诺奖得主阿伦尼乌斯和他的“电离学说”

背景

瑞典著名物理化学家阿伦尼乌斯（图 1），1859 年出生于乌普萨拉，自幼聪慧过人，家境优渥，且接受良好教育，少年时就已经表现出非凡的数学才能，并以优异的成绩考入乌普萨拉大学，学习化学、物理及数学知识。1884 年，年仅 23岁的阿伦尼乌斯提出关于电解质的化学理论，即为著名的“电离学说”，并由此荣获 1903 年诺贝尔化学奖，1905 年成为诺贝尔奖评审委员会主席[1]。

图 1.阿伦尼乌斯（图源自网络）

1 对电离早期的认识

提到电离理论，起初想到的或许并不是电解，更多可能是溶液，人们首先通过对溶液的不断认识与深化，从而促进对电离理论的提升与发展。 

早期英国化学家波义耳（图 2）通过对水溶液的定性分析，发现酸、碱指示剂 ，并发明了石蕊试纸[2]。

图 2.波义耳（图源自网络）

1800 年，英国化学家尼柯尔森、卡里斯尔两人借助伏打电池进行溶液电解，成功发现溶液导电性，以此拉开探究溶液电解的序幕。之后，英国著名化学家戴维（图 3）通过一系列酸、碱、盐溶液的电解实验提出接触学说，认为不同原子在相互接触的过程中，产生感应并生成相反电荷，异性电荷促进原子结合，而电离作用又迫使其离解[2]。

图 3.戴维（图源自网络）

在此基础上，为进一步确定电解产物质量，法拉第（图 4）借助伏打电堆进行溶液定量电解实验，并指出：在电解质溶液中通入电流，即可发生电离现象并产生离子向两电极移动[2]。此时法拉第、戴维均认为只有在通电的情况下电解质溶液才会发生电离，这一推论在当时获得了大多数科学家的认同。

图 4.法拉第（图源自网络）

随后，英国化学家威廉逊及克劳修斯在溶液电离中提出动态平衡观，即电解质溶液中分子的化合与离解自始至终都在进行并处于动态平衡，但此时他们仍旧认为电离是在通电的情况下才能发生，溶液中不通电不可能同时存在大量带电的正、负离子[1]。 

1853-1859 年德国化学家希托夫通过电解盐溶液实验得出结论，不同离子的运动速率不同，之后德国物理学家科尔劳希于 1868 年证明溶液电解时，其正、负离子是独立运动的。他们二人的发现都暗示着不论是否有电流通过，电解质在溶液中均以离子形式存在，遗憾的是均没有得出具体电离结论[1]。

2 电离理论的提出

在此二十年后，1882 年青年学者阿伦尼乌斯在前人实验结果的基础上进行了溶液导电性研究。他发现氨气本身虽然不导电，但在水溶液中却能导电，而且溶液越稀，导电性越强。针对这一电离现象阿伦尼乌斯提出假设，溶液中电解质在不通电的情况下自动电解，并就此展开研究。1883 年，阿伦尼乌斯将此研究成果撰写为自己的博士论文，并将论文分为上下两篇，分别为《电解质的导电性研究》、《电解质的化学理论》[3]。 

第一篇文章中阿伦尼乌斯提出溶液电导率与浓度的关系。第二篇文章是阿伦尼乌斯电离理论的重点说明，文章中提出假设酸碱水溶液的组成分为三个部分，即：水、活化离子、未活化分子，且这三部分处在动态平衡。则当溶液稀释时，活化离子数增多，未活化分子数减少，溶液越稀，离子数越多，导电性越高，电导率越大，当溶液被无限稀释时，分子则全部转化为离子，溶液电导率出现最大值。紧接着阿伦尼乌斯将这种假设扩展到其他可溶性的电解质中，并对其电离度做出定义，以 α 符号进行表示。同时他认为，酸碱的电离度数越大，其强度就越大[3]。 

在论文答辩过程中，阿伦尼乌斯以全新的观念揭示了电离本质，但却遭到了答辩委员会中很多物理学家、化学家的质疑与反对，他们认为这是一种荒谬至极的想法，纯粹属于空想。之后，电离理论正式发布，同样遭到了其他国家化学领域的强烈反对。其中最著名的莫过于元素周期律发现者门捷列夫，他认为阿伦尼乌斯的电离学说违背了戴维和法拉第等人所建立的经典电离理论，纯属无稽之谈，终将被淘汰[4]。 

面对权威化学家的攻击与质疑，阿伦尼乌斯不仅没有因此丧失信心、放弃研究，反而更加勇敢，他坚信自己从科学实验中得出的结论是正确的。于是，阿伦尼乌斯主动将自己的研究成果寄给其他著名化学家，并征求他们对电离学说的看法及意见，例如奥斯特瓦尔德、范霍夫、克劳修斯等人。所谓千里马常有，而伯乐不常有，幸运的是在诸多反对者中阿伦尼乌斯终于找到了自己的伯乐。奥斯特瓦尔德、范霍夫等人对于电离理论都给予了积极肯定的回答，以至奥斯特瓦尔德亲自面见阿伦尼乌斯，并与其一同进行相关内容的研究与探讨（图 5）。

图 5. 奥斯特瓦尔德与阿伦尼乌斯（图源自网络）

随后，阿伦尼乌斯、奥斯特瓦尔德、范霍夫等人一起通过实验研究，借助电离学说向反对者解释了“电解质电离的能量来源，相反电荷未成对原因以及亲和力强的电解质反而容易电离”等一系列具体问题，一步步提高电离学说的正确性、说服力[4]。在他们坚持不懈的努力中，电离学说逐步赢得更多科学家的认同，最终在权威理论的束缚中得到解脱，战胜了与传统观念的辩论。

3 给予我们的启发

电离理论虽然已经发表了一百多年，但它的基本观点至今仍是经典，并且带给我们很多启发。 

（一）阿伦尼乌斯面对强大反对者，勇敢坚定，不屈不挠，并从电导率、渗透压、酸的催化等科学实践中提出证据，大胆反驳，用科学真理向世人说明电离学说的是非正误，这种克服重重困难的不懈精神和无畏的勇气值得我们学习。 

（二）在电离学说确立过程中，阿伦尼乌斯取得胜利的另一个重要因素即为奥斯特瓦尔德和范霍夫等人所提供的合作、帮助及支持。他们三人的密切合作，被誉为是在演奏着美妙和谐的弦乐“三重奏”,所以学习者在学习过程中要有互助合作意识。 

（三）针对科学发展而言 ，新旧观念的争论，虽然不利于新理论的发展但也并不是一无是处。通过争论，可以使新观念接受正反两个方面的严峻考验，从而促使新观念具有更全面、更深入、更扎实的理论支持科学真理，有效防止佐证不足或粗制滥造的理论在科学界肆意横行。因此，有效的学术争论也是科学发展的必要前提。 

（四）从这场争论中通过辩证思维可以看出，科学界的权威人物有时也并非完全正确。例如：著名科学家门捷列夫，依照原子量，发现并归纳元素周期律，制作出世界上第一张元素周期表，为化学发展奠定基础、产生重大影响，但即便是如此伟大的一位科学家，在电离学说的发展上依旧会产生错误理论问题。所以，在科学学习过程中，学习者要有一定的批判意识，学会全方位地分析与认识问题。