# 54《超乎想像的化學課》（上）：化學家在歷史中的人性與爭奪、對於原子與分子的追逐

之前我在教國中理化的時候，忽然想到 — 雖然我總是教 H2O 長得像是一顆氧原子左右兩邊各接一顆氫原子，但我到大學畢業都還不知道為什麼 H2O 長這樣，連個證據都沒看到過 — 所以我就去問了我化學所的學長：「我們怎麼知道一個分子裡有哪些元素？他們又是怎麼連接的？」

他推薦我兩本書去看看，說看完大概就懂了。好吧！所以我就去買書了！今天要談的這本《超乎想像的化學課》談的就是化學史！坦白說今天我有的疑惑，前人曾都有：「是否存在組成物質的基本元素？如果存在，眼前的東西裡有哪些基本元素？」

透過化學史，追隨前人的思考脈絡，我們便可以知道這些答案。不過這本書給出的內容不僅僅如此！裡面歷史呈現的方式比起一般課本更富有人性，也比我只摘錄重點的好讀些！裡頭化學家們各有其異：有人擅長搶功勞、有人喜歡爭辯、有人冥頑不靈、不同的實驗室暗自較勁、政治與社會動盪、某化學家的社會地位影響局勢......這些都大大影響了化學的發展！

讀化學史可以不用很生硬地記誰做了什麼事，只要放輕鬆讀，就像看小說一樣去看人們之間的角力，又何嘗不有趣？現在就讓我們來聊聊這段化學的故事吧！

早期的西方化學，至少 15 世紀以前都是處在一個看似明朗、實質混亂的時代，充斥著宗教迷信與鍊金術：「宇宙萬物只是概念，物質並不存在」、「神創造了一切，人類無法理解」，又或者「能夠鍊出長生不老藥」、「石頭能夠變出黃金」等各種言論大肆廣傳，以現在的角度來看，純粹只是好操作信徒或詐騙的手法而已。

但是人們之所以不斷追求鍊金術，就是因為人們發現 A 物質加上 B 物質變成 C 物質的特性是那麼有趣又謎團重重，如果鍊出黃金就能一夜致富！這種心態從過去到現在從來都沒變過。而人類為了理解這些變化發明各種理論，像鍊金術師 Helmont 認為在樹旁邊澆水，水會消失、樹會生長、土一樣存在，所以水肯定是變成了樹！

既然物質可以這樣變化，於是乎古代人就有這樣的疑問：「是否存在某些基本元素，它們之間可以互相轉換？」針對這個問題有希臘 Empedocles 的四元素說、鍊金術師 Paracelsus 的鹽硫汞三元素說、東方的金木水火土五元素說等等......的猜想。在 1661 年，波以耳為元素下了個定義：「某種原始、簡單、完全不相混的物體......無法由其他物質製造出來的（無法再被分解的意思），也不含有其他元素。」

因為早期的化學變化能做的也只有燒燒看，於是燃素說出現的出現試圖簡單概括所有元素變化的問題，包含燃燒、緩慢變化（長時間的氧化）有關等等。早期的水變成樹也可以做出相當簡易的推論。直到拉瓦節 Lavoisier 用大火完全燃燒水銀的實驗才給社會一個完全不同的觀念：

當然這樣的想法一開始受到強烈反對，一堆人選擇沿用舊說法，想辦法自圓其說，反正只要把世界解釋成自己相信的樣子就行了，真是好棒棒呢！不過拉瓦節的理論在當時不流行，很大一部分也跟他難相處個性有關。如同我們曾探討，人們對於喜歡或者好相處的人，即便說錯話也會相信，但遇到不喜歡的人，講得再正確、證據再明顯，也不願相信，這就是人性啊！反正這樣的觀念花了好幾十年才被人們所接受。

此外，拉瓦節的理論不被重視也與當時的化學風氣有關。早期的鍊金術師看到物質會爆炸、會變色、有毒或者有味道才會感到興奮，相反地對於基本測量（量重量、溫度等等）並不感興趣。然而拉瓦節對於重量的測量順利推翻燃素說，甚至讓當代開始認同物質不滅定律，也就是金塊無法無中生有，也不可能讓金塊憑空消失，從那時開始，人們發現在化學變化中「測量」的重要性。

時間往前推一點點，法國的醫生雷尚與其朋友布翰偶然發現，在一個密閉空間內錫一直燃燒，到最後會剩下錫和錫燃燒後的灰，而且只要放的錫一樣，最後燃燒完的灰重量也會一樣。雷尚當時的推論是「大自然以不可思議的智慧，為萬物設立了不可逾越的極限。」嗯...又是位自然哲學主義者呢！但這實驗暗示的其實是「定比定律」，即「特定的化合物，永遠都含有相同的元素，而且以固定比例結合」這件事。

