(xiàn)象時(shí)說(shuō)：“象曰：澤中有火?！边@里的“澤”就是沼澤?！盎鹁笔俏覈?guó)古代人們給天然氣井的形象命名。根據(jù)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的文字記載，在我國(guó)遼闊的土地上，北起長(zhǎng)城內(nèi)外，南到云貴高原，西至玉門(mén)關(guān)外，東臨黃海之濱和臺(tái)灣省，古代都曾發(fā)現(xiàn)過(guò)天然氣，有的

2、地方早在2000年前就鉆鑿了天然氣井。 18世紀(jì)的歐洲科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了甲烷后，科學(xué)地研究了它。發(fā)明電池的意大利物理學(xué)家伏打（A.Volta,17451827）,在1776年11月14日、21日、26日和12月8日寫(xiě)給他的友人的信中，敘述了發(fā)現(xiàn)甲烷的經(jīng)過(guò)。他在意大利北部科摩（Como）湖的淤泥中收集到一種氣體，是用木棒攪動(dòng)淤泥，讓冒出的氣泡通入倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)并充滿(mǎn)水的瓶中。他點(diǎn)燃了這一氣體火焰呈青藍(lán)色，燃燒較慢，需要10-12倍體積的空氣才會(huì)燃燒爆炸，不同于可燃性空氣（氫氣）的燃燒。提出原子論的英國(guó)化學(xué)家道爾頓也和伏打一樣收集了沼氣，并進(jìn)行了研究。1790年英國(guó)醫(yī)生奧斯汀發(fā)表燃燒甲烷和氫氣的報(bào)告。他測(cè)定

3、了甲烷比氫氣重。而且氫氣燃燒生成水，甲烷燃燒生成水和二氧化碳。他確定甲烷是碳和氫的化合物。 對(duì)甲烷的早期研究對(duì)于甲烷這么一個(gè)最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，人類(lèi)為了認(rèn)識(shí)它的分子結(jié)構(gòu)并達(dá)到了今天的程度，花去了百年以上的時(shí)間！更不知道有多少化學(xué)界的前輩，用了多少無(wú)眠的夜晚，一遍遍的思索想象和探求著。1808年，被恩格斯譽(yù)為近代化學(xué)之父的原子論創(chuàng)立者道爾頓用 表示甲烷的分子結(jié)構(gòu)，這個(gè)表示方法表明，道爾頓認(rèn)為甲烷分子是有兩個(gè)氫原子和一個(gè)碳原子構(gòu)成的，這在今天看來(lái)顯然是很不正確的，但是這么表示是利用了當(dāng)時(shí)初建的原子分子學(xué)說(shuō)，這個(gè)表示式是化學(xué)科學(xué)中出現(xiàn)最早的一個(gè)結(jié)構(gòu)式，它的提出開(kāi)創(chuàng)了深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)本性的先例。隨著人們的認(rèn)識(shí)

4、越來(lái)越深入，繼道爾頓之后的指明瑞典學(xué)者齊利烏斯就把現(xiàn)在大部分仍在使用著的元素符號(hào)引入有機(jī)化學(xué)。后來(lái)德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒提出了碳原子是四價(jià)的概念和碳原子本身可以互相連接的概念，俄國(guó)的布特列洛夫提出了分子中原子排列的狀況，即化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念和這種結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間關(guān)系的概念。這些概念的確立，為人們認(rèn)識(shí)甲烷分子的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)，人們就在這些認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上相繼提出了三種甲烷的結(jié)構(gòu)式，但是這卻是道爾頓提出甲烷圖式半個(gè)世紀(jì)后的事情了。可見(jiàn)人類(lèi)認(rèn)識(shí)微觀世界分子的結(jié)構(gòu)所耗費(fèi)的時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的，人類(lèi)本身的認(rèn)知能力還是有相當(dāng)一部分局限性的，化學(xué)最需要的就是基于事實(shí)的想象。 立體化學(xué)出現(xiàn)了18世紀(jì)60年代初期，雖然經(jīng)過(guò)凱庫(kù)勒

