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卡文迪西由氣生水

文／林雅凡　臺大化學系講師
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。
圖一　坊間所賣的純水，包裝上標有水的化學式H2O

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1 7 8 1 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。」
圖二　 卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一
圖二　 卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一 位英國牧師黑爾斯
（S t e p h e n H a l e s , 1 6 6 7 - 1 7 6 1 ） 首先發明， 1 8 世紀普里斯特利做進一步改進。
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 - LaurentdeLavoisier, 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。