亞佛加爵與分子

原始設計者:張雲鳳

藉著閱讀亞佛加爵的部分論文，了解如何獲得化合物中基本分子的相對質量，以及它們在化合物中的比例的方法，並進一步探討對於酸鹼的認知。亞佛加爵的假說可以準確地預測分子量，但其論文被忽略了近50年之久。半個世紀之後，當亞佛加爵的學說被逐漸接受，分子量和原子量的混亂歷史方才豁然開朗。

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現象說明

亞佛加爵提出兩大假設，並透過實驗數據，來證明假設的正確性。

第一個假設是

相同體積的任何氣體的數目都相同。

第二個假設是

氣體分子皆由數個「基本分子」組成，當它和另一種氣體分子結合時，化合分子可以分裂成兩個或更多個分子。

探究問題

• 2.1 比較氣體體積、密度、質量之間的關係
• 2.2 酸鹼反應其反應物與產物為何?

實作項目

• 3.1 試著閱讀以下文字:

“已知1體積的氧氣和2體積的氫氣組合成2體積的水，從氣體的密度知道氧氣的質量約為氫氣的 (1) 倍(道耳頓的預測是6倍)，並預測水分子的質量是氫氣的 (2) 倍(道耳頓的預測是6+1=7倍)

這個結果和水和氫氣的密度比相符。亞佛加爵並指出道耳頓的錯誤是因為他假設水中的氫和氧的組成是一比一所造成的。”

已知氧氣和氫氣的密度比為大氣氣體的 1.10359 和0.07321倍，能不能計算出正確的質量比，並與道耳頓算出的數值比較。並說明是基於哪種假設，才可算出數值?

參考答案:

(1) 氧氣的質量大約是氫氣的15倍，更準確的說，是15.074倍。基於假設一，相同體積的任何氣體的數目都相同，因此各種氣體分子的相對質量等於同溫同壓下氣體的相對密度，且化合物中組成分子的相對數目等於參與組成的分子的體積比。

例如氧氣和氫氣的密度比為大氣氣體的 1.10359 和0.07321倍，這個比例就是相同體積下氧氣和氫氣的質量比，也就是兩種氣體的質量比。

(2) (15+2)/2 = 8.5倍

• 3.2 根據給呂薩克的實驗數據指出

“一氧化二氮的體積和組成它的氮氣體積相同，是氧氣體積的兩倍。最後，一氧化氮的體積是由相同體積的氮氣和氧氣所組成的，也就是說，一氧化氮的體積是氮氣或氧氣體積的兩倍，給呂薩克清楚地指出，氣體結合時體積的減少並不是原分子的體積誤差造成的。”

想想看，為何反應前體積與反應後體積會相同或不同呢?

參考答案:

我們必須預設化合分子可以分裂，否則他們所組成的化合分子的質量將大於組成分子。氣體分子會互相結合，以及化合分子的分裂，才能成功地解釋一氧化二氮和一氧化氮反應過程的體積關係。

• 3.3 試著閱讀以下文字:

給呂薩克曾經懷疑氣態的酸和鹼作用，形成中性的鹽時的等體積關係。相同數目的酸和鹼分子作用，形成中性的鹽，但是某些情況的確違背了這個規則。

根據我的觀點，所有物質形成時內部都由強度不一的酸或鹼性部分所組成，這一序列(series)的酸和鹼的強度和他們接觸後的正電或負電的量有關。我稱物質在這個尺標上的性質為氧化(oxygenicity)，尺標中酸性物質排在最前面。在尺標中有一個我們稱為中性(neutral)的點，當物質的聚集狀態允許他們呈現酸鹼性時，中性點之上為酸性，之下為鹼性。化合物在這尺標中佔據一點，此點和他們所含物質的氧化性及組成物的質量比有關。所以，中性物質是由一個酸性和一個鹼性物質以固定比例所組成，認知酸和鹼結合為中性物質的簡單比例，讓我們更能正確的理解中性狀態的性質。兩個分子結合為一時，其氧化性和他們的質量沒有關係，而當一定數量的這些分子聯合時會產生特定程度的氧化性，其酸鹼程度和組成物的質量和氧化性有關。”

以上為亞佛加爵對於酸鹼所提出的想法，能不能就你現在所學，簡單提出你對酸鹼的想法? 與亞佛加爵是否有相同、相異處?

分析與結論

• 4.1亞佛加爵提出兩個假設

“相同體積的任何氣體的數目都相同。”

“氣體分子皆由數個「基本分子」組成，當它和另一種氣體分子結合時，化合分子可以分裂成兩個或更多個分子。”

根據這兩個假設，亞佛加爵利用已知的各種氣體的密度計算氣體分子的相對質量(如果接受假設一，氣體分子的相對密度就是相對質量)，推翻道耳頓(1808年)對某些基本分子質量的預測，並證明依此預測的氣體密度與實驗相符。

另外，亞佛加爵透過假設，提出分子是可以分裂再重新組合的。也成功解釋為何反應前體積和反應後體積可能相同或相異，解開給呂薩克的疑惑，奠定之後對分子分裂再重新組合的基礎。

想一想，分子之間，是透過什麼能量，使其分裂，又能使其組合呢?

• 4.2亞佛加爵對於酸鹼反應的理解為

“關於相對於中性的分子氧化性程度我們還不是很確定，氧化性程度和酸或鹼的多餘質量(酸或鹼性由此而生)有關，當酸和鹼為簡單比例組合時沒有這種性質，只有當酸或鹼分子產生堆疊(aggregation)時，化合物才會顯現出酸性或鹼性。

因此在幾種酸和鹼分子可能結合的簡單比例中，有一種比例是中性的，也就是它的氧化性在如前所述的中性位置。以這種比例的酸和鹼結合的分子，當它逸失或得到一個組成分子時，它的氧化性會在中性位置的兩端擺盪，這個位置是所有的中性化合物所共有的。

在各種酸和鹼分子的任意數字組合比例中只有一種會落在這個中性的氧化性尺標上。”

因此當氧化性差異不大的兩種酸和兩種鹼分子成對組合時，如果其中一種酸分子和與它結合的鹼分子的質量比和另一化合物的酸和鹼分子質量比相同，讓兩種化合物為中性的酸和鹼分子比例可以是相同的(may be the same)。

想一想，酸與鹼之間的反應，在何種情況下，會產生酸性、中性或鹼性物質呢? 酸鹼中和產生的物質又可稱為?

教學目標與評量

• 5.1 能了解亞佛加爵對分子質量與比例之間的認知。
• 5.2 透過正確的假設，推論出正確的氣體質量與組成比例。
• 5.3 認識酸鹼最初的定義。

參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] 亞佛加爵  : http://chemed.chemistry.org.tw/?p=8469