人类发现认识甲烷的历程.pdfVIP

人类发现认识甲烷的历程

甲烷是最简单的烷烃，同时甲烷也是最简单的有机物，是含碳量最小含氢量最大的烃，

是沼气、天然气、瓦斯、坑道气以及油田气的主要成分，在这篇小文章里，似说甲烷，但实

质上是通过人们对甲烷结构的认识来回溯一下人们认识微观世界分子中原子相互作用关系

的历史。

甲烷的发现

公元前1066至公元前771年，我国西周年代写成的算卦占卜的书《周易》中，在谈到

一些自然界发生的现象时说：“象曰：‘泽中有火。’”这里的“泽”就是沼泽。“火井”是我

国古代人们给天然气井的形象命名。根据现已发现的文字记载，在我国辽阔的土地上，北起

长城内外，南到云贵高原，西至玉门关外，东临黄海之滨和台湾省，古代都曾发现过天然气，

有的地方早在2000年前就钻凿了天然气井。

18世纪的欧洲科学家们发现了甲烷后，科学地研究了它。发明电池的意大利物理学家

伏打（A.Volta,1745—1827）,在1776年11月14日、21日、26日和12月8日写给他的友人

的信中，叙述了发现甲烷的经过。他在意大利北部科摩（Como）湖的淤泥中收集到一种气

体，是用木棒搅动淤泥，让冒出的气泡通入倒转过来并充满水的瓶中。他点燃了这一气体火

焰呈青蓝色，燃烧较慢，需要10-12倍体积的空气才会燃烧爆炸，不同于可燃性空气（氢气）

的燃烧。提出原子论的英国化学家道尔顿也和伏打一样收集了沼气，并进行了研究。1790

年英国医生奥斯汀发表燃烧甲烷和氢气的报告。他测定了甲烷比氢气重。而且氢气燃烧生成

水，甲烷燃烧生成水和二氧化碳。他确定甲烷是碳和氢的化合物。

对甲烷的早期研究

对于甲烷这么一个最简单的有机物，人类为了认识它的分子结构并达到了今天的程度，花去

了百年以上的时间！更不知道有多少化学界的前辈，用了多少无眠的夜晚，一遍遍的思索想

象和探求着。

1808年，被恩格斯誉为近代化学之父的原子论创立者道尔顿用

表示甲烷的分子结构，这个表示方法表明，道尔顿认为甲烷分子是有两个氢原子和一个碳原

子构成的，这在今天看来显然是很不正确的，但是这么表示是利用了当时初建的原子分子学

说，这个表示式是化学科学中出现最早的一个结构式，它的提出开创了深入认识物质本性的

先例。

随着人们的认识越来越深入，继道尔顿之后的指明瑞典学者齐利乌斯就把现在大部分仍在使

用着的元素符号引入有机化学。后来德国化学家凯库勒提出了碳原子是四价的概念和碳原子

本身可以互相连接的概念，俄国的布特列洛夫提出了分子中原子排列的状况，即化学结构的

概念和这种结构和性质之间关系的概念。这些概念的确立，为人们认识甲烷分子的结构提供

了理论依据，人们就在这些认识的基础上相继提出了

三种甲烷的结构式，但是这却是道尔顿提出甲烷图式半个世纪后的事情了。可见人类认识微

观世界分子的结构所耗费的时间是相当长的，人类本身的认知能力还是有相当一部分局限性

的，化学最需要的就是基于事实的想象。

立体化学出现了

18世纪60年代初期，虽然经过凯库勒、布特列洛夫等人的努力，化学结构的概念已经基本

确立，但是一直到70年代，作为表示物质分子结构符号的结构式，仍然在反映实际情况上

不断出现矛盾，而且相当混乱。

这种写法随着有机化合物种类的增多，发现的物质越来越复杂，在更复杂的有机分子面前，

这种表述方法显得越来越无力。

这种结构式的写法，已经比较正确的表示了分子中原子之间的相互位置关系和连接方式，但

是在异构体的表述上，写出的异构体数目总要少于实际已经发现的数目，而正是这种矛盾的

出现，使人类对化学的认识上升到了立体化学的层面。

1874年，范霍夫和列别尔分别从旋光异构体的数目出发，提出了碳原子具有四面体结构的

学说。他们假定分子内原子和原子团的位置只有一种是稳定的,而且不能互换位置，然后再

进一步引入对称性的要求，就导出了碳的四个价键不是伸向一个平面的结论。对于这一结论，

列别尔则是小心翼翼地只暗示了它具有四面体结构的可能，而范霍夫则大胆明确地提出了四

面体假说,即甲烷分子中，碳原子位于正四面体的中心，连接氢原子的四个键伸向四面体的

四个顶点。这样甲烷的分子结构又可以用

和

来表示了。范特霍夫提出的甲烷正四面体假说，以及根据这一假说所衍生出来的一系列重要

的推论，在自然科学的许多领域有着深远的影响，而且，对分子概念的正确认识和深化是和

19世纪这些概念的产生是分不开的。

但是新的学说的出现总不是一帆风顺的，范特霍夫提出的学说遭到了强烈的批判，但是无论

怎么样，甲烷正四面体结构由近代X-射线和电子衍射的进一步证明，因为H-C-H的键角就

为109°