臺灣化學教育

威廉·普勞特的經典論文：

關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

 

n  譯者導讀

威廉·普勞特（William Prout，1785年1月15日—1850年4月9日），英國化學家，如圖1左所示。他於1815年以匿名發表一篇名為On the Relation between the
Specific Gravities of Bodies in their Gaseous State and the Weights of their Atoms的論文在《哲學年鑑》（Annals of Philosophy）中，如圖1中所示，中文篇名譯為《關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係》（Prout, 1815）。該篇論文在1970年收錄在《經典科學論文—化學》（Classical Scientific Papers–Chemistry）中，如圖1右所示（Knight, 1970）。

  

圖1：威廉·普勞特（左）、發表的英文原文（中）及收錄的英文版本（右）

（圖片來源：William Prout, https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout; Annals of
Philosophy https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up; Classical
Scientific Papers, https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML）

1815年，普勞特以當時可得的原子量表為基礎，提出一項假說—現今他被人們所銘記的普勞特假說（Prout’s hypothesis）：許多元素的原子量都是氫原子的原子量的整數倍。儘管當時無法準確地測量這項假說，這個概念對於原子結構的基本理解卻具有重要意義。普勞特在此篇論文中以路易·給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）的理論為基礎，計算氣體的比重，例如：氧氣、氮氣、氯氣等；更進一步計算常溫下非氣態物質的比重，例如：碘、碳、硫等，如表A所示。比重是一個重要的物理性質，用於描述物質的體積和重量之間的關係。他在研究不同物質的氣態比重時，發現這些元素的比重剛好為氫氣比重的整數倍。後來，在1920年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）新發現的質子命名為“proton“，其原因就是為了紀念威廉·普勞特的貢獻。

普勞特以其對原子理論的先驅性工作而為人所知，他的貢獻為現代化學和物理學的發展奠定基礎，並對我們了解物質的本質有著深遠的影響。他的論文相當難懂，文中的一些假設也缺乏根據。因此，我們將論文中的部分數據和概念簡述於下。

普勞特整理出各種元素在壓力30英寸（76.2公分）汞柱，溫度控制在攝氏60度下，每100立方英寸（1.6387公升）中的氣體重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg），部分實驗數據見表A。相對於氫氣，各種氣體的比重都是氫氣的整數倍。當然，如今我們知道這些比例不完全是整數，例如：氯氣的比重是氫氣的35.6倍。普勞特的論文中所使用的數據與當時的某些數據不盡相同。他提出氧的相對比重為16，相對原子重量為8，如表A所示。我們猜測，在氫氣和氧氣化合成水蒸氣（2H₂(g) + O₂(g) →2H₂O(g)）的過程中，氧氣的體積變成兩倍體積的水蒸氣，這或許讓普勞特視氧氣為”容易膨脹”的氣體，因此其相對原子重量是相對比重的一半。

表A：普勞特提出各元素的比重、相對比重及相對原子重量

對於化合物的分子，普勞特發現其相對比重也是氫氣的整數倍，部分實驗數據如表B所示。此表中第一欄的現代分子式為譯者所加，表中V_A, V_B,及V_tot分別是化合時元素A和B的體積及產物的總體積：

化合分子中的原子數目分別為

的分子量（普勞特視為原子重量）為

以水為例，氫氣：氧氣：水蒸氣的體積比為1：0.5：1，注意：表B中的分子式為譯者所加，普勞特的時代沒有這些知識。因此水中的氫和氧的原子數目分別為

水中氫和氧原子的數目比為1：1（普勞特的水分子組成為H₁O₁）。普勞特提出水的分子量（他視為原子重量）為

再以合成NO為例，氮氣、氧氣及NO的體積比為1：1：2，

其中氮和氧原子的數目比為1：2（普勞特的組成為N₁O₂）。普勞特NO的分子量（原子重量）為

普勞特認為空氣的體積組成是2倍的氮和0.5倍的氧，普勞特認為空氣的組成是2個氮和1個氧（N₂O₁）的粒子:

因此空氣的相對原子重量為36。

從表B中呈現的分子式，我們可發現普勞特提出的化合物中的元素原子數比例與大部分的現代分子式並不一致。這可能是當時科學家尚未建立有些元素以分子形式存在和化合物中元素含有多原子存在的觀念，而以氣體體積的膨脹或收縮的物理觀念來說明。

