【《超乎想像的化學課》書摘】第7堂課 令人傷透腦筋的化學式
化學在根本上只是一種算術練習，
有時很有樂趣，
因為它很合理，而且總和相等。
但是到頭來，
化學的目的只是為了把靴子擦亮，或把肉煮得更好吃而已。
—李比希致烏勒的信件，1832 年 5 月 1 日
原子量可以解釋一切，卻無法測量到
十九世紀大半時間，化學家絞盡腦汁想解決一個核心問題，這問題看似簡單，實則不然。化學家需要準確的元素原子量，或是兩種不同元素的原子重量比。否則就無法定出化合物的準確分子式，而且猜測分子有無實質的結構，注定也會徒勞無功。
原子即使存在，也太小了，我們既看不到，也沒有任何方法可以直接測量。化學家無法直接測量「原子量」，只能測量「當量」。
當量是一個元素與另一個元素結合的重量比例。8 克、8 格令（喱）或 8 噸的氧，會和 1 克、1 格令或 1 噸的氫結合形成水。因此氧在水中的當量是 8。（化學家通常將最輕的元素，也就是氫的重量當作 1。但這並非放諸四海皆準，也有人用不同系統，例如給呂薩克則是將氧的當量定為 10。這種情況對主要的討論沒有影響，但確實增加了複雜度。）
貝吉里斯堅信原子論是對的，做實驗的功力又遠勝道耳頓，他下定決心仔細測量所有已知元素在化合物中的當量，以推導出原子量。1818 年，他發表了一份表格，幾乎把所有當時已知的 2,000 種化合物的元素重量百分比列出來。由此他推導出 49 種已知元素當中的 45 種的當量（但他當時認為是原子量）。其中 6 個是他的學生推導的，另外 39 個是貝吉里斯本人做的。這是一項非凡成就。
但是當量不等於原子量。我們還需要一些假設條件，才能從當量推出原子量。假設你是個深信道耳頓原子說的化學家好了，據你觀察，當氧和氫反應形成水時，我們只知道有很多，但不知道是多少個氧原子會和氫原子結合，就說是 n 個氧原子好了。但是氫原子的數目又是 n、2n、1/2n，還是其他數目呢？水的化學式到底是HO、H2O，還是 HO2 ？我們沒有任何方法可以直接得知。要想從實驗上測量到卻無法解釋的當量，推出可以解釋一切卻無法直接測量到的原子量，這個問題還需會再糾纏化學半個多世紀。
我們可以看一下樹嗎？
想像你跟洪堡和邦普蘭一起遠征南非。你們遇到一群歐洲人很不了解的民族，而你受法蘭西學術院所託，要盡可能調查他們的社會習俗。只有少數幾位探險家和他們交手過，有些說他們是一夫一妻制，有些說是多夫多妻，還有人說是一妻多夫制。甚至謠傳他們的婚姻制度採用一種前所未見的組合，比方說二女共事三男之類的。你完全不知道這個部落到底有多少人？可能是 100 人，也可能有 5 萬人。
他們的酋長不讓你數人頭，也不肯透漏他們的婚姻制度。但他倒是說溜了嘴，說每次有人結婚的時候，他們就會種幾棵蠟椰子，新郎種特定數目，新娘也種特定數目。邦普蘭問道：「請問我們可以看一下這些樹嗎？」酋長同意了。
當一行人去看樹時，發現屬於男人的蠟椰子，栽種面積顯然是女人的蠟椰子的 8 倍。聽到這裡，剛好也在場的道耳頓博士（這是一次很特別的遠征活動）大叫一聲：「這還用說嗎？再清楚不過了。他們是一夫一妻制（符合上帝的旨意），每次結婚男人種 8 棵樹，女人種 1 棵。」
邦普蘭不贊成，他說：「我經常看到一個男人帶著兩個女人穿過廣場。我認為他們是一夫二妻制，一個男人種 16 棵樹。」但是呢，洪堡昨天冒著極大的危險去偷窺部落的澡堂，看到裡頭有12個男人跟 6 個女人，所以一定是每個男人種 4 棵樹……好了，把蠟椰子的數目想成重量，你大概就知道化學家的困難在哪裡了。那怎麼辦呢？
簡單的原則幫不上忙
起初，似乎只有比較大量的實驗數據，才可能試著推出最合理的比例。道耳頓採用「奧坎剃刀原理」（Occam's razor），這是由英國修士奧坎的威廉（William of Occam）發明的，他認為如果兩個理論都可以做出同樣的預測，則應該選擇較簡單的理論。（畢竟道耳頓是英國人，奧坎的威廉也是。尋求最簡單的解釋是一項英國傳統。這麼做通常有效，但偶爾也會失敗。不過我們很難想像，法國的修士想得出這樣的理論。）
道耳頓說，如果兩種元素只會形成一種二元化合物，它們一定是以 1：1 的比例結合。他堅持水的化學式是 HO，儘管實驗證據一再顯示這是錯的。在其他例子中，道耳頓也為自己的理論修修補補，而沒有真實證據。
到了 1814 年，別人已經開始批評他沒有好好用「奧坎剃刀原理」來推測某些化合物的化學式，讓理論愈修補變得愈複雜。英國醫生巴斯達克（John Bostock）惱火的寫道：
當兩種東西以某種比例結合為一時，我們什麼時候學過這種結合非得是各一份？為什麼不可能是兩個氧原子和一個氫原子，或是兩個氫原子和一個氧原子，或是任何氫氧原子數目的結合？我不覺得道耳頓先生有提出任何原因來支持他的雙原子結合論，我自己也無法想出到底有什麼理由可以支持這一點。
還有人猜測其他很多種氧化物的化學式。要是一種元素只會形成一種氧化物，或是會形成多種氧化物，但其中有一種最穩定或者最常見，他們就使用「奧坎剃刀原理」，把這種氧化物的化學式定為XO，而且將它稱做「初級氧化物」（protoxide），然而真實情況並非總是如此。
道耳頓為自己提出的水的化學式辯護，他堅持以最少的原子數結合，好比說 HO，可以讓相同原子之間的斥力減到最低。但是就算我們暫時先不考慮水的錯誤例子（水是 H2O，而不是 HO），道耳頓的解釋應用在其他系統，甚至無法得出定論，例如銅的情況。
銅可以形成一種黑色氧化物和一種紅色氧化物，其中紅色氧化物所含的氧，只有黑色氧化物的一半。如果黑色氧化物是 CuO，紅色氧化物就是 Cu2O；又或許有可能黑色氧化物是 CuO2，那紅色氧化物就是CuO。
第一種情況，紅色氧化物有兩個銅原子，第二種情況，黑色氧化物有兩個氧原子。所以，道耳頓認為相同原子會有斥力的說法，完全沒用。由於黑色氧化物很容易分解為銅和氧，道耳頓假設是CuO，這個例子剛好給他矇對了，但是所根據的理由是錯的。
道耳頓和貝吉里斯等人猜錯的化學式，又會和其他所有化合物之間有縱橫交錯的關係，而給出更多錯誤的化學式。以碳這個關鍵的元素來說，雖然一開始貝吉里斯猜對碳原子量是 12，可是不久又改為 6，一直到 1850 年代許多化學家還用這個數字，導致結果一團糟。
--書籍資訊
書名：超乎想像的化學課：原來，拉瓦節、道耳頓、亞佛加厥，還有許多科學家，竟然和我們想得不一樣！
作者： 巴金漢 /John Buckingham
譯者： 李祐慈
出版社：天下文化
▶▶快來參加：CASE週週送好書活動
