【十大美麗化學實驗】卡文迪西由氣生水

瓶中的卡文迪西先生。(插畫/HANa)

■ 英國貴族科學家卡文迪西重複了前人的實驗,並且反覆測量,發現氫氧在特定比例下加熱,可以生成最多的水。然而,他並不真的知道「氫氣」的存在。

撰文∣ 林雅凡(臺灣大學化學系講師)

從希臘哲人亞里斯多德(Aristotle, 384-322 BC)以來,西方人有很長一段時間相信:物質世界由「土、火、空氣、水」這四種元素所組成。直到18世紀,人們在化學實驗上累積足夠的技能與分析方法後,方能推翻此一假設。

如果仔細觀察坊間礦泉水上的包裝,有的會標示「H2O純水」,意味著水是由氫(H)和氧(O)所組成的化合物。這是否有點不可思議呢?氫和氧都是看不見摸不著的氣體,如何形成能碰能觀的水? 這個問題的答案跟氫氣的發現有關。

如今一般咸認英國科學家卡文狄西(Henry Cavendish, 1731-1810 AD)是氫元素的發現者;然而他卻不是史上第一位發現、製備氫氣的人。西元16世紀的瑞士醫生帕拉塞斯(Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD)曾在將鐵屑溶於稀硫酸的過程中,發現有氣體(也就是氫)釋出,他描述那情形:「空氣上升而像風一樣溢散。」

一個世紀後,旅居英法的瑞士籍醫生梅耶(Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD)重複帕拉塞斯的實驗時,發現氫氣「可燃」的性質。西元1670年間,英國科學家波以耳(Robert Boyle, 1627-1691 AD)嘗試收集氫氣,並進一步發現氫氣只有和其他空氣混合時才可燃。

排水集氣

雖然科學家早懂得製備氫氣,在18世紀以前,卻沒有科學家能對氫氣的性質作精確的描述與分析。為其帶來曙光的,正是英國貴族科學家亨利.卡文狄西。西元1766年,卡文狄西將鐵、鋅、錫等金屬分別與鹽酸與硫酸反應,發現都有氣體釋出。為了研究這些實驗所釋放出來的氣體性質,卡文狄西嘗試以「排水集氣法」收集它們。他發現,這三種金屬與足量的各種酸作用,產生的氣體性質相同;不僅如此,使用某種金屬實驗時,只要用量固定,且酸供量足夠,收集到的氣體量便相同,與酸的種類、濃度無關。

卡文狄西估計出此氣體密度僅為空氣的9%,這就是現在我們熟知的氫氣。從這些定量與定性的結果來看,卡文狄西推斷「從不同種類金屬與酸製備出的可燃氣體應為同一種物質。」不過因為卡文狄西信仰當時流行的「燃素說」,對於「可燃氣體從何而來」並未能夠進一步解釋。什麼是燃素說呢?十七世紀前後的人們大多認為:「燃燒是一種分解過程,物質燃燒時會釋放出燃素。金屬裡當然也含有燃素,透過燃燒而釋放出來。」卡文狄西於是認定這可燃的奇妙氣體是鋅、鐵、錫的基本成分,在加入酸時被釋放出來;甚至一度認定氫氣即為當時所討論的燃素。只是,經由精確實驗測定,發現氫氣雖輕,卻仍具備正質量,這與當時對「燃素質量」的認知不完全一致,也讓他對氫氣的研究陷入膠著。

氧氣加入

對於氣體的研究,在當時社會蔚為風潮。其中包括氧的製備與研究,普里斯特利(Joseph Priestley, 1733-1804 AD)將氧命名為「脫去燃素的空氣」。西元1781年,普里斯特利與其助手瓦爾提爾(John Warltire, 1725/6-1810 AD)利用電火花引爆空氣和氫氣,發現反應後在瓶壁上有露珠形成,且大量釋出熱;若秤量反應後質量,則較反應前為少。他們認為質量的減輕乃因反應後熱的溢失所致。這個實驗引起了卡文狄西的興趣,他認為實驗結果得到質量的減輕應為實驗誤差,因為他並不相信熱具備質量。