表B：普勞特提出其相對比重與其原子數比例之間的關係 

^a普勞特的論文無現代的分子知識，此為譯者加入。

^b普勞特的論文稱之為原子。

^c普勞特提出化合物中原子數比例。

為了易於閱讀的理解，在這篇翻譯論文中，譯者加註現代的化合物化學式和化學反應式在全形中刮號中，並以斜體字呈現，例如：磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂〕，並放置部分原文註解於內文中；且加註英文的專有名詞和當時的物質名稱（俗名）在小刮號內，並以標準字形呈現，例如：碳酸鈣（carbonate of lime），以幫助讀者知道論文中提到的專有名詞和俗名。此外，普勞特當時可能對於化合物或分子中元素含有多原子的概念尚未建立，他統稱化合物或分子為原子（atom(s)），例如：他視碳酸鈣為原子（atoms）；而且在他的論文，以“the weights of their atoms”或“the weight of the atom”表示化合物的示量或分子量，為了避免與現今用語“atomic weight”（原子量）混淆，譯者翻譯其為「原子重量」。

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關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

威廉·普勞特

On the Relation between the Specific Gravities of Bodies in their
Gaseous State and the Weights of their Atoms.

William Prout

Annals of Philosophy 6, 321-30 (1815)

n  前言

這篇文章的作者以謙遜的心向大眾公告：儘管我盡了最大的努力去求得真相，但還是對自己的能力沒有足夠的信心，也無法強制要求其他更優秀的人去證實或推翻文章的結論。期望更多人能夠看到這個主題的重要性，並且希望有人能夠進行檢驗，從而驗證或推翻這個結論。如果結論被證明是錯誤的，調查過程中可能揭示新的事實，或更好地確立舊的事實；但如果結論得到證實，就會為整個化學界帶來新的有趣觀點。

即將提出的觀察是基於給呂薩克先生（M. Gay-Lussac）的體積學說所建立的，至少據我所知，這個學說在當時已被化學家普遍接受。

n  關於基本氣體的比重

1.     氧氣和氮氣（azote）：先前的化學家們似乎沒有將大氣視為由一種化學原理形成的單一化合物，或者對於大氣沒有太大的重視。然而，科學家長久以來已經知道大氣主要由四個體積的氮氣和一個體積的氧氣組成；如果我們將氧原子重量定為10，氮原子重量為17.5，那麼根據質量計算，我們會發現大氣可以視為由一個氧原子和兩個氮原子組成的物質〔〕，是一種含氧重量百分比為22.22%，含氮重量百分比為77.77%的化合物〔1 × 10：2 × 17.5 = 10：35 = 22.22：77.77〕。

正如許多實驗結果，只有假設大氣為一種純物質化合物，才能夠解釋數據的一致性。〔普勞特視空氣為N₂O₁化合物，並假設空氣的分子是一個氧原子和兩個氮原子。該論文中的計算似乎假設等體積的氣體包含相同數量的分子（除氧體之外，一定體積的氧原子所含的數量是其他氣體的兩倍）。〕從這些數據可以發現氧氣的比重為1.1111，氮氣的比重為0.9722 （大氣的比重為1.0000）（原註1：令氧與氮的比重分別為x和y，(x + 4y) / 5 = 1，且x：4y = 22.22：77.77，得x = 1.1111、y = 0.9722）。

2.     氫氣：由於氫氣有極大的流動性以及它與氧氣結合成水的穩定性，一直被認為是相較於其他氣體中最難取得的，因此它的比重比其他氣體更難以測量。於是我從氨氣著手，藉由已知比例的化合物比重計算，可以更準確地獲得氫氣比重。因為漢弗裡·戴維爵士（Sir H. Davy）已經謹慎地測量氨氣的比重，而且氨氣的比重與水蒸氣的比重之間只有微小的差異，誤差的機會大大減少。Biot和Arrago獲得的結果幾乎與戴維得到的結果一致。根據戴維的測量，氨氣的比重為0.590164，大氣的比重視為1.000。由於Biot和Arrago給出的比重比戴維爵士略高，因此我們合理地視氨氣的比重為0.5902。氨氣由三個體積的氫氣和一個體積的氮氣壓縮成兩個體積〔3H₂(g) + N₂(g) → 2NH₃(g)〕。因此計算的氫氣比重為0.0694〔(2 × 0.5902 – 1 × 0.9722) / 3 = 0.0694〕。根據上面的結果，氧氣的比重正好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.01〕〔以現今文獻值觀之，在STP下氧氣的密度為1.429 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氧氣的密度為氫氣的15.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕，而氮氣的比重正好是氫氣的14倍〔0.9722 / 0.0694 = 14.01〕。〔在STP下氮氣的密度為1.2506 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氮氣的密度為氫氣的13.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕

