LIS情境科學教材

拉瓦節一生貢獻無數，除了提出質量守恆理論與化學命名法之外，更提出了現今的氧化還原學說。

作者：唐啟軒

過去在上課或者讀一些科學文章的時候，搞懂其中的原理之餘，除了覺得科學家很厲害，有沒有想過一個問題：「為什麼他們想得到？」好像阿基米德泡澡發現發現浮起來的力，牛頓看到蘋果發現萬有引力都是理所當然一樣。憑什麼他們都想得到，而我們都想不到，或者是想出來是錯的。難道是因為我們出生得太晚，科學原理都被古人講光光了？當然不是。其實古人的科學理論很多時候都不是一步到位，而是跟我們一樣會搞錯的。而我們接下來要聊的，就是影響了一整個世紀的錯誤理論，以及後來如何走上正確的道路。

十七世紀，一個天才輩出的世紀 十七世紀被人稱為天才的世紀，許多科學界的新星都在此時大放光彩，但這並不代表接下來的十八世紀因此黯淡無光。十八世紀的開場，史塔爾提出了燃素說來解釋燃燒現象，這個理論影響了整個科學界，從此開始的一百年間，整個十八世紀更被稱為是燃素時期。燃素說簡單來說，就是控制燃燒的微粒。有燃素的物質就可以燃燒，反之則否。而燃燒之後燃素就會逸散到空氣中，剩下的灰燼就是少了燃素的物質。這個新穎的理論打破了過去鍊金術的說法，馬上就風靡了全歐洲，成為科學家之間最夯的話題。不過，要是燃素說這麼厲害，為什麼學校也沒教，課本也沒寫呢？這就要提到十八世紀最精彩的燃素說之爭了。

燃素完美解釋金屬燃燒變重的現象 儘管當時的燃素說可以說是潮到不能再潮的理論，但也有許多人提出了燃素說的問題。很快地，科學家們就分成了燃素與反燃素兩派。前者認為燃素說是正確的理論，只需要針對有錯的部分做出修正即可。後者則認為這些錯誤正表示了燃素說是個錯誤的理論，應該要大破大立找出真相。反燃素派質疑，如果木材燃燒後會變輕是因為燃素離開，那為什麼金屬燃燒後重量反而變重了呢？燃素派則解釋，金屬內部的空隙就像容器一樣，裡面充滿了燃素。燃素與金屬分離後，空出來的容器會變空氣填滿，容器裝著比燃素重的空氣，重量自然就變重了。反燃素派又再度質疑，如果金屬會有這種狀況，那麼看起來空隙更多的木材，為何不會因為空隙被空氣填滿而變重呢？

脫燃素空氣——發現氧氣的美麗意外 一來一往間，倒也誰都沒辦法證明自己一定是對的，或是對方一定是錯的。不過時間在走，實驗成果要有。大家爭執歸爭執，還是繼續做著自己的實驗。燃素派的卜利士力通過加熱汞的紅色沈澱物，得到了一種特殊的氣體。這種氣體可以使燃燒變得更加劇烈，所以卜利士力認為這是可以加速燃素與物質脫離的「脫燃素氣體」。雖然說兩派人馬意見不同，但私底下還是十分尊重對方的實驗以及想法，有著良好的互動。燃素派的卜利士力某天去反燃素派的拉瓦節家拜訪，茶餘飯後便聊到了這個「脫燃素氣體」，在拉瓦節的盛情邀請之下，卜利士力便在拉瓦節的實驗室重複了這個實驗。

拉瓦節學會了這個實驗後，又嘗試著藉由在空氣中加熱汞來產生氧化汞，卻發現當氧化汞生成時，會消耗掉五分之一的空氣。而這種特殊的氣體不僅能夠讓燃燒更旺盛，更能讓密封玻璃罩裡的鳥活得更久。身為反燃素派的他將這種氣體稱為「適合呼吸的空氣」或是「火空氣」而非「脫燃素氣體」，至於空氣中剩下的五分之四則是「無活力空氣」。同時，碳燃燒後會與火空氣結合，形成「固定空氣」逸散。而金屬燃燒後變重，也是因為與金屬與空氣中的「火空氣」結合並留下。

氧化說的困境－丟入酸中冒泡的金屬 不久之後，拉瓦節將火空氣的理論慢慢建構起一套新的燃燒理論。

第一、非金屬燃燒後融入水中，通常會變成酸性，所以火空氣應該命名為 oxygen( 酸的生成者，中文命名為氧氣 )。 第二、燃燒時會放出光和熱。 第三、物體只有氧氣存在的時候才能燃燒。 第四、物質燃燒所增加的重量，恰等於空氣所減少的重量。 但雖然這套理論能解釋木柴燃燒變輕、金屬燃燒變重，卻無法解釋為什麼金屬在酸性溶液中會釋出氫氣 ( 燃素 )、金屬的氧化物卻不會。這點反而是燃素派得分，因為燃素派說氫氣其實就是燃素。金屬燃燒前充滿了燃素，燃燒過後則否。丟進酸裡自然是前者產生氫氣 ( 燃素 )、而後者不會。

正當燃素理論與氧氣理論依然難分難解時，卡文迪西的助手捎來了他的最新實驗結果。燃素派的卡文迪西發現，燃素 ( 氫氣 ) 在脫燃素空氣 ( 氧氣 ) 中燃燒，會產生水。這給了拉瓦節一記當頭棒喝，原來水是由氫氣與氧氣結合；所以金屬在酸性溶液中雖然沒有燃燒的反應，但是金屬卻與水中的氧結合，釋出了水中的氫。至於金屬氧化物本來就帶著氧，當然就不會再與氧結合而產生氫了。

很快地，沒有缺陷的氧化學說推翻了流行百年的燃素說，這也就是為什麼我們現在學的是氧氣，而不是燃素了。這場燃素之爭最精彩之處，除了兩方人馬雖然都是學識淵博的科學家，其實也像一般人一樣會犯錯以外。還有兩方雖然不認同對方的論點，卻尊重且樂於分享自己的實驗成果。儘管通往正確知識的方向錯了，但實驗數據與結果是不會騙人的。只要依循著科學的方法，儘管我們曾花了一百年兜了一個大圈，科學終究領著所有人到正確的道路上。而回頭看兜的這個圈，也被一群不分你我的科學家們照得閃閃發光。