5、、布特列洛夫等人的努力，化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念已經(jīng)基本確立，但是一直到70年代，作為表示物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)符號(hào)的結(jié)構(gòu)式，仍然在反映實(shí)際情況上不斷出現(xiàn)矛盾，而且相當(dāng)混亂。這種寫(xiě)法隨著有機(jī)化合物種類(lèi)的增多，發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜，在更復(fù)雜的有機(jī)分子面前，這種表述方法顯得越來(lái)越無(wú)力。這種結(jié)構(gòu)式的寫(xiě)法，已經(jīng)比較正確的表示了分子中原子之間的相互位置關(guān)系和連接方式，但是在異構(gòu)體的表述上，寫(xiě)出的異構(gòu)體數(shù)目總要少于實(shí)際已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)目，而正是這種矛盾的出現(xiàn)，使人類(lèi)對(duì)化學(xué)的認(rèn)識(shí)上升到了立體化學(xué)的層面。1874年，范霍夫和列別爾分別從旋光異構(gòu)體的數(shù)目出發(fā)，提出了碳原子具有四面體結(jié)構(gòu)的學(xué)說(shuō)。他們假定分子內(nèi)原子和原子團(tuán)的位置只有一種是

6、穩(wěn)定的,而且不能互換位置，然后再進(jìn)一步引入對(duì)稱(chēng)性的要求，就導(dǎo)出了碳的四個(gè)價(jià)鍵不是伸向一個(gè)平面的結(jié)論。對(duì)于這一結(jié)論，列別爾則是小心翼翼地只暗示了它具有四面體結(jié)構(gòu)的可能，而范霍夫則大膽明確地提出了四面體假說(shuō),即甲烷分子中，碳原子位于正四面體的中心，連接氫原子的四個(gè)鍵伸向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。這樣甲烷的分子結(jié)構(gòu)又可以用和來(lái)表示了。范特霍夫提出的甲烷正四面體假說(shuō)，以及根據(jù)這一假說(shuō)所衍生出來(lái)的一系列重要的推論，在自然科學(xué)的許多領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的影響，而且，對(duì)分子概念的正確認(rèn)識(shí)和深化是和19世紀(jì)這些概念的產(chǎn)生是分不開(kāi)的。但是新的學(xué)說(shuō)的出現(xiàn)總不是一帆風(fēng)順的，范特霍夫提出的學(xué)說(shuō)遭到了強(qiáng)烈的批判，但是無(wú)論怎么樣，甲烷正

7、四面體結(jié)構(gòu)由近代X-射線(xiàn)和電子衍射的進(jìn)一步證明，因?yàn)镠-C-H的鍵角就為10928，我在高中剛學(xué)立體幾何的時(shí)候也隨便計(jì)算過(guò)正四面體中心和兩頂點(diǎn)形成的夾角就是10928，這也證明甲烷分子是一個(gè)正四面體的立體結(jié)構(gòu)。 化學(xué)鍵概念的誕生上個(gè)世紀(jì)初期人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了原子核和電子，但是電子在化學(xué)反應(yīng)中所起的作用，也就是對(duì)化學(xué)鍵本性的認(rèn)識(shí)，卻是到了20年代末期以后了。先是路易斯八隅體學(xué)說(shuō)，這時(shí)候甲烷的分子結(jié)構(gòu)變?yōu)椤５菍?duì)于化學(xué)鍵更深入的認(rèn)識(shí)是將量子力學(xué)引入到化學(xué)研究中后的事情了。 量子化學(xué)的誕生 被譽(yù)為數(shù)學(xué)王子的高斯說(shuō)：“科學(xué)規(guī)律只存在于數(shù)學(xué)之中，化學(xué)不在精密科學(xué)之列?！甭?tīng)到這話(huà)的阿伏伽德羅不高興了：“數(shù)學(xué)雖然是