3.     氯氣：根據戴維的實驗，我們可以知道鹽酸（muriatic acid）〔指氣態鹽酸，HCl(g)〕的比重為1.278，與Biot和Arrago的實驗完全吻合。如果我們假設這個比重的錯誤率與我們發現氧氣與氮氣比重的錯誤率相同的話，氣態鹽酸的比重約為1.2845（原註2：Biot和Arrago給出的比重與戴維的比重之差異，在氧氣方面：當1.104：1.1111 ＝ 1.278：1.286（從下面表二查知，實驗得出氧氣的比重為1.104，氧氣的比重為1.1111）；在氮氣方面：當0.969：0.9722 ＝ 1.278：1.283（從表二查知，實驗得出氮氣的比重為0.9722，氮氣的比重為0.969）。1.286 + 1.283的平均值為1.2845），由於氣態鹽酸是由一體積氯氣和一體積氫氣的化合物組成〔Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCl(g)〕，透過計算可得氯氣的比重為2.5〔氣態鹽酸比重為1.2845；氯氣的比重為2 × 1.2845 – 0.0694 = 2.4996〕，湯木森博士（Dr. Thomson）指出2.483更接近真實值，並且與給呂薩克的實驗結果相同，因此我們有充分的證據可以得出結論：氯氣的比重與 2.5相差不大。根據這個假設，氯氣的比重正好為氫氣的36倍〔2.4996 / 0.0694 = 36.02〕。〔以現今文獻值觀之，在STP下氯氣的密度為3.2 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氯氣的密度為氫氣的35.6倍。普勞特計算氯氣的比重與事實之間的誤差不大。〕

n  在常溫下非氣態的基本物質之比重

1.     碘：我有理由懷疑在給呂薩克先生的論文中，對於碘這個原子重量評估有點過高。為了證明這一點，我用30格林（grain）〔1格林 = 64.79891毫克〕非常純淨的鋅片，並從石灰中蒸餾出來50格林的碘，一起進行加熱反應，所形成的溶液是透明無色的。我們發現已經溶解12.9格林的鋅。因此，根據這個實驗，100份的碘與25.8份的鋅結合〔碘與鋅的重量比為50：12.9 = 100：25.8〕，假設鋅的原子重量是40，從這些數據計算得出碘的原子重量為155〔不論是以氣態物質等體積化合或是現代化學計算方法：莫耳數 = 重量 / 原子量，碘的原子量計算皆為155。現今文獻值，鋅的原子量是65.38，碘的原子量為126.9。〕，透過計算，發現碘在氣態狀態下的比重為8.611111，恰好是氫氣的124倍。（原註3：根據給呂薩克的說法，一體積的氫氣僅與半體積的氧氣結合，但能與一體積的氣態碘結合。因此，氧和碘之間的體積比為1/2：1，重量比為1：15.5。現在，半體積氧氣的比重為0.5555，乘以15.5，得到8.61111，並且8.61111 / 0.06944 = 124。）

2.     碳：假設碳的原子重量為7.5。根據計算，一體積的氣態碳比重為0.4166，恰好是氫氣的12倍。〔此處或許為筆誤，應為6倍。〕

3.     硫：硫的原子重量為20〔普勞特假設氧的原子重量為10〕。氣體硫的比重與氧氣相同，即1.1111，恰好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.00〕。

4.     磷：為了確定這種物質的原子重量，我已進行許多實驗，但最終未能讓自己滿意，目前沒有更多的時間讓我繼續研究這個問題。我得到的結果接近沃拉斯頓博士（Dr. Wollaston）給出的結果，我相信這些結果是正確的，或者接近正確的。目前我採用的原子重量是在實驗中獲得的，磷（phosphorus）大約為17.5，磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂，氣態磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷〕定為37.5。

