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卡文迪西由氣生水
資料來源:科學研習月刊50-1

文/林雅凡 臺大化學系講師
從希臘哲人亞里斯多德(Aristotle, 384-322 BC)以來,西方人有很長一 段時間相信:物質世界由「土、火、空 氣、水」這四種元素所組成。直到18世 紀,人們在化學實驗上累積足夠的技能 與分析方法後,方能推翻此一假設。 如果仔細觀察坊間礦泉水上的包 裝,有的會標示「H2O純水」,意味著 水是由氫(H)和氧(O)所組成的化 合物。這是否有點不可思議呢?氫和氧 都是看不見摸不著的氣體,如何形成能 碰能觀的水? 這個問題的答案跟氫氣 的發現有關。 如今一般咸認英國科學家卡文狄西 (Henry Cavendish, 1731-1810 AD) 是氫元素的發現者;然而他卻不是史上 第一位發現、製備氫氣的人。西元16世 紀的瑞士醫生帕拉塞斯(Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD)曾在將鐵 屑溶於稀硫酸的過程中, 發現有氣體

(也就是氫)釋出,他描述那情形:「空氣上升而像 風一樣溢散。」 一個世紀後, 旅居英法的瑞士籍醫生梅耶 (Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD)重複帕拉塞 斯的實驗時,發現氫氣「可燃」的性質。西元1670 年間,英國科學家波以耳(Robert Boyle, 1627-1691 AD)嘗試收集氫氣,並進一步發現氫氣只有和其他 空氣混合時才可燃。
圖一 坊間所賣的純水,包裝上標有水的化學式H2O

排水集氣
雖然科學家早懂得製備氫氣,在18世紀以前, 卻沒有科學家能對氫氣的性質作精確的描述與分析。 為其帶來曙光的,正是英國貴族科學家亨利.卡文狄 西。西元1766年,卡文狄西將鐵、鋅、錫等金屬分別 與鹽酸與硫酸反應,發現都有氣體釋出。為了研究這 些實驗所釋放出來的氣體性質,卡文狄西嘗試以「排 水集氣法」收集它們。他發現,這三種金屬與足量的 各種酸作用,產生的氣體性質相同;不僅如此,使用 某種金屬實驗時,只要用量固定,且酸供量足夠,收 集到的氣體量便相同,與酸的種類、濃度無關。

卡文狄西估計出此氣體密度僅為空氣的9%,這 就是現在我們熟知的氫氣。從這些定量與定性的結果 來看,卡文狄西推斷「從不同種類金屬與酸製備出的 可燃氣體應為同一種物質。」不過因為卡文狄西信仰 當時流行的「燃素說」,對於「可燃氣體從何而來」並未能夠進一步解釋。什麼是燃素說 呢?十七世紀前後的人們大多認為: 「燃燒是一種分解過程,物質燃燒時 會釋放出燃素。金屬裡當然也含有燃 素,透過燃燒而釋放出來。」卡文狄 西於是認定這可燃的奇妙氣體是鋅、 鐵、錫的基本成分,在加入酸時被釋 放出來;甚至一度認定氫氣即為當時 所討論的燃素。只是,經由精確實驗 測定,發現氫氣雖輕,卻仍具備正質 量,這與當時對「燃素質量」的認知 不完全一致,也讓他對氫氣的研究陷 入膠著。

氧氣加入
對於氣體的研究,在當時社會蔚 為風潮。其中包括氧的製備與研究, 普里斯特利(Joseph Priestley, 1733- 1804 AD)將氧命名為「脫去燃素的 空氣」。西元1 7 8 1 年, 普里斯特利 與其助手瓦爾提爾(John Warltire, 1725/6-1810 AD)利用電火花引爆 空氣和氫氣,發現反應後在瓶壁上有 露珠形成,且大量釋出熱;若秤量反 應後質量,則較反應前為少。他們認 為質量的減輕乃因反應後熱的溢失所 致。這個實驗引起了卡文狄西的興 趣,他認為實驗結果得到質量的減輕 應為實驗誤差,因為他並不相信熱具 備質量。 在好奇心與實事求是的精神驅使 下,卡文狄西除了重複普里斯特利的 實驗,更進一步以氧氣取代空氣,進 行相同的實驗,並精確記錄各成分體 積與重量的變化。他發現如果將壁上 露珠也列入計算,反應前後的質量便 相同。經由仔細的確認,他發現這些 露珠即是「水」。並經由精密量化實 驗,卡文狄西確認當氫與氧體積為二 比一時,能得到最大量的水。 前面提到,在卡文迪西的時代, 人們還相信水是四大元素之一,也相 信有燃素存在。因此,卡文迪西遷就 「燃素」與「水是元素」這兩個觀 念, 而對實驗結果做出如下詮釋: 「可燃氣體由燃素與水組成,『脫去 燃素的空氣』盜取水元素後,水自燃 素中脫離而釋出。」
圖二  卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一
圖二  卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一 位英國牧師黑爾斯
(S t e p h e n H a l e s , 1 6 6 7 - 1 7 6 1 ) 首先發明, 1 8 世紀普里斯特利做進一步改進。
聰明的瓦特
不過在這同時,蒸氣機的發明者 瓦特(James Watt, 1736-1819 AD) 早已猜想到「水在足夠熱量下,應會 轉換成其他氣體」。普里斯特利得知 卡文狄西的實驗結果後,再重複相同 實驗,結果與卡文狄西一致,納悶之 餘找瓦特切磋討論。瓦特結合過去自 己合理的懷疑,提供這相同的實驗結 果截然不同的註解:「水由『脫去燃 素空氣』與『可燃氣體』所組成。」 1782 年, 拉瓦節(Antoine - LaurentdeLavoisier, 1743 - 1794 AD)再度進行此實驗,並進一步將 水蒸汽分解成氫與氧,再根據他提出 的新化學觀念,判斷「水不是元素, 而是氫和氧結合的化合物」。拉瓦節 並將過去稱為「可燃空氣」的氫氣, 更名為「Hydrogen」,意思是「生成 水的」。這才終結兩千多年來,人們 把水視為元素的迷思。 事後觀之, 究竟誰才配得這頂 「揭示真理」的桂冠?是做出美麗實 驗,卻扼腕於無法提出有新意之解釋 的卡文狄西?還是僅以創意脫穎而出 的瓦特?抑或是集此系列實驗於大成 的拉瓦節?直到如今,這仍是一個頗 具爭議性的問題。這未曾停止辯論的 議題,一方面啟迪了我們:先鋒者的 競爭固然促成知識的演進,但真理終 能全然被闡明,卻不僅歸功於個人的 智慧,也應考慮整個時代科學家的努 力累積。另一方面,卡文狄西的實驗 也的確展現了化學的美學典範之一: 觀察詳實,計量精確。 回顧這段科學史,可以發現人們 最初對世界萬物的假設,或許會在下 一刻被推翻,但卻不會僅因如此,而 讓過去的努力變得毫無價值。卡文迪 西未能跨越燃素說,對自己的實驗提 出符合新科學潮流的解釋,但他的實 驗卻是將亞里斯多德的四元素論送進 棺墓,釘上了最後一根釘子。從那裡 拉瓦節看見了帷幕揭開的一角,與新 世代化學的微光。
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