首創(chuàng)電離學說的化學家——阿累尼烏斯 溶質(zhì)溶解在溶劑中,就會使溶劑的性質(zhì)發(fā)生變化。
例如,在一定量的溶劑中溶解一定量的溶質(zhì)以后,所形成溶液的蒸氣壓就比純?nèi)軇┑牡鸵恍蝗芤旱姆悬c比純?nèi)軇┑母咭恍?;溶液的凝固點比純?nèi)軇┑牡鸵恍τ诜请娊赓|(zhì)的溶液來說,蒸氣壓降低的數(shù)值與溶液的重量摩爾濃度成正比,如果溶質(zhì)是酸、堿、鹽,則實驗測得的數(shù)值與理論計算值會產(chǎn)生相當大的偏差。而且酸、堿、鹽的稀溶液的蒸氣壓降低、沸點升高、凝固點下降都比同濃度的非電解質(zhì)溶液的數(shù)值要大些。通常把酸、堿、鹽一類溶液的這種性質(zhì)稱為“反常行為”,溶液越稀,“反常程度”越突出。荷蘭化學家范霍夫指出:在計算溶液的蒸氣壓降低、沸點升高、凝固點下降、滲透壓時,應該引入校正系數(shù),溶液越稀,校正系數(shù)越大。但是他并不能從理論上解釋,為什么會存在這些“反常行為”?為什么必須使用校正系數(shù)?解決這個問題的是范霍夫同時代的化學家阿累尼烏斯。
1859年2月19日阿累尼烏斯生于瑞典烏普薩拉附近的維克城堡,父親是烏普薩拉大學的學監(jiān)。他從小非常聰明,17歲考入烏普薩拉大學,1978年畢業(yè)后,由于烏普薩拉大學在化學的教學和研究中相當?shù)谋J兀@樣就促使阿累尼烏斯離開了這所古老的大學,來到瑞典科學院物理研究所,擔任埃德倫德教授的助手。當時,埃德倫德正在研究和測量溶液的電導,在他的指導下,阿累尼烏斯于1882年開始研究濃度很稀的電解質(zhì)溶液的電導,并于1883年寫出了博士論文《電解質(zhì)的導電性研究》,提出了電解質(zhì)在水溶液中自動離解成游離的帶電粒子的概念。對電解質(zhì)電離的研究,可以追溯到法拉弟時代。法拉弟在研究電解反應時,把電解以前未被分解的物質(zhì)叫做電解質(zhì),意思是這種物質(zhì)乃是用電流能夠使它分解的物質(zhì)。他還認為,溶液中的電流是由帶電荷的被分解的物質(zhì)輸送的,這種物質(zhì)叫做離子,它的含義是被電流分解出來的物質(zhì)。后來希托夫德和柯爾勞希20000060_0336_1德都研究過離子在溶液中的遷移,但是他們也都認為離子是通電后產(chǎn)生的。在眾多的研究電解質(zhì)電離的化學家中,只有A.威廉森20000060_0337_0英和克勞胥斯德具有與阿累尼烏斯相類似的見解。他們認為:電解質(zhì)的分子與形成它們的原子之間存在著動態(tài)平衡,電解質(zhì)分子與鄰近的分子之間不斷地交換原子,因此分子的離解和原子的化合永遠在連續(xù)不斷地進行。但是,他們又認為這些離解出來的原子只能在很短的時間內(nèi)存在,即他們只相信電解質(zhì)只有極小的離解度,認為在常溫下溶液中的分子不可能大量的離解。阿累尼烏斯正是在前人的基礎上,通過研究電解質(zhì)溶液的導電性,發(fā)展了電離理論。他的觀點與法拉弟、希托夫、柯爾勞希的差別在于:后面三位科學家認為離子是通電以后產(chǎn)生的;阿累尼烏斯則認為,在通電以前,電解質(zhì)就已經(jīng)在水溶液中離解了。阿累尼烏斯的觀點與A.