5.     鈣：馬塞特博士（Dr. Marcet）發現，碳酸鈣由43.9%的碳酸（carbonic acid）〔指氣態碳酸，CO₂(g)；原子重量為7.5 + 10 × 2 = 27.5〕和56.1%的氧化鈣（lime）組成〔CO₂(g) + CaO(s) → CaCO₃(s)〕。因此，由碳酸氣體與氧化鈣的比例關係為43.9：56.1 = 27.5：35.1〔等號左邊為重量比，右邊為原子重量比；CO₂的原子重量為27.5〕，可以得出鈣的原子重量為35 – 10 = 25。一體積的鈣氣體的比重為1.3888〔相同體積下，重量比 ＝ 比重比；鈣氣體與氧氣的重量比 = 25：20 = 鈣氣體的比重：1.1111，得到鈣氣體比重為1.3888〕，恰好是氫氣的20倍〔1.3888 / 0.06944 = 20.00〕

6.     鈉：100格林稀鹽酸可以溶解18.6格林碳酸鈣（Carbonate of lime）〔CaCO₃ + 2HCl(aq) → CO₂(g) + CaCl₂(aq)+ H₂O(l)〕，而在等量且相同的稀鹽酸中事先添加30格林非常純淨晶體的亞碳酸鈉鹽（crystallized subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃·nH₂O〕〔Na₂CO₃·nH₂O(s) + 2HCl(aq) → CO₂(g) + 2NaCl(aq)
+ (n+1)H₂O(l)〕，只能溶解8.2格林碳酸鈣。根據實驗結果，30格林碳酸鈉晶體相當於10.4格林碳酸鈣，即10.4：30 = 62.5：180〔碳酸鈣與含結晶水碳酸鈉之重量比等於其原子重量比；CaCO₃的原子重量為25 + 7.5+ 10 × 3 = 62.5；經過計算，Na₂CO₃·nH₂O的原子重量是180。〕。經過加熱後，100格林碳酸鈉晶體失去了62.5格林的水分。因此，180格林的碳酸鈉晶體包含112.5格林的水〔(180 × 62.5) / 100 = 112.5〕和67.5格林的乾燥亞碳酸鈉鹽（dry subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃〕，而且氧化鈉（soda）的原子重量為67.5 –
27.5 = 40〔Na₂CO₃的原子重量為67.5；CO₂的原子量為27.5〕，得到鈉的原子量為40 –10 = 30。因此，鈉氣體的比重為1.6666〔鈉的原子量：氧氣的原子量 = 30：20 =鈉氣體的比重：1.1111，得到鈉氣體的比重為1.6666。〕，恰好是氫氣的24倍〔1.6666 / 0.06944 = 24.00〕。

7.     鐵：100格林的稀鹽酸可以溶解18.6格林的碳酸鈣；同樣100格林的稀鹽酸中，可以溶解10.45格林的鐵〔Fe(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + FeCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：10.4 = 62.5：35.1〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鐵原子重量為35。在氣態狀態下，這種金屬的比重為1.9444〔鐵的原子量：氧氣的原子量 = 35：20 = 鐵氣體比重：1.1111，得到鐵氣比重為1.9444〕，正好是氫氣的28倍〔1.9444 / 0.06944 = 28.00〕。

8.     鋅：使用100格林的稀釋酸，分別溶解18.6格林的碳酸鈣和11.85格林的鋅〔Zn(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + ZnCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：11.85 = 62.5：39.82〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鋅的原子重量為40。在氣態狀態下，這種金屬的比重為2.222〔鋅與氧氣的原子重量比 = 40：20 = 鋅氣體的比重：1.1111，得到鋅氣體的比重為2.222〕，正好是氫氣的32倍〔2.222 / 0.06944 = 32.00〕。

9.     鉀：如同之前一樣，使用100格林的稀鹽酸，溶解18.6格林的碳酸鈣；若加入20格林鉀氧化物的超碳酸鹽（super-carbonate of potash）〔一種含KO₂的混合物，譯者簡稱之為鉀鹽〕後，只有溶解8.7格林碳酸鈣。因此，20格林鉀鹽相當於9.9格林碳酸鈣；由於9.9：20 = 62.5：126.26〔碳酸鈣與鉀鹽的重量比 = 它們的原子重量比；CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鉀鹽的原子重量為126.26。現在，126.26 – (55 + 11.25) = 60〔從表二查知，55可能是氯酸鹽的原子重量，11.25可能是水的原子重量〕，60為氧化鉀（potash）〔K₂O〕的原子重量，而60 – 10 = 50，50為鉀的原子重量。因此，在氣態狀態下，它的比重為2.7777〔鉀與的氧氣原子重量之比 = 50：20 = 鉀氣體的比重：1.1111，得到鉀氣體的比重為2.7777〕，正好是氫氣的40倍〔2.7777 / 0.06944 =40.00〕。

