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十大美麗化學實驗--卜利士力(Priestley)發現氧氣(Oxygen)

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十大美麗化學實驗--卜利士力(Priestley)發現氧氣(Oxygen)
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

圖一:卜利士力發現當他加熱氧化汞時,會產生一種氣體,並將其命名為「去燃素氣體」。

科學發現的剎那是怎麼出現的?教科書裡常見的說法是,把科學發現簡化為某個人在一次事件或實驗中就有的結果。也因此,針對發現的先後順序、獨立性往往都會造成爭執。氧氣的發現,就是一件涉及三人的歷史公案:英國人卜利士力(Joseph Priestley,1733-1804,圖一)、瑞典人舍勒(Carl Wilhelm Scheele,1742-1786,圖二)、法國人拉瓦節(Antoine Lavoisier,1743-1794) 。

1774年,卜利士力發現當他加熱氧化汞(mercuric oxide,HgO)時,會產生一種氣體。蠟燭在這種氣體裡可燃燒得更旺盛,老鼠在裝滿這種氣體的容器裡會比在相同容積空氣裡存活時間多一倍。當時科學界的主流理論是燃素說(phlogiston theory),燃素說的核心概念是認為在可燃燒的物質中含有燃素(phlogiston),在燃燒的過程會不斷釋放燃素到空氣裡,當空氣中的燃素達到飽和時,物質就無法燃燒。普利斯利無法拋棄燃素說的思維,而氧氣讓物質燃燒更旺盛的現象,從燃素說的角度來解釋是因為氧氣缺乏燃素,所以燃燒較旺盛(較慢達到燃素飽和狀態)。因此他將自己發現的氣體命名為「去燃素氣體(dephlogisticated air)」,並在英國皇家學會發表成果。

圖二:其實舍勒在1771年便已經發現氧氣。無奈《論空氣和火的化學》出版的延誤,在確切發表時間上失去了先機。

上面那段是大家熟知的氧氣發現故事,其實舍勒(圖二)在1771年便已經發現氧氣。舍勒在發現氧氣之前,他的研究對象是空氣。經過多次實驗後,他認為空氣是兩種氣體的混合物:一份的「火氣(fire air,即氧氣)」與三份的「無效氣(vitiated air,即氮氣)」。火氣是因為這種氣體能幫助燃燒而得此名,舍勒從加熱硝酸鹽、二氧化錳、氧化汞都會得到火氣。他將研究結果寫入《論空氣和火的化學》一書中,無奈出版社的延誤,這本書直到1777年才出版,在確切發表時間上失去了先機。不過尚有一封書信足以翻案,舍勒曾在1774年9月寫信給拉瓦節,這封信的複本在舍勒的遺物中發現,信裡敘述他製造火氣的過程。但是拉瓦節否認他有收到舍勒的信,北歐的史學家因而始終無法原諒拉瓦節(舍勒的祖國--瑞典,屬於北歐)。

第三位主角是拉瓦節(圖三),拉瓦節在1775年發表他對氧氣的發現,不過他並沒有提及卜利士力與舍勒的貢獻。如今科學家不認為拉瓦節獨立發現氧氣,是因為姑且不論他有沒有收到舍勒的信,在1774年稍晚,卜利士力受邀到巴黎在拉瓦節與其他科學家面前示範他加熱氧化汞的實驗。自此之後,拉瓦節才開始氧氣的研究。不過是拉瓦節首先將此種氣體命名為氧氣(oxygen),當時拉瓦節誤以為氧存在於所有的酸中,所以選用希臘文 “oxus geinomais”當作字源,意思是酸的產生者(acid generator)。在日文中,氧氣稱作是「酸素」也是同樣的道理。

圖三:拉瓦節首先將加熱氧化汞產生的氣體命名為氧氣(oxygen)。

有趣的是,有西洋學者認為中國早在1200年前便發現了氧氣。德國東洋學者克拉普羅特(Heinrich Julius Klaproth)表示西元八世紀時,馬和所著《平龍認》一書裡提到空氣係由兩種不同物質所組成,一名為陽,一名為陰。陽是一種完全氣體,克拉普羅特信認為氮;陰是一種不完全的氣體,克拉普羅特認為是氧。要想使普通的空氣變得完全,可用金屬、硫磺或炭摩擦,以除去其中的『陰』。不過經過考證後,臺灣大學化學系名譽教授劉廣定認為平龍認裡的「陰」仍是我國古代那種「陰陽」觀念中的「陰」而不是「氧」。

氧氣不僅可以幫助物質燃燒,它的發現也引起了現代化學誕生的熊熊烈火,拉瓦節雖然不是第一位發現氧氣的人,但是他所做的氧氣相關研究奠定了當今化學的基礎,而這又是另外一個故事了。
參考文獻:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley
2. 劉廣定, “科技史資料的判斷──從八世紀中國人曾發現氧的傳說談起”,科學月刊1984年4月份
3. G. L. Sternbach and J. Varon, “The Discovery and Rediscovery of Oxygen” The Journal of Emergency Medicine, 2005, 2, 221-224
4. 張榮耀, “氧(Oxygen)元素的發現”,http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=1764

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