人類發(fā)現認識甲烷的歷程

1、人類發(fā)現認識甲烷的歷程甲烷是最簡單的烷烴，冋時甲烷也是最簡單的有機物，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 質上是通過人們對甲烷結構的認識來回溯一下人們認識微觀世界分子中原子相互作用關系 的歷史。甲烷的發(fā)現公元前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)生的現象時說：“象曰：澤中有火。'這里的“澤”就是沼澤。 “火井”是我國古代人們給天然氣井的形象命名。根據現已發(fā)現的文字記載，在我國遼闊的土地上， 北起長城內外，南到云貴高原，西至玉門關外，東臨黃海之濱和臺灣省， 古代都曾

2、發(fā)現過天然氣， 有的地方早在2000年前就鉆鑿了天然氣井。18世紀的歐洲科學家們發(fā)現了甲烷后，科學地研究了它。發(fā)明電池的意大利物理學家伏打（A.Volta,1745 1827），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)現甲烷的經過。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過來并充滿水的瓶中。他點燃了這一氣體火焰呈青藍色，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家道爾頓也和伏打一樣收集了沼氣，并進行了研究。1790年英國醫(yī)生奧斯汀發(fā)表燃燒

3、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物，人類為了認識它的分子結構并達到了今天的程度，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，被恩格斯譽為近代化學之父的原子論創(chuàng)立者道爾頓用表示甲烷的分子結構， 這個表示方法表明，道爾頓認為甲烷分子是有兩個氫原子和一個碳原 子構成的，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時初建的原子分子學說，這個表示式是化學科學中出現最早的一個結構式，它的提出開創(chuàng)了深入認識物質本

4、性的先例。隨著人們的認識越來越深入， 繼道爾頓之后的指明瑞典學者齊利烏斯就把現在大部分仍在使 用著的元素符號引入有機化學。 后來德國化學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，即化學結構的概念和這種結構和性質之間關系的概念。這些概念的確立，為人們認識甲烷分子的結構提供了理論依據，人們就在這些認識的基礎上相繼提出了三種甲烷的結構式，但是這卻是道爾頓提出甲烷圖式半個世紀后的事情了?？梢娙祟愓J識微觀世界分子的結構所耗費的時間是相當長的，人類本身的認知能力還是有相當一部分局限性的，化學最需要的就是基于事實的想象。H-H1CIH一H

5、HHHHH Ch丿b立體化學出現了18世紀60年代初期，雖然經過凱庫勒、布特列洛夫等人的努力，化學結構的概念已經基本 確立，但是一直到 70年代，作為表示物質分子結構符號的結構式，仍然在反映實際情況上 不斷出現矛盾，而且相當混亂。這種寫法隨著有機化合物種類的增多，發(fā)現的物質越來越復雜，在更復雜的有機分子面前,這種表述方法顯得越來越無力。這種結構式的寫法，已經比較正確的表示了分子中原子之間的相互位置關系和連接方式，但是在異構體的表述上， 寫出的異構體數目總要少于實際已經發(fā)現的數目，而正是這種矛盾的出現，使人類對化學的認識上升到了立體化學的層面。1874年，范霍夫和列別爾分別從旋光異構體的數目出發(fā)

6、，提出了碳原子具有四面體結構的學說。他們假定分子內原子和原子團的位置只有一種是穩(wěn)定的，而且不能互換位置，然后再進一步引入對稱性的要求，就導出了碳的四個價鍵不是伸向一個平面的結論。對于這一結論，列別爾則是小心翼翼地只暗示了它具有四面體結構的可能，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。這樣甲烷的分子結構又可以用HHHH來表示了。范特霍夫提出的甲烷正四面體假說，以及根據這一假說所衍生出來的一系列重要 的推論，在自然科學的許多領域有著深遠的影響，而且，對分子概念的正確認識和深化是和 19世紀這些概念的產生是分不開的。但是

7、新的學說的出現總不是一帆風順的，范特霍夫提出的學說遭到了強烈的批判，但是無論怎么樣，甲烷正四面體結構由近代X-射線和電子衍射的進一步證明，因為H-C-H的鍵角就為109° 28',我在高中剛學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構?；瘜W鍵概念的誕生 上個世紀初期人類發(fā)現了原子核和電子， 但是電子在化學反應中所起的作用， 也就是對化學 鍵本性的認識，卻是到了 20 年代末期以后了。先是路易斯八隅體學說，這時候甲烷的分子結構變?yōu)椤５菍τ诨瘜W鍵更深入的認識是將量子力學引入到化學研究

8、中后的事情了。量子化學的誕生被譽為數學王子的高斯說： “科學規(guī)律只存在于數學之中，化學不在精密科學之列。 ” 聽到這話的阿伏伽德羅不高興了： “數學雖然是自然科學之王，但如果沒有其他學科，數學 就會失去他的真正價值。 ”此話惹得高斯這位數學權威竟發(fā)起怒來： “對數學來說， 化學充其 量只能起一個奴仆的作用。 ”阿伏加德羅并沒有被壓服，他使用實驗事實進一步來證實自己 的觀點。他十分自豪地說： “請看吧，只要化學愿意，它就能使 1 加 1 不等于 2。數學能做 到這一點嗎 ?”雖然阿伏伽德羅這么反駁貌似占了上風，但是沒有數學支撐的科學的確毫無嚴密性可 言，如果化學沒有數學作為自己的支持從而建立起一

9、套嚴密完整的體系， 而只是那種以實驗 為基礎的經驗式和總結式的科學，那么這個學科將毫無希望可言。20 世紀 20 年代末至 30 年代中是量子力學和化學結合的初期，而這一事件的發(fā)展歷史就可 以看作是人類對化學鍵理論深入認識的歷史。 價健理論的主要創(chuàng)立者是美國量子化學家萊納 斯卡爾鮑林，他一開始就力圖將量子力學和化學結構問題緊密結合，鮑林在接受路易斯化學鍵電子理論， 吸收海森堡量子共振概念以及倫敦和海特勒對氫分子結構近似處理的啟發(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型的問題， 建立 了雜化軌道理論。鮑林所著的化學鍵的本質一書詳細的記述了他的價健理論。人們已經知

10、道甲烷分子是正四面體的構型， 雜化軌道理論給了這個構型理論的解釋， 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， 鮑林也建立起了雜化鍵軌道波函數， 但是這理論并不是能解釋所 有的實驗現象， 而且有大量的假設， 只不過是大部分情況下很好的符合實驗結果而已 （當然 包括量子力學在內， 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 理論中強調電子配對所造成的電子波函數難于進行數學計算的缺點，建立了分子軌道理論。 分子軌道理論處理分子結構的結果與分子光譜數據吻合， 因此在 20 世紀 50 年代逐漸取代價 健理論， 但是隨著計算科學的高速發(fā)展， 又給了價健理論一個復興的機會。雖然如今化學已經發(fā)展到了一個相當的高度，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