【科學史沙龍】化學家的分子聖杯之旅

■在自然科學發展的歷史中，化學是發展最晚的一門科學，教科書上從拉瓦節、道耳頓，一路說到亞佛加厥，看似理所當然，實則倍極艱辛。本講次回顧這段化學家的分子聖杯之旅，從「心誠則靈」走到「眼見為憑」的漫漫長路。

講師｜臺灣師範大學化學系副教授  李祐慈
整理撰文｜高英哲

化學家跟印象派畫家有什麼共通之處？答案是：他們都必須要站在適當的距離，才能夠看到想要表現的印象，或是原子和分子的結構。然而人類摸索觀察物質本質的適當距離，卻足足花了將近兩千年的時間。早期德謨克里特斯的原子說，以及亞里斯多德的四元素說等等，各種自然哲學的物質學說，基本上都是「想當然爾」，欠缺客觀依據；直到 16 世紀波以耳以《懷疑派的化學家》 (The Sceptical Chymist) 一書，提出探討物質本質應該以實驗為基礎，化學才開始擺脫煉金術的窠臼，逐漸成為一門科學。

波以耳將元素定義為某種「原始、簡單、完全不相混的物體；既不是由其他物質構成，也不含有其他元素」。化學家起初唯一能夠用來尋找元素的實驗手段，就是不斷地進行秤重，比方說海爾蒙特 (Jan Baptist van Helmont) 就用柳樹成長前後的秤重實驗，證明了四元素說並不正確。各種物質燃燒前後的重量變化，更是變化多端，有些燒完變輕，有些燒完變重，有些燒完之後先變重，再燒下去又變輕；在 17 世紀時提出的「燃素說」，就是試圖解釋這些重量變化的一種學說。

號稱「最專業業餘化學家」的拉瓦節，用他自己設計的實驗器材，確立空氣的主要成分，提出正確的燃燒理論之後，燃素說也就不攻自破了。不過拉瓦節除了釐清燃素說的謬誤之處以外，最大的貢獻在於他建立了現代化學的觀念架構，為化學命名與分類法則建立起一套系統。他的自製天平可精確測量到 0.0005 克，大幅提升化學家最傳統的秤重實驗精密度；他也提出化學反應的反應物總質量，應該要等於生成物總質量的概念，並且製作出第一份現代的化學元素名單。

隨著 16 世紀大航海時代，許多前所未見的香料跟草藥進入歐洲，也為有機化學發展提供了寶貴的原料。瑞典化學家舍勒 (Carl Wilhelm Scheele) 便是當時有機化學家的佼佼者，他可以透過高超的反應技巧，提煉出檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、乳酸及尿酸等等各種酸，而且純度都非常高。被譽為「有機化學之父」的烏勒 (Friedrich Wöhler) 和李比希 (Justus von Liebig) ，他們的安息香酸轉換反應論文，更為有機化學研究樹立了典範。

化學在 19 世紀有著如此精彩的表現，發展卻沒有一飛沖天，原因在於他們都在試圖證實（或是推翻）一個最重要的化學概念：道耳頓的原子論。道耳頓認為物質是由不可分割的原子構成，同一種元素的原子的各種性質都相同，化合物則是由不同元素的原子，以簡單的比例結合而成。問題是道耳頓在 1803 年提出原子論時，並沒有完整的實驗佐證，因此在之後的一百年內，不斷受到挑戰與反對。分子組成、當量與原子量，這些眾說紛紜的問題，一直要到亞佛加厥提出以分子取代原子，作為元素最小單位的想法，才總算獲得解決；有了以分子作為基礎的原子量概念，門得列夫才得以藉此提出他聞名於世的元素表，並且做出好幾個未知元素的「神預測」。化學家雖然各執己見，爭論不休了幾十年，但終究找到了化學研究的分子聖杯。