8、自然科學(xué)之王，但如果沒(méi)有其他學(xué)科，數(shù)學(xué)就會(huì)失去他的真正價(jià)值?！贝嗽?huà)惹得高斯這位數(shù)學(xué)權(quán)威竟發(fā)起怒來(lái)：“對(duì)數(shù)學(xué)來(lái)說(shuō)，化學(xué)充其量只能起一個(gè)奴仆的作用?！卑⒎拥铝_并沒(méi)有被壓服，他使用實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)一步來(lái)證實(shí)自己的觀點(diǎn)。他十分自豪地說(shuō)：“請(qǐng)看吧，只要化學(xué)愿意，它就能使1加1不等于2。數(shù)學(xué)能做到這一點(diǎn)嗎?” 雖然阿伏伽德羅這么反駁貌似占了上風(fēng)，但是沒(méi)有數(shù)學(xué)支撐的科學(xué)的確毫無(wú)嚴(yán)密性可言，如果化學(xué)沒(méi)有數(shù)學(xué)作為自己的支持從而建立起一套嚴(yán)密完整的體系，而只是那種以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)式和總結(jié)式的科學(xué)，那么這個(gè)學(xué)科將毫無(wú)希望可言。20世紀(jì)20年代末至30年代中是量子力學(xué)和化學(xué)結(jié)合的初期，而這一事件的發(fā)展歷史就可以看作是人

9、類(lèi)對(duì)化學(xué)鍵理論深入認(rèn)識(shí)的歷史。價(jià)健理論的主要?jiǎng)?chuàng)立者是美國(guó)量子化學(xué)家萊納斯卡爾鮑林，他一開(kāi)始就力圖將量子力學(xué)和化學(xué)結(jié)構(gòu)問(wèn)題緊密結(jié)合，鮑林在接受路易斯化學(xué)鍵電子理論，吸收海森堡量子共振概念以及倫敦和海特勒對(duì)氫分子結(jié)構(gòu)近似處理的啟發(fā)逐步建立起價(jià)健理論，提出了電子對(duì)鍵的六條規(guī)則，解決了碳原子四面體構(gòu)型的問(wèn)題，建立了雜化軌道理論。鮑林所著的化學(xué)鍵的本質(zhì)一書(shū)詳細(xì)的記述了他的價(jià)健理論。人們已經(jīng)知道甲烷分子是正四面體的構(gòu)型，雜化軌道理論給了這個(gè)構(gòu)型理論的解釋?zhuān)链巳藗兯闶侵淙煌瑫r(shí)也知其所以然了。我在這句話(huà)中用了“算是”兩個(gè)字，因?yàn)槲艺J(rèn)為這并不是什么好的理論，這個(gè)理論完全就是為了解釋而解釋?zhuān)U林的共振理論

10、， 簡(jiǎn)直就是為了解釋而解釋?zhuān)藗円苍谧约合氩幻靼椎臅r(shí)候來(lái)用一下共振論為了解釋而解釋?zhuān)m然雜化軌道理論運(yùn)用了量子力學(xué)，鮑林也建立起了雜化鍵軌道波函數(shù)，但是這理論并不是能解釋所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且有大量的假設(shè)，只不過(guò)是大部分情況下很好的符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果而已（當(dāng)然包括量子力學(xué)在內(nèi)，我們無(wú)法證明這種理論本身是正確的，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)其正確性。）后來(lái)，繆立肯從分子整體性出發(fā)，重視分子中電子運(yùn)動(dòng)狀況，以分子軌道的概念來(lái)克服加減理論中強(qiáng)調(diào)電子配對(duì)所造成的電子波函數(shù)難于進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的缺點(diǎn)，建立了分子軌道理論。分子軌道理論處理分子結(jié)構(gòu)的結(jié)果與分子光譜數(shù)據(jù)吻合，因此在20世紀(jì)50年代逐漸取代價(jià)健理論，但是隨著計(jì)算科學(xué)的高速發(fā)展，又給了價(jià)健理論一個(gè)復(fù)興的機(jī)會(huì)。雖然如今化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨龋侨藗冞€是對(duì)一些更深入更根本的問(wèn)題無(wú)法理解，無(wú)論是價(jià)健理論還是分子