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【十大美丽化学实验】专文02 卡文迪西由气生水


2020-06-12



【十大美丽化学实验】专文02 卡文迪西由气生水

瓶中的卡文迪西先生。(插画/HANa)

从希腊哲人亚里斯多德(Aristotle, 384-322 BC)以来,西方人有很长一段时间相信:物质世界由「土、火、空气、水」这四种元素所组成。直到18世纪,人们在化学实验上累积足够的技能与分析方法后,方能推翻此一假设。

如果仔细观察坊间矿泉水上的包装,有的会标示「H2O纯水」,意味着水是由氢(H)和氧(O)所组成的化合物。这是否有点不可思议呢?氢和氧都是看不见摸不着的气体,如何形成能碰能观的水? 这个问题的答案跟氢气的发现有关。

如今一般咸认英国科学家卡文狄西(Henry Cavendish, 1731-1810 AD)是氢元素的发现者;然而他却不是史上第一位发现、製备氢气的人。西元16世纪的瑞士医生帕拉塞斯(Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD)曾在将铁屑溶于稀硫酸的过程中,发现有气体(也就是氢)释出,他描述那情形:「空气上升而像风一样溢散。」

一个世纪后,旅居英法的瑞士籍医生梅耶(Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD)重複帕拉塞斯的实验时,发现氢气「可燃」的性质。西元1670年间,英国科学家波以耳(Robert Boyle, 1627-1691 AD)尝试收集氢气,并进一步发现氢气只有和其他空气混合时才可燃。

排水集气

虽然科学家早懂得製备氢气,在18世纪以前,却没有科学家能对氢气的性质作精确的描述与分析。为其带来曙光的,正是英国贵族科学家亨利.卡文狄西。西元1766年,卡文狄西将铁、锌、锡等金属分别与盐酸与硫酸反应,发现都有气体释出。为了研究这些实验所释放出来的气体性质,卡文狄西尝试以「排水集气法」收集它们。他发现,这三种金属与足量的各种酸作用,产生的气体性质相同;不仅如此,使用某种金属实验时,只要用量固定,且酸供量足够,收集到的气体量便相同,与酸的种类、浓度无关。

卡文狄西估计出此气体密度仅为空气的9%,这就是现在我们熟知的氢气。从这些定量与定性的结果来看,卡文狄西推断「从不同种类金属与酸製备出的可燃气体应为同一种物质。」不过因为卡文狄西信仰当时流行的「燃素说」,对于「可燃气体从何而来」并未能够进一步解释。什幺是燃素说呢?十七世纪前后的人们大多认为:「燃烧是一种分解过程,物质燃烧时会释放出燃素。金属里当然也含有燃素,透过燃烧而释放出来。」卡文狄西于是认定这可燃的奇妙气体是锌、铁、锡的基本成分,在加入酸时被释放出来;甚至一度认定氢气即为当时所讨论的燃素。只是,经由精确实验测定,发现氢气虽轻,却仍具备正质量,这与当时对「燃素质量」的认知不完全一致,也让他对氢气的研究陷入胶着。

氧气加入

对于气体的研究,在当时社会蔚为风潮。其中包括氧的製备与研究,普里斯特利(Joseph Priestley, 1733-1804 AD)将氧命名为「脱去燃素的空气」。西元1781年,普里斯特利与其助手瓦尔提尔(John Warltire, 1725/6-1810 AD)利用电火花引爆空气和氢气,发现反应后在瓶壁上有露珠形成,且大量释出热;若秤量反应后质量,则较反应前为少。他们认为质量的减轻乃因反应后热的溢失所致。这个实验引起了卡文狄西的兴趣,他认为实验结果得到质量的减轻应为实验误差,因为他并不相信热具备质量。

在好奇心与实事求是的精神驱使下,卡文狄西除了重複普里斯特利的实验,更进一步以氧气取代空气,进行相同的实验,并精确记录各成分体积与重量的变化。他发现如果将壁上露珠也列入计算,反应前后的质量便相同。经由仔细的确认,他发现这些露珠即是「水」。并经由精密量化实验,卡文狄西确认当氢与氧体积为二比一时,能得到最大量的水。

前面提到,在卡文迪西的时代,人们还相信水是四大元素之一,也相信有燃素存在。因此,卡文迪西迁就「燃素」与「水是元素」这两个观念,而对实验结果做出如下诠释:「可燃气体由燃素与水组成,『脱去燃素的空气』盗取水元素后,水自燃素中脱离而释出。」

聪明的瓦特

不过在这同时,蒸气机的发明者瓦特(James Watt, 1736-1819 AD)早已猜想到「水在足够热量下,应会转换成其他气体」。普里斯特利得知卡文狄西的实验结果后,再重複相同实验,结果与卡文狄西一致,纳闷之余找瓦特切磋讨论。瓦特结合过去自己合理的怀疑,提供这相同的实验结果截然不同的注解:「水由『脱去燃素空气』与『可燃气体』所组成。」

1782年,拉瓦节(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794 AD)再度进行此实验,并进一步将水蒸汽分解成氢与氧,再根据他提出的新化学观念,判断「水不是元素,而是氢和氧结合的化合物」。拉瓦节并将过去称为「可燃空气」的氢气,更名为「Hydrogen」,意思是「生成水的」。这才终结两千多年来,人们把水视为元素的迷思。

事后观之,究竟谁才配得这顶「揭示真理」的桂冠?是做出美丽实验,却扼腕于无法提出有新意之解释的卡文狄西?还是仅以创意脱颖而出的瓦特?抑或是集此系列实验于大成的拉瓦节?直到如今,这仍是一个颇具争议性的问题。这未曾停止辩论的议题,一方面启迪了我们:先锋者的竞争固然促成知识的演进,但真理终能全然被阐明,却不仅归功于个人的智慧,也应考虑整个时代科学家的努力累积。另一方面,卡文狄西的实验也的确展现了化学的美学典範之一:观察详实,计量精确。

回顾这段科学史,可以发现人们最初对世界万物的假设,或许会在下一刻被推翻,但却不会仅因如此,而让过去的努力变得毫无价值。卡文迪西未能跨越燃素说,对自己的实验提出符合新科学潮流的解释,但他的实验却是将亚里斯多德的四元素论送进棺墓,钉上了最后一根钉子。从那里拉瓦节看见了帷幕揭开的一角,与新世代化学的微光。

 

 

参考资料:

1. Sutton, M. “Airs and Graces” Chemistry World, 2010, October, 50-53

2. Broich, J. “Discovering Water: James Watt, Henry Cavendish, and the Nineteenth-century “Water Controversy” ” Victorian Studies 2006, 48(3), 574-576.

3. Seitz, F. “Henry Cavendish: the Catalyst for the Chemical Revolution” Notes Rec. R. Soc. 2005, 59, 175-199

4. Ball, P. “An Element Compounded Cavendish’s Water and the Beauty of Detail” Elegant Solutions: Ten Beautiful Experiments in Chemistry, 2005, Springer (Royal Society of Chemistry)

5. Jacobsen, A. “Water Controversy” Minerva, 2002, 44, 459-462.

6. Miller, D. “’Distributing Discovery’ between Watt and Cavendish: A Reassessment of the Nineteenth-Century ‘Water Controversy’” Ann. Sci., 2002, 59(2), 149-179.

延伸阅读:饮水思「元」话「氢」情

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文字提供自台湾大学科学教育发展中心本文亦刊登于《科学研习月刊2011年1月号

系列文章介绍的实验名单灵感来自英国皇家化学会(Royal Society of Chemistry)2005选出的十大美丽化学实验。


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