道爾頓與原子

原始設計者:彰師大

藉著閱讀部分道爾頓原子學說的原始文字，輔以說明，了解科學知識的累積過程。領會前人如何由定比定律、倍比定律逐漸演進至現代原子與分子的知識。 圖片來源: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton

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1.現象說明

1799年，法國科學家約瑟夫·路易·普魯斯特（Joseph Louis Proust, 1754-1826）提出了「定比定律」（law of definite proportions），定比定律的內容是：

化合物的組成元素的質量比為定值。

英國科學家約翰·道爾頓（John Dalton, 1766-1844）（見圖一）在十九世紀初（1801年）發表了「分壓定律」（law of partial pressures）：

氣體混合物的總壓力等於組成氣體的分壓的和。

1804年，他又發表了「倍比定律」（law of multiple proportions），倍比定律的內容是：

如果兩元素可以形成不只一種化合物，化合物中相對於等重的第一種元素，另一種元素的質量成簡單整數比。

2.探究問題

• 2.1 原子學說的原子與現今認知的原子差異?
• 2.2 原子學說對化學界的影響?

3.實作項目

• 3.1 試著閱讀以下文字:

“1808年，道爾頓發表了《化學哲學的新系統》（A New System of Chemical Philosophy）的第一冊，書中他描述了他的原子學說。簡要地說，道爾頓的原子學說內容是：

各種元素由其特定的、完全相同的且不可分割的原子所組成，化合物由原子組成，原子的組成數目固定，化學反應是化合物原子的分裂及重新排列。

原子假說可以協助我們確認化合物的組成，以及依據實驗數據訂定原子的相對質量。在化學中，很重要的一項任務就是決定粒子的相對質量。不過物質中粒子的相對質量常常必須從另一物質中他們的相對質量推測而得，並根據後續的研究結果而更正。道爾頓認為他找到一個方法，這個方法可以確定「基本粒子」（elementary particle）及「化合粒子」（compound particle）的相對質量，這個方法的首要之務就是決定化合物的化合規則，知道化合粒子中基本粒子的數目。”[1]

(註: 道爾頓也使用了「基本原子」（elementary atom）及「化合原子」（compound atom）這兩個名詞，意義和「基本粒子」（elementary particle）及「化合粒子」相同)

• 3.2 閱讀參考文獻[1] ，整理出道爾頓假設的兩種原子(A、B)結合時的組合方式。如果兩種原子(A、B)組合方式有2種， 你是否可以推論出其結合形式是? 這些形式與現代化學的描述相符嗎?

參考答案:

如果有兩種「原子」A和B（原文：two bodies, A and B），其可能之結合有：

1原子A＋1原子B，二元化合物（binary）

1原子A＋2原子B，三元化合物（ternary）

2原子A＋1原子B，三元化合物（ternary）

1原子A＋3原子B，四元化合物（quarternary）

3原子A＋1原子B，四元化合物（quarternary）

等等…

道爾頓假設的原子化合的一般法則為”

1.當原子只有1種組合方式時，產物一定是二元化合物，除非有其他理由。

2.有2種組合方式時，產物一定是二元和三元化合物。

3.有3種組合方式時，產物一定是1個二元和2個三元化合物。

4.有4種組合方式時，產物一定是1個二元，和2個三元化合物和1個四元化合物，依此類推。

如果兩種原子(A、B)組合方式有3種，根據道爾頓的假設，產物是 AB、AB2、A2B。我們知道氫和氧原子組合方式(離子不計)有H2O和H2O2 2 種形式，與道爾頓的假設不一致。

• 3.3 試著閱讀以下文字:

“道爾頓使用了「原子」（atom）一詞來代表「最終粒子」、「不可分割的粒子」，即組成元素或化合物的最小粒子，這個粒子不能被分割，也不能被轉變成其他粒子。道爾頓的相關文字的翻譯如下：

物質雖然可以高度分解，然而卻無法無窮地被分解。也就是說一定存在著物質可以分解的極限，這個分解到極限的最終粒子雖然小到無法被察覺，它的存在是無庸置疑的。我選擇用原子這個名詞而非分子或其它的名詞，因為它更具有代表性，代表粒子不可被分割的性質。當我談到化合原子時，或許有人認為我過度應用了這個概念，例如我稱二氧化碳的最終粒子為化合原子。雖然這個原子可以再被分解，被分解的二氧化碳成為碳和氧，不再是二氧化碳了。” [1]

如果依照道爾頓的描述，當時他所稱的水稱為「水原子」，是否就是我們所知的水分子嗎? 是否可以從你現在認知闡述出，你對原子的概念與想法? 與原子之父-道爾頓理論的差異?

4.分析與結論

• 4.1道爾頓依照化合規則，推論水是由氫和氧組成的二元化合物，因為他認為氫和氧只有1種化合物，因此推論水為 HO，兩個基本原子的質量比接近1比7（質量相對於氫氣）。 其次，氨是由氫和氮組成的二元化合物(NH)，兩個基本原子的質量比是1比5。 等等… 因為這個推論錯誤，使得道爾頓訂定的原子量與現今差距甚遠，甚至造成了科學界數十年的混亂局面。下圖為道爾頓當時所訂定的原子質量

• 4.2 想想看，為何現階段能源不以氫氣為主要能源呢?試著比較其優劣。

5.教學目標與評量

• 5.1 了解燃燒熱意義與計算。
• 5.2 認識化學物質與碳排量的關係。
• 5.3 找出碳氫比例與碳排量和燃燒熱交互關係。。

6.參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] Standard heat of formation :https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%87%E5%87%86%E6%91%A9%E5%B0%94%E7%94%9F%E6%88%90%E7%84%93

[2] 天然氣簡介 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E7%84%B6%E6%B0%94