威廉森和克勞胥斯的區(qū)別在于:后者認為電解質(zhì)在水溶液中的離解度極?。磺罢邉t認為離解度很大,而且溶液越稀,離解度越大。阿累尼烏斯的新觀點在當時的化學界引起了很大的爭論。就在他的論文答辯會上,到會的多數(shù)化學家和物理學家都認為他的實驗工作做得不錯。但是他們對于阿累尼烏斯關于離子不是在電流作用下產(chǎn)生的這種觀點,卻表示難以接受。主持答辯的克利夫瑞教授甚至認為這是一種荒唐的結(jié)論。盡管阿累尼烏斯的論文被通過了,而且也獲得了烏普薩拉大學的博士學位,但是,由于多數(shù)教授對他的論文的評價不高,使他沒有獲得應有的地位,烏普薩拉大學甚至未授給他渴望已久的物理學講師一職。多虧著名的物理化學家奧斯特瓦爾德幫助,特別約請阿累尼烏斯到里加大學任副教授,在這種壓力下,烏普薩拉大學當局才被迫于1884年授予阿累尼烏斯物理化學講師一職。
1885年阿累尼烏斯在埃德倫德的幫助下,從瑞典科學院獲得了一筆獎學金,出國研究物理化學。在國外,他有機會結(jié)識了著名的物理化學家范霍夫和能斯特德,并同他們合作,進行物理化學研究。
1887年阿累尼烏斯通過進一步的實驗研究,發(fā)表了另一篇論文《關于溶質(zhì)在水中的離解》,論文不但重申了電解質(zhì)溶于水就會自發(fā)地、大量地離解成正、負離子。而且還作出了更重要的貢獻,即對電解質(zhì)的電離作了定量的計算,這是他的工作與前人又一不同之處。他在論文中指出,把同量的電解質(zhì)溶解在不同量的水中,則溶液越稀,電離度越大,即分子電導μ越大。當將溶液進行無限稀釋時,電解質(zhì)分子已經(jīng)幾乎全部變成了離子,這時測得的溶液的分子電導為μ∞,它達到了最大值。他將比值μ/μ∞叫做“活度系數(shù)”,以α表示之(在現(xiàn)代的教科書中,α稱為離解度)。以上就是電離理論的主要論點。電離理論很好地解釋了酸、堿、鹽溶液的蒸氣壓降低、沸點升高、凝固點下降的數(shù)值所出現(xiàn)的“反常情況”。阿累尼烏斯指出,只有在水溶液中不會發(fā)生離解的非電解質(zhì)的溶液才遵守凝固點下降公式和滲透壓公式: PV=KT 酸、堿、鹽之所以不遵守這兩個公式,是由于它們在水溶液中離解成離子,使溶液內(nèi)溶質(zhì)的粒子數(shù)增加了,所以才需要在公式右邊乘上范霍夫提出的校正系數(shù)i(i>1),使實驗結(jié)果與理論計算相符合。PV=iKT 如果一個分子不只電離成兩個離子,而是電離成n個離子,那么i=1+(n-1)α。阿累尼烏斯從電導實驗得到的數(shù)據(jù)計算出了α值,再從α計算出i;他又從凝固點下降實驗的結(jié)果計算了i值。他發(fā)現(xiàn)用這二種完全不同的實驗方法所得到的i值竟然十分符合,再一次說明了電離理論是正確的。電離理論認為:溶液越稀,“活度系數(shù)即”α越大,i值就越接近n。當n=2時,i值接近2;當n=3時,i值接近3。電離理論解釋了酸、堿的強度,即離解度大的是強酸和強堿;離解度小的是弱酸和弱堿。它還能說明中和反應和水解反應的本質(zhì)以及緩沖作用的機理,例如強酸和強堿之間的中和反應在實質(zhì)上都是氫離子和氫氧根離子的反應,因此,不論是什么強酸和強堿,只要它們是稀釋的水溶液,其中和熱必然是相同的。