人類發(fā)現(xiàn)認(rèn)識甲烷的歷程(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上人類發(fā)現(xiàn)認(rèn)識甲烷的歷程 甲烷是最簡單的烷烴，同時甲烷也是最簡單的有機(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，似說甲烷，但實質(zhì)上是通過人們對甲烷結(jié)構(gòu)的認(rèn)識來回溯一下人們認(rèn)識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，我國西周年代寫成的算卦占卜的書周易中，在談到一些自然界發(fā)生的現(xiàn)象時說：“象曰：澤中有火?！边@里的“澤”就是沼澤?！盎鹁笔俏覈糯藗兘o天然氣井的形象命名。根據(jù)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的文字記載，在我國遼闊的土地上，北起長城內(nèi)外，南到云貴高原，西至玉門關(guān)外，東臨黃海之濱和臺灣省，

2、古代都曾發(fā)現(xiàn)過天然氣，有的地方早在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日寫給他的友人的信中，敘述了發(fā)現(xiàn)甲烷的經(jīng)過。他在意大利北部科摩（Como）湖的淤泥中收集到一種氣體，是用木棒攪動淤泥，讓冒出的氣泡通入倒轉(zhuǎn)過來并充滿水的瓶中。他點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年英國醫(yī)生奧斯汀發(fā)表燃

3、燒甲烷和氫氣的報告。他測定了甲烷比氫氣重。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。 對甲烷的早期研究對于甲烷這么一個最簡單的有機(jī)物，人類為了認(rèn)識它的分子結(jié)構(gòu)并達(dá)到了今天的程度，花去了百年以上的時間！更不知道有多少化學(xué)界的前輩，用了多少無眠的夜晚，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)，這個表示方法表明，道爾頓認(rèn)為甲烷分子是有兩個氫原子和一個碳原子構(gòu)成的，這在今天看來顯然是很不正確的，但是這么表示是利用了當(dāng)時初建的原子分子學(xué)說，這個表示式是化學(xué)科學(xué)中出現(xiàn)最早的一個結(jié)構(gòu)式，它的提出開創(chuàng)了深入認(rèn)識物質(zhì)

4、本性的先例。隨著人們的認(rèn)識越來越深入，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引入有機(jī)化學(xué)。后來德國化學(xué)家凱庫勒提出了碳原子是四價的概念和碳原子本身可以互相連接的概念，俄國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世紀(jì)后的事情了?？梢娙祟愓J(rèn)識微觀世界分子的結(jié)構(gòu)所耗費的時間是相當(dāng)長的，人類本身的認(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的想象。 立體化學(xué)出現(xiàn)了18世紀(jì)6

5、0年代初期，雖然經(jīng)過凱庫勒、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)符號的結(jié)構(gòu)式，仍然在反映實際情況上不斷出現(xiàn)矛盾，而且相當(dāng)混亂。這種寫法隨著有機(jī)化合物種類的增多，發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)越來越復(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越無力。這種結(jié)構(gòu)式的寫法，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，寫出的異構(gòu)體數(shù)目總要少于實際已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)目，而正是這種矛盾的出現(xiàn)，使人類對化學(xué)的認(rèn)識上升到了立體化學(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。他們假定分子內(nèi)原

6、子和原子團(tuán)的位置只有一種是穩(wěn)定的,而且不能互換位置，然后再進(jìn)一步引入對稱性的要求，就導(dǎo)出了碳的四個價鍵不是伸向一個平面的結(jié)論。對于這一結(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,即甲烷分子中，碳原子位于正四面體的中心，連接氫原子的四個鍵伸向四面體的四個頂點。這樣甲烷的分子結(jié)構(gòu)又可以用和來表示了。范特霍夫提出的甲烷正四面體假說，以及根據(jù)這一假說所衍生出來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，對分子概念的正確認(rèn)識和深化是和19世紀(jì)這些概念的產(chǎn)生是分不開的。但是新的學(xué)說的出現(xiàn)總不是一帆風(fēng)順的，范特霍夫提出的學(xué)說遭到了強(qiáng)烈的批

