原子分子論確立過程及其科學價值

趙存梅 莫尊理 張華敏

（西北師范大學 甘肅 蘭州 730070）

一、問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》的教學建議中鼓勵和倡導教師可以利用化學實驗、科學史實、新聞報道等多種素材作為導入課堂的情境。［1］化學作為一門從原子、分子水平上研究物質的科學，讓學生更充分、完整地理解原子分子的本質、原子分子論確立的過程及其體現出的科學精神和科學思維之極其重要。因此有必要梳理清楚原子分子論確立的來龍去脈，凝練其中的科學價值和教學價值，為一線的教學提供可借鑒的化學史素材。

二、原子分子論的發展歷史梳理

原子論是哲學家與科學家之間圍繞“構成物質的終極單位究竟是什么？”這一問題而展開思考與研究的一種學說，［2］其歷史發展可謂精彩紛呈，充滿哲學思辨。作為進入化學學科的“門檻”，原子分子的教學不只是讓學生體會到微觀粒子的存在，更是要讓學生從化學學科的角度得到科學思想與精神的啟蒙，梳理其確立的歷史過程，凝練其科學價值。

通過梳理原子分子論的確立過程，整理出具有代表性的四個不同時期的原子分子論，［3，4］如表1 所示，以時間線為順序呈現不同時期人們對微觀世界的探索與認識。

表1 原子分子論的歷史資料

三、原子分子論確立過程的科學價值

通過對原子分子論的提出、發展及確立過程的簡單梳理，發現其從假說到客觀事實的發展過程中蘊含著豐富的科學價值，對發展學生的學科理解有重要的啟示作用。

1.結合了科學的思考與規范的實驗

科學史前進的每一步都離不開思維的指導與實踐的檢驗，原子分子論的確立就是個典型的例證。道爾頓從18世紀后半葉開始對氣象學進行研究，他不斷積累理論知識，在思考氣體的物理性質究竟是怎么樣的同時，開始積極探索，通過做實驗來考察氣體性質，最終在理論的指導與實驗的驗證下，提出氣體分壓定律、倍比定律等一系列著名論斷。這些發現為原子論的建立提供了理論基礎，甚至可以說，道爾頓如果沒有對氣象學孜孜不倦的研究，那么他可能很難提出原子學說，近代化學的新時期也很難由他開啟。阿伏加德羅亦是如此，他的分子假說，不僅劃清了原子與分子的界限，而且還指明分子與原子之間的關系：分子是由原子構成的。之所以能得出這樣的結論，是因為阿伏加德羅將道爾頓與蓋·呂薩克（Joseph Louis Guy-Lusack，1778—1850）之間的爭論進行細致地對比與研究，通過科學合理的推理，引入分子的概念將“半個原子”矛盾進行了化解，在此基礎上，阿伏伽德羅進行了大量的實驗，利用實驗去檢驗其思考的問題，發現氣態物質化合反應時具有簡單的整數比，基于這個實驗結論，他對蓋·呂薩克的分子假說進行修正并提出：同溫同壓下，相同體積的任何氣體所含有的分子數目是相等的。

化學作為一門以實驗為基礎的自然科學，科學思考與規范實驗缺一不可，原子分子論的確立無疑為這一規律提供了強有力的佐證。其實縱觀整個科學史發展的脈絡，每一次科學理論的發展均是如此，就原子分子論而言，對該理論發展做出貢獻的科學家（無論是物理學家還是化學家）均通過科學思考與規范實驗相結合，一步步推理、一步步驗證得到結論。因此，原子分子論的確立科學、準確、客觀地描述了從原子論到分子學說的過程，其提出意義重大。

2.滲透著科學本質觀思想

亞里士多德將實體（即物質的本質）作為研究哲學的對象，認為研究實體的哲學才是第一科學。［5］由此可見要想了解科學，必須從科學本質觀入手。而科學本質觀教育是國際科學教育的重要目標，體現在世界各國的科學課程改革文件中（如美國、英國、加拿大、南非、澳大利亞）。我國最新修訂的《普通高中化學課程標準（2017年版）》中多次強調要促進學生對科學本質的理解。［6］然而學生對科學本質的認識現狀不容樂觀，高中化學科學本質教育現狀并不理想，還需要廣大一線教師在實踐中從各個層面上提高認識。［7］因此，從初中化學學習中注重啟蒙與培養學生的科學本質意識勢在必行，原子分子論的確立從各階段滲透著科學本質觀思想，教師可充分挖掘其價值。

首先，原子分子論發展的每個階段都具有暫時性。從早期的留基伯與德謨克里特對原子的認識，到道爾頓原子論的提出；從道爾頓與蓋·呂薩克之間的學術爭論，到阿伏伽德羅分子學說的提出。分子學說從不被認可到其地位的確立，這個波瀾壯闊的歷史進程并不是直接連續的，而是具有間接性和暫時性。每位科學家都在前人研究的基礎上創造性地提出自己的觀點，由此推動了科學的進步。

其次，原子分子論的建立史具有一定的創造性。道爾頓在亨利定律（Henry’s Law）的基礎上，通過對氣象學的觀察創造性地提出了原子假說，并將研究方法由定性轉向定量，這種創造性的做法無疑給原子分子論的研究提供了新的研究思路。

