化學家的分子聖杯之旅

近代化學發展的原子論,是物質科學的核心知識。教科書從拉瓦節、道耳頓說到亞佛加厥,講得如此理所當然,其實事情真的沒那麼簡單!在自然科學發展的歷史中,化學是發展最晚的一門科學。

當物理學已經奠定了古典力學的綱要,當生物學已經確立了物種的分類、觀察到組織的結構,化學還在一片混沌中摸索。本次演講帶你回顧化學史上艱辛又精彩的奮鬥歷程,從十六世紀大航海時代的香料貿易到十七世紀的天然物研究;從十八世紀的電學理論到十九世紀的高超有機化學反應技巧。化學家的分子聖杯之旅,是一條從「心誠則靈」到「眼見為憑」的漫漫長路。

撰文:高英哲

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。

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。

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日期: 2017.01.23二) 主題: 近代化學的發展 講題: 化學家的分子聖杯之旅 地點: 臺大思亮館國際會議廳