【《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

加入好友

人瀏覽過