7、判，但是無論怎么樣，甲烷正四面體結(jié)構(gòu)由近代X-射線和電子衍射的進(jìn)一步證明，因為H-C-H的鍵角就為109°28，我在高中剛學(xué)立體幾何的時候也隨便計算過正四面體中心和兩頂點形成的夾角就是109°28，這也證明甲烷分子是一個正四面體的立體結(jié)構(gòu)。 化學(xué)鍵概念的誕生上個世紀(jì)初期人類發(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，也就是對化學(xué)鍵本性的認(rèn)識，卻是到了20年代末期以后了。先是路易斯八隅體學(xué)說，這時候甲烷的分子結(jié)構(gòu)變?yōu)?。但是對于化學(xué)鍵更深入的認(rèn)識是將量子力學(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：“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)

8、之列?！甭牭竭@話的阿伏伽德羅不高興了：“數(shù)學(xué)雖然是自然科學(xué)之王，但如果沒有其他學(xué)科，數(shù)學(xué)就會失去他的真正價值?！贝嗽捜堑酶咚惯@位數(shù)學(xué)權(quán)威竟發(fā)起怒來：“對數(shù)學(xué)來說，化學(xué)充其量只能起一個奴仆的作用?！卑⒎拥铝_并沒有被壓服，他使用實驗事實進(jìn)一步來證實自己的觀點。他十分自豪地說：“請看吧，只要化學(xué)愿意，它就能使1加1不等于2。數(shù)學(xué)能做到這一點嗎?” 雖然阿伏伽德羅這么反駁貌似占了上風(fēng)，但是沒有數(shù)學(xué)支撐的科學(xué)的確毫無嚴(yán)密性可言，如果化學(xué)沒有數(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，而只是那種以實驗為基礎(chǔ)的經(jīng)驗式和總結(jié)式的科學(xué)，那么這個學(xué)科將毫無希望可言。20世紀(jì)20年代末至30年代中是量子力學(xué)和

9、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類對化學(xué)鍵理論深入認(rèn)識的歷史。價健理論的主要創(chuàng)立者是美國量子化學(xué)家萊納斯·卡爾·鮑林，他一開始就力圖將量子力學(xué)和化學(xué)結(jié)構(gòu)問題緊密結(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氫分子結(jié)構(gòu)近似處理的啟發(fā)逐步建立起價健理論，提出了電子對鍵的六條規(guī)則，解決了碳原子四面體構(gòu)型的問題，建立了雜化軌道理論。鮑林所著的化學(xué)鍵的本質(zhì)一書詳細(xì)的記述了他的價健理論。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構(gòu)型理論的解釋，至此人們算是知其然同時也知其所以然了。我在這句話中用了“算是”兩個字，因為我認(rèn)

10、為這并不是什么好的理論，這個理論完全就是為了解釋而解釋，包括鮑林的共振理論， 簡直就是為了解釋而解釋，而人們也在自己想不明白的時候來用一下共振論為了解釋而解釋，雖然雜化軌道理論運用了量子力學(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驗現(xiàn)象，而且有大量的假設(shè)，只不過是大部分情況下很好的符合實驗結(jié)果而已（當(dāng)然包括量子力學(xué)在內(nèi)，我們無法證明這種理論本身是正確的，只能通過實驗去檢驗其正確性。）后來，繆立肯從分子整體性出發(fā)，重視分子中電子運動狀況，以分子軌道的概念來克服加減理論中強(qiáng)調(diào)電子配對所造成的電子波函數(shù)難于進(jìn)行數(shù)學(xué)計算的缺點，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年代逐漸取代價健理論，但是隨著計算科學(xué)的高速發(fā)展，又給了價健理論一個復(fù)興的機(jī)會。雖然如今化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個相當(dāng)?shù)母叨?，但是人們還是對一些更深入更根本的問題無法理解，無論是價健理論還是分子軌道理論都