第三，原子分子論的建立史脫離不了主觀性。從本體論上講，主觀性是一種存在方式，即事物借助于主體正在被感知或經驗而存在的方式。［8］阿伏伽德羅的分子假說一經問世，便遭到貝采利烏斯的反對，盡管當時的鹵代反應（特別是三氯醋酸的成功制取）已經證明貝采利烏斯的電化二元論是片面的，但分子論建立后很長的一段時間內，道爾頓、貝采利烏斯等人仍不承認其地位，這種主觀性的認識蒙蔽了他們的雙眼，在一定程度上阻礙了科學前進的腳步。

3.蘊含著豐富的學科思維

思維是人腦對客觀事物的間接反映，其借助已有的知識與經驗，對未知事物進行推測最終達到對事物本質的認識，它包含分析、綜合、歸納、演繹等諸多過程。學科思維是某一門具體的學科在發展演變的過程中滲透出來的獨一無二的思想，其涉及在學科提出問題、解決問題的過程中所采取的各種方法、手段、路徑等。任何一門學科都有其獨一無二的學科思維，化學學科也不例外。把學科思維過程作為化學過程的核心，重視學生在知識學習過程中的反省性思維或批判性思維，是培養化學學科思維的基本途徑。［9］原子分子論的確立蘊含著豐富的化學學科思維。首先，道爾頓的原子論就是建立在其對氣體性質的觀察與思考的基礎上，通過總結歸納得到的理論。其次，化學是一門在分子、原子層面研究物質的組成、性質、結構與變化規律，創造新物質的自然科學。［10］因此在化學教學中，通過梳理原子分子論的確立過程，可培養學生的微粒觀，讓學生認識到物質是由微粒構成的，既培養了學生的學科思維能力，也能讓學生達到對化學學科本源性的認識。

4.詮釋了理性的質疑——批判精神

恩格斯曾非常肯定地指出：“懷疑—批判”的頭腦是科學家的一個“主要儀器”。［11］由此可見科學理論發展的過程中理性的質疑與批判是不可或缺的。原子分子論的確立過程充滿質疑與批判的聲音，如果我們將其想象成一幅橫向鋪展開的畫卷，那么這幅畫卷上一定布滿科學家的大膽質疑、理性批判的足跡。科學史的發展向來是存在矛盾就會出現質疑的聲音，不斷出現矛盾就會出現不斷地質疑，直到這個科學理論變得清晰、完整，這是科學理論發展的自然規律。原子分子論發展的過程中就產生過兩次重要的質疑與紛爭。

第一次是道爾頓與蓋·呂薩克之間關于“半個原子”的紛爭。道爾頓的原子論提出來還未真正在科學界立足，蓋·呂薩克就針對原子論的內部矛盾提出了自己的質疑：道爾頓認為元素是由最小的微粒——原子構成的，這就意味著原子是最小的，是無法再分的。但同時他又認為化合物是由“復雜原子（Compound atom）”構成的，“復雜原子”意味著其由更小的原子構成，意味著“復雜原子”可分，那么復雜原子和原子的關系是什么？原子究竟可不可分？這2個原子論內部邏輯上的矛盾就連道爾頓自己都無法解釋。

針對道爾頓原子論中的這一“漏洞”，蓋·呂薩克立足于氣體實驗，創造性地提出了重要假說——同溫同壓下，相同體積的任何氣體中含有的原子數目是一樣的。若這一假說成立，那么原子就不得不“被分割”。如1體積的氫氣與1體積的氯氣化合后生成2體積的氯化氫，每個氯化氫“原子”由半個氫與半個氯組成，這就是“半個原子”的由來。道爾頓對此觀點堅決反對，因此，原子論又一次“陷入僵局”，而這次爭議恰恰為阿伏伽德羅提出分子學說奠定了基礎。道爾頓原子論視角下的化學反應如圖1所示：

圖1 道爾頓原子論視角下的化學反應

“半個原子”的紛爭并沒有阻礙原子論的進一步發展，阿伏伽德羅在原子論的基礎上引入了分子的概念，闡明了分子與原子的區別與聯系。引入分子后的化學反應如圖2所示：

圖2 引入分子概念后的化學反應

原子分子論確立過程中，第二次較大的質疑則發生于阿伏伽德羅分子學說與貝采利烏斯的電化二元論之間。阿伏伽德羅的分子學說提出后，遭到貝采利烏斯質疑，他們的爭論點在于：阿伏伽德羅的分子學說認為原子會以比例組合成分子，分子可以再分為原子，且分子是保持這個物質性質的微粒。而貝采利烏斯提出的電化二元論認為不同的原子帶不同的電荷，因而具有相互吸引力；同種原子帶相同的電荷，會相互排斥，根據這一假說，單質氣體分子是不可能形成多原子分子的。顯然科學的進步證明貝采利烏斯的觀點過于片面，但不得不承認的是，在原子分子發展的進程中，科學家基于事物本身的矛盾進行大膽的質疑精神尤為重要，其揭示了科學理論進步的艱辛歷程，也證明理論本身存在的矛盾才是推動理論發展的根本所在。

批判性思維是創造性思維的前提和基礎，是學會創造性思維的重要途徑。［12］在實際的教學中以原子分子論確立過程為素材，將其貫穿到原子分子教學中，有利于培養學生批判性思維與系統思維，激發學生創造的潛能，同時在學生心中樹立勤奮好學的科學家形象。