在好奇心與實事求是的精神驅使下,卡文狄西除了重複普里斯特利的實驗,更進一步以氧氣取代空氣,進行相同的實驗,並精確記錄各成分體積與重量的變化。他發現如果將壁上露珠也列入計算,反應前後的質量便相同。經由仔細的確認,他發現這些露珠即是「水」。並經由精密量化實驗,卡文狄西確認當氫與氧體積為二比一時,能得到最大量的水。

前面提到,在卡文迪西的時代,人們還相信水是四大元素之一,也相信有燃素存在。因此,卡文迪西遷就「燃素」與「水是元素」這兩個觀念,而對實驗結果做出如下詮釋:「可燃氣體由燃素與水組成,『脫去燃素的空氣』盜取水元素後,水自燃素中脫離而釋出。」

聰明的瓦特

不過在這同時,蒸氣機的發明者瓦特(James Watt, 1736-1819 AD)早已猜想到「水在足夠熱量下,應會轉換成其他氣體」。普里斯特利得知卡文狄西的實驗結果後,再重複相同實驗,結果與卡文狄西一致,納悶之餘找瓦特切磋討論。瓦特結合過去自己合理的懷疑,提供這相同的實驗結果截然不同的註解:「水由『脫去燃素空氣』與『可燃氣體』所組成。」

1782年,拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794 AD)再度進行此實驗,並進一步將水蒸汽分解成氫與氧,再根據他提出的新化學觀念,判斷「水不是元素,而是氫和氧結合的化合物」。拉瓦節並將過去稱為「可燃空氣」的氫氣,更名為「Hydrogen」,意思是「生成水的」。這才終結兩千多年來,人們把水視為元素的迷思。

事後觀之,究竟誰才配得這頂「揭示真理」的桂冠?是做出美麗實驗,卻扼腕於無法提出有新意之解釋的卡文狄西?還是僅以創意脫穎而出的瓦特?抑或是集此系列實驗於大成的拉瓦節?直到如今,這仍是一個頗具爭議性的問題。這未曾停止辯論的議題,一方面啟迪了我們:先鋒者的競爭固然促成知識的演進,但真理終能全然被闡明,卻不僅歸功於個人的智慧,也應考慮整個時代科學家的努力累積。另一方面,卡文狄西的實驗也的確展現了化學的美學典範之一:觀察詳實,計量精確。

回顧這段科學史,可以發現人們最初對世界萬物的假設,或許會在下一刻被推翻,但卻不會僅因如此,而讓過去的努力變得毫無價值。卡文迪西未能跨越燃素說,對自己的實驗提出符合新科學潮流的解釋,但他的實驗卻是將亞里斯多德的四元素論送進棺墓,釘上了最後一根釘子。從那裡拉瓦節看見了帷幕揭開的一角,與新世代化學的微光。

參考資料

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.

本文亦刊登於《科學研習月刊》2011年1月號‧系列文章介紹的實驗名單靈感來自英國皇家化學會(Royal Society of Chemistry)2005年選出的十大美麗化學實驗
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8 thoughts on “【十大美麗化學實驗】卡文迪西由氣生水

  • 2011 年 02 月 20 日 at 21:13:15
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    科學的演變總是這樣
    一波接著一波
    對於真相
    看得越來越清楚

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    • 2011 年 02 月 22 日 at 14:46:23
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      我反而覺得看得更不清楚 ( 笑

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      • 2011 年 02 月 22 日 at 17:24:44
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        所以樓上主張真理越辯越「亂」嗎?

  • 2011 年 03 月 27 日 at 12:41:30
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    越看越不懂阿.....看來這種太高科技對我的難度太高了

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  • 2011 年 03 月 28 日 at 16:42:47
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    科學哲學本來就有點難度~但是凡事都是看久了就會了!(認真)

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  • 2011 年 03 月 31 日 at 05:03:08
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    science keeps us reasonable than ever before

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  • 2011 年 03 月 31 日 at 09:42:46
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    你是指理性還是論證的能力。
    We hope so! 但是在什麼事上合理又是另一回事。如果只是要在發表的論文合理,那是因為發表論文有審查制度。所以生活或日常判斷是否理性或合理則是一種素養與情操,是需要勵志學習才有的。

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  • 2011 年 04 月 16 日 at 21:54:41
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    是啊科學不就是這樣演變的嗎

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