剛好錫燃燒產生的氧化錫只有一種重量比，但在其他物質上可不一樣。生性謙遜、受過的教育不多的道爾頓 Dalton 對自然哲學充滿興趣，在某次碳氫化合物的研究中發現，碳跟氫的組合可以有甲烷 CH4 的比例，也可以有乙烯 C2H4 的比例，也就是對等量的碳而言，甲烷中的氫是乙烯中的氫的兩倍。這個實驗暗示的是「倍比定律」，即「同種元素在不同化合物中的重量呈現簡單整數比」。

為了解釋定比定律及倍比定律，於是道爾頓發明了原子論，說明以下幾件事：

靈感從何而來我想道爾頓自己也不清楚，畢竟在有生之年的演講中就改了好幾版，大概是為了在那個場合聽起來更合理、更好聽之類的，反正事實是怎樣也不可考了。

值得一提的是，道爾頓的原子論一開始沒被什麼人所接受，大概要花長達 200 年的時間，人們才接受道爾頓的原子論。原因是為什麼？一來是解釋定比定律和倍比定律的理論不勝枚舉，道爾頓又不是什麼學界大佬，平時講話也不是超級自信的人（要知道人類傾向相信說話帶有自信的人，即便對方很明顯在扯謊），二來是原子只存在在理論中沒辦法被觀察到，三來是幾乎沒有其他「科學理論」可以支持原子論，四來反駁原子論的實驗也不少。所以原子論的存在變得有點像神存不存在的問題，信的人就存在，不信的人也沒差。

針對反駁的實驗，讓化學家混淆的因素有：測量實驗誤差、同分異構物（不同物質但元素一樣）、原子分子概念不清等等。

【原子量的混亂】
承認原子論後，要面對因為原子測不到的關係，所以原子的重量是團謎，學界沒有統一，統一後也有可能是錯的，實際情況是在不同人甚至只是不同時間點寫的論文，看哪個原子量可以湊出漂亮的論文就用哪個數字，所以科學的論文也處於一個相當紊亂的狀態。

【原子分子搞不清】
早期還沒有分子的概念，認為氫氣加氧氣變成水應該是氫原子加氧原子所組成，可是這麼一來，其結合就會變得像一顆氫原子加上半顆氧原子，這樣不就跟當初道爾頓說的原子不可分割打架了嗎？這個問題得要到後來給呂薩克的氣體以體積簡單整數比結合論及亞佛加厥假定前面的氫氣與氧氣是由兩個原子所組成的「分子」形式存在才得以解決。

【實驗誤差】
除了原子量、分子的議題外，由於當時物質純度的觀念還不發達，常常使用純度不高的化合物進行實驗，自然結果數據會比預期的落差很多。許多人面對這團混亂，還寧願相信這東西不存在。

每個化學家都有自己的理論，別人不贊同自己的理論就也不贊同甚至攻擊對方，同時在援引別人的理論時也抱著不信任，因為出問題的假數據實在太多，種種環境也讓化學家們之間彼此對立。到後來原子的分析一直沒有明朗，數十年為了看不見的東西而爭鬥，化學家們也感到疲倦了。

原子論至少要解決上面那些問題才能為人們所相信，最終這個問題長達100年左右總算有了解答。而其中最關鍵的就是氣體熱力學的相關理論，及其後所延伸出的布朗運動現象的觀察、愛因斯坦的分子運動論確鑿了分子的存在後，再加上前面給呂薩克及亞佛加厥的理論，才使原子論的理論完整了起來，能夠解決當時大部分的問題。

雖說愛因斯坦的研究成果無出其右，但卻也有些過譽了，不過我認為他的研究成果確實成功解決了前面一百多年來困住大部分化學家們的疑惑，這點確實厲害。除了頭腦好一方面也是運氣問題，畢竟他一開始是做數學與物理上的研究，後來研究微觀尺度的議題才剛好也解決了困住化學家們的原子議題。

另外在這本書中有很大一部份的章節是探討有機化合物與無機化合物，他們的存在也是原子論的一大推手，尤其在探討原子間結合問題上，碳具有四個鍵，可以連結不同的東西，這項有機化合物的基礎更是要建立在原子存在上，而下一篇我們就會把焦點轉向這些東西上，我們下次再見！