坎尼札羅與原子量及分子量

原始設計者:張雲鳳、胡景瀚

藉由坎尼札羅的文章，了解何為真正的原子量與分子量，並釐清化合物的組成，透過氣體密度算出原子量量，再用杜龍-柏蒂定律(Dulong–Petit law)做驗證，奠定了原子與分子理論的重要基石。

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現象說明

坎尼札羅區分出分子與原子的差異，強調相同體積的氣體含有相同分子數，而不是原子數。元素分子不一定是單一原子，而可能含有一個或數個原子。並指出貝采利烏斯(Jöns Jacob Berzelius , 1779-1848)關於分子化合的理論是錯誤的。透過氣體相對密度，並以氫分子質量的二分之一為參考，質量訂為1，就可得知所有氣體分子的相對質量，訂定出原子量與分子量，再由杜龍-柏蒂定律(Dulong–Petit law)，「元素固體的比熱乘以其原子量為一常數。」，驗證實驗數據。

探究問題

• 2.1 如何定義原子量與分子量與其化合規則
• 2.2 驗證原子量與分子量的正確性，推測分子式

實作項目

• 3.1 試著閱讀以下文字:

“坎尼扎羅指出亞佛加爵和安培的理論(同體積的氣體有相同分子數)和實驗數據沒有任何衝突，關鍵在於區別原子和分子，前人的錯誤是因為他們將分子的數目和質量推算所得的質量誤以為是原子的質量，元素分子不一定是單一原子，而可能含有一個或數個原子。因此同體積的氣體有相同分子數，不論分子組成為何，氣體的相對密度就是分子的相對質量。”

坎尼扎羅則以氫分子質量的二分之一為參考，質量訂為1。或者以密度來看，氫氣的密度訂為2，若有一個未知氣體相對於氫氣密度為16，請問該未知氣體的質量為何? 與現今分子量比較，該氣體最為接近現今何種氣體?

參考答案:

氣體相對於氫氣的密度乘以 2即為其質量，因此 16 × 2 = 32。最為接近現今的氧氣。

• 3.2 試著閱讀以下文字:

“從氯化氫、溴化氫和碘化氫的密度，坎尼扎羅得到氯、溴和碘原子的質量為35.5、80和127。從氯氣的密度他得知其質量為71，因此氯分子為Cl2。坎尼扎羅又從氯化汞和氯化亞汞的分子量，推論汞的原子量為200，這些數據和現代原子量非常接近。坎尼扎羅又證明，利用杜龍-柏蒂定律(Dulong–Petit law):元素固體的比熱[單位: cal/(°C g)]乘以其原子量為一常數，以實驗數據的原子量乘以比熱，證明原子量的正確性。”

上表為當時數據，是否可以幫忙算出比熱乘以原子量的數值，檢驗是否接近為一常數(有效數字至小數點後五位)。

如果鹽酸與二氧化碳重量相同，試著想想看那兩者之間還有哪個條件不同，而影響其中和能力呢?

參考答案:

(1) 6.74560 (2) 6.87324 (3) 6.48200

• 3.3 試著閱讀以下文字:

“至於無法被氣化的原子，如果它的化合物可以被氣化，還是可以間接求得其質量。例如碳原子，將一氧化碳(carbonic oxide)、 二氧化碳(carbonic acid)、二硫化碳(sulphide of carbon)、甲烷(marsh gas)、乙烯(ethylene)、丙烯(propene)、乙醚等氣體分子中其它原子的質量扣除(這些原子在分子中出現的次數可以利用反應體積比求得)，得到碳原子的質量是? ”

已知氧和二氧化碳的密度分別為1.1036和1.5196(相對於空氣的密度)，算出答案並與實驗值(0.9569)比較

上表為當時的實驗數據，透過各種化合物的比較，是否可以得到碳原子的質量為何呢? 其餘原子也依相同原理得知其相對質量，就你所知，幫忙將上表缺空的分子式完成。

參考答案:

表中碳原子的各種質量的最大公因數是12，除非找到更多分子得到更小的最大公因數(例如6)，故坎尼扎羅認為碳的原子量就是12。

分析與結論

• 4.1對於分子的化合規則，不同理論百家爭鳴，如:

貝采利烏斯將分子分為正電性元素的鹼性氧化物(例如CuO)和負電性元素的酸性氧化物(例如SO3)兩類，鹽類由兩種氧化物化合而成，化合物是兩種不同電性的原子或「穩定原子群」 (stable groups of atoms)結合而成。他也認為穩定原子群是不能被分割的，此理論多被用於無機物。”

“後來逐漸被「自由基理論」(radical theory)所取代。將有機物的化合視為不可分割的原子團「自由基」的結合。例如，苯甲醯氯(C7H5OCl)是由苯甲醯自由基(C7H5O¬)和氯自由基結合而成。”

而電化學二元論認為分子必包含電正性和電負性的原子或原子團，因此排除了同核雙原子分子(如:氫氣)的可能性。坎尼扎羅舉例說明電化學二元論的錯誤，他指出像甲基(CH3)這種自由基和氫原子一樣可以和另一個甲基結合，他稱甲基和乙基(C2H5)等為單原子自由基(monoatomic radical) ，飽和力(capacity for saturation)為1。他稱乙烯(C2H4)和丙烯(C3H6)為雙原子自由基(biatomic radical)，因為他們和鋅、鎂、鈣、汞等金屬一樣都可以和兩個氯原子結合。

因此，從亞佛加爵的觀點出發，元素或反應物化合時原子可能分裂再重新組合，而且這個原則對於有機物和無機物都同樣適用，二元論和自由基理論反而容易造成混淆，因此化合規則逐漸統一。

只要我們不要將元素分子和原子混為一談，並接受亞佛加爵和安培的理論，這些關於分子組成和原子質量的混亂局面就會消失。

• 4.2利用杜龍-柏蒂定律驗證分子式和原子量

銅原子有兩種無法被氣化的氯化物，其氯銅重量比分別為35.5:63和71:63，因此可能兩個分子是CuCl 和CuCl2，銅的原子量為63。為確定銅原子的數目，坎尼扎羅將銅的比熱[單位: cal/(°C g)]乘以63，得到和杜龍-柏蒂定律相近的結果，他對分子式和銅原子量的猜測因此得到佐證。

杜龍-柏蒂定律還可以應用於辨識和金屬化合的鹵素原子數目，如果金屬和1個鹵素原子化合，雙原子分子的分子量乘以其比熱是杜龍-柏蒂常數的2倍。如果金屬和2個鹵素原子化合，三原子分子的分子量乘以其比熱是杜龍-柏蒂常數的3倍。例如:

利用重量百分比及杜龍-柏蒂定律，坎尼扎羅得以成功地推測金屬的原子量。不過杜龍-柏蒂常數的實驗值因分子而有相當的差異，不能直接用於測量原子量或分子量(將常數除以比熱)，但可以被用於驗證原子量或分子量。

教學目標與評量

• 5.1 能了解原子與分子的化合規則。
• 5.2 透過杜龍¬柏蒂定律驗證原子量、分子量與分子式。
• 5.3 了解相同體積的氣體含有相同分子數而不是原子數。

參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] 坎尼札羅  : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AF%E5%9D%A6%E5%B0%BC%E6%96%AF%E5%8A%B3%C2%B7%E5%9D%8E%E5%B0%BC%E6%89%8E%E7%BD%97