10.鋇（barytium）：使用100格林的稀鹽酸，完全溶解與碳酸鈣相同量的碳酸鋇（carbonate of barytes）。因此，碳酸鋇的原子重量為125；並且125 – 27.5 = 97.5〔BaCO₃(s) → BaO (s)+CO₂(g)；27.5是CO₂的原子重量〕，此值為氧化鋇的原子重量，而97.5 – 10 = 87.5，此值為鋇的原子重量。因此，在氣態狀態下，鋇氣體的比重為4.8611〔鋇與氧氣的原子重量之比 = 87.5：20 = 鋇氣體的比重：1.1111，得到鋇氣體比重為4.8611〕，正好是氫氣的70倍〔4.8611 / 0.06944 =70.00〕。

我極其謹慎地進行這些實驗，並且其中大部分實驗都被重複進行多次，得到的結果幾乎完全一致。

以下表格呈現上述結果的總體概述，同時顯示它們與氧氣和氫氣結合的體積或重量比例；此外，基於類比原則，其他未嚴格檢驗的物質重量也在這裡。

表1：基本元素  

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

表2：與氧結合 

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^***磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷。

表3：與氫化合 

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為grain = 64.79891 mg）

^***欄九兩體積的氫原子量為1，以甲烷為例：氫碳體積比為2：1，氫碳重量比為。

表4：類比得出的物質，但尚未用實驗確定 

n  觀察

表1：在第一欄中，我們呈現不同物質在氣體狀態下的比重，其中氫的比重為1。假設體積為47.21435立方英寸〔773.7毫升〕，這些數字同時代表每個氣體這個數量所佔的相對重量。第三欄是修正後的數字，假設氧的原子重量為10，是根據湯姆森博士、沃拉斯頓博士等的觀察。第四欄則是實驗獲得的數據，以顯示它們的接近程度。對於提到的各個物質，我沒有任何特別的評論，除了對於碘有一點說明。我只進行一次實驗來確定碘物質的原子重量，因此所述的結果可能只能被認為有些不太可靠；事實上，情況確實如此，就連給呂薩克的實驗結果也不會每一次都相同。

表2：該表展示理論與實驗幾乎一致的許多驚人實例。我們採納給呂薩克定律的觀點，實際上在我有機會看到那位化學家關於碘的論文的後半部分之前，就已經編制這張表格的大部分內容。該表格還展示對於體積學說和原子學說之間的關係不清楚而產生的一、兩個錯誤明顯的例子。例如：曾經聲稱氨是由一個氮原子和僅有1.5個氫原子組成，這些被壓縮成兩個體積，因此等於一個原子；這就是為什麼這種物質與其他一些物質一樣，表面上以雙倍比例結合的原因。

表3：這個表格同樣展示一些引人注目的巧合例子。在我開始研究這個主題之前，我經常觀察到許多的原子重量接近整數的現象。湯姆森博士似乎也做出同樣的觀察。值得注意的是，正如湯姆森博士所指出的，這三種磁性金屬（magnetic metals）〔指鐵、鈷及鎳；鐵在表二呈現，鈷和鎳在表四呈現。〕的重量〔原子重量〕相同，正好是氮的兩倍。通常具有相同重量〔原子重量〕的物質似乎容易結合，並在性質上有些相似。

對於這些表格的整體回顧，我們可以注意到以下幾點：

1.         所有的基本數字，假設氫的數字為1，可以被4整除，除了碳、氮和鋇，這些可以被2整除，因此似乎表明它們的重量受到比單位數字或氫更高的數字修飾。另一個數字是16，或者氧嗎？所有的物質都是由這兩個元素組成的嗎？因此，這似乎表明它們的重量被比單位或氫更高的數量修飾。

2.         氧似乎不以兩個體積或四個原子的比例進入化合物。

3.         所有的氣體，在盡可能乾燥之後，仍然含有水，假設目前的觀點是正確的，那麼可以最準確地確定其含量。

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n  參考文獻

Prout, W. (1815). On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. Annals of Philosophy, 6, 321-330. Retried from https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up

Knight, D. M. (1970). Classical Scientific Papers–Chemistry, Second Series: Papers on the nature and arrangement of the chemical elements. London: Mills & Boon. Retried from https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML

William Prout. (2022, December 22). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved
December 14, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout.