SCIENCE書摘

半個原子惹爭議

道耳頓提出原子論,但實驗結果顯示必須分割原子,到底誰錯了?

SCIENCE書摘

半個原子惹爭議

道耳頓提出原子論,但實驗結果顯示必須分割原子,到底誰錯了?


19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,註定也會徒勞無功。


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。八公克、八格令(喱)或八公噸的氧,會和一公克、一格令或一公噸的氫結合形成水,因此氧在水中的當量是8。(化學家通常把最輕的元素,也就是氫的重量當做1。但這並非放諸四海皆準,也有人用不同系統,例如給呂薩克把氧的當量定為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2000種化合物的元素重量百分比一一列出。他推算出49種已知元素中45種的當量(但他當時認為是原子量)。其中6種是他的學生做的,另外39種是貝吉里斯完成。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,才能從當量推出原子量。假設你是深信道耳頓原子論的化學家,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。但氫原子的數目又是n、2n或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,推論出可以解釋一切、卻無法直接測量到的原子量,這個問題還會再糾纏化學家半個多世紀。


想像你跟洪堡德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。甚至謠傳他們的婚姻制度採行一種前所未見的組合,比方說兩女共事三男之類。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,也不肯透露他們的婚姻制度。但他倒是說溜了嘴,說每次有人結婚時,他們就會種幾棵蠟椰子,新郎種植特定數量,新娘也是。邦普蘭問道:「請問我們可以看一下這些樹嗎?」酋長同意。


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八倍。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)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),每次結婚男人種八棵樹,女人種一棵。」


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,洪堡德昨天冒著極大危險去偷窺部落澡堂,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。


簡單原則不管用


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「奧坎剃刀理論」,這是由英國修士奧坎提出,他認為如果兩項理論都可以做出同樣的預測,應該選擇較簡單的理論。


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,道耳頓也修修補補自己的理論,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理論來推測某些化合物的化學式,把理論修補得越來越複雜。英國醫生巴斯達克惱火寫道:當兩種東西以某種比例結合為一時,我們何時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量的結合?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最常見,他們就使用奧坎剃刀理論把這種氧化物的化學式定為XO,而且稱為「初級氧化物」,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,他堅持水是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(水的化學式是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。


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,但是根據錯的理由。


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。


─ 本文摘錄自《超乎想像的化學課》第七章〈令人傷透腦筋的化學式〉。

小檔案
書名:超乎想像的化學課(Chasing The Molecule: Discovering the Building Blocks of Life)
作者:巴金漢(John Buckingham)
譯者:李祐慈
出版商:天下文化(2017年4月)



更多相關文章

2017年7月185期多重宇宙很量子 雜誌訂閱

本期最新文章