文/唐啟軒

導致酸鹼的根本原因是-氧

酸與鹼,是自古以來就不斷被應用的物質。儘管人們幾千年來,無論是煉金術士,或是御用醫生,早就已經深諳酸鹼的特性以及如何使用它們。只不過當時往往都只關注於應用,在科學上它們卻仍是最熟悉的陌生人。一直到了十七世紀的波以耳發現了酸鹼在不同的植物汁液中會有不同的顏色,進而發明了能辨別酸鹼的石蕊試紙,後續才開始嘗試對酸鹼進行有系統的分析。

十八世紀時,大名鼎鼎的現代化學之父拉瓦節延續了波以耳的研究,發現酸鹼除了能用石蕊試紙測定以外,也整理了自己的實驗結果。他發現無論是在硝酸、硫酸等酸中都能找一個共通的元素,那就是氧。於是拉瓦節提出了對酸鹼的全新看法:「氧氣是酸裡面不可缺少的元素」,於是將氧氣命名為Oxygen(酸的生成者)。這是首次有人針對酸的組成進行研究,拉瓦節的理論正式開啟了後續酸鹼化學的大門。儘管當時有人針對氫氰酸(HCN)提出質疑,因其中並不含有氧。但因為氫氰酸本身是弱酸,所以當時並沒有撼動到拉瓦節的酸鹼理論。

後來拉瓦節將這個發現結合之前的理論,整理在著作《化學基礎論》中,廣為流傳於整個化學界。這本書被後世當成是化學教科書,也啟發了許多未來的科學家。其中一位科學家的名字就叫做:漢弗里・戴維。

 

電化學時代下的天才-戴維

漢弗里·戴維,1778年出生於英格蘭鄉村的木匠家,年幼時在學校是個調皮、貪玩的學生,但他驚人的記憶力在當時就已經表現出來,無論是背誦詩歌還是書籍都難不倒他。小學畢業後,戴維的父親送他到城裡讀書。因為興趣使然,戴維開始模仿起城裡的醫生,用鍋碗瓢盆來做實驗。在父親過世後,戴維為了養活自己,到藥房當助手兼學徒。這時候的戴維開始研讀拉瓦節的《化學基礎論》,又得到格勒哥里·瓦特(詹姆斯·瓦特之子)的幫助,開始了他的科學家之路。不斷致力於化學研究的戴維,在1801年被皇家學院聘為講師。他在短短一個半月後升為副教授,並在兩年後升為教授,學術能力優秀可見一斑。*1

十九世紀,是電化學逐漸發展茁壯的時期,從伏打電池開始,電鍍、熱電效應,以及電解都在這個時候被發現。*2當時對於電解的原理還不是那麼瞭解,還停留在知道通電之後可以把液態或熔融態的物質分解。同時也是在這個時候,當代科學家最熱衷的問題,就是尋找組成世界的最簡單物質。戴維就是在當時使用電解做研究領域的先驅,他開始嘗試使用伏打電池用電解的方式來分解物質。他在苛性鉀(KOH)中電解出鉀,這是人類首次靠著電解獲得金屬。並且在氫氧化鈉(NaOH)電解出鈉,成功打破了當代鈉、鉀不分的誤解。靠著電解的技術,戴維陸續發現其他鈣、鎂、鋇等等的鹼土族元素*3。在他一生中,透過電解發現了高達十五種元素。然而,在電解各種不同物質的實驗中,戴維發現了一件十分衝擊的發現。是關於在他年輕時讀過的《化學基礎論》中,拉瓦節所主張的:「在酸中,氧是不可獲缺的一個成分」。

當年的鹽酸(氫氯酸,HCl)被稱為氧化鹽酸。在當年燃素派的卡爾・威廉・舍勒研究鹽酸時提出,鹽酸中有脫燃素空氣。而脫燃素空氣在拉瓦節燃素說被推翻後,燃素說的脫燃素空氣大部分都是指氧氣,因此當年鹽酸後來也被稱為「氧化鹽酸」*4。然而戴維在電解鹽酸的過程中,卻發現過去大家誤以為氧化鹽酸的組成中的氧,其實是氯。而所謂的鹽酸,其實是由氯氣以及氫氣所組成的。

 

電解不出氧氣的酸

這個實驗明顯點出了拉瓦節酸鹼理論的問題,後續戴維又陸續電解了酸性的硫化氫(H2S)、碲化氫(H2Te)以及其他鹵化氫。其實驗結果通通都沒有氧氣,戴維也正式推翻了拉瓦節的酸鹼理論。而戴維發現,儘管拉瓦節的結果是錯的,不是所有酸中都有氧氣。但就電解的結果來看,所有的酸卻都能電解出氫氣。戴維大膽指出,所有的酸裡面都有的元素應該不是氧,而是氫。

儘管戴維的理論有許多實驗基礎,但其實仍然不夠完整。直到二十年後,德國化學家李比西修正了戴維的理論,不同於戴維是個無機化學家,李比西專攻的是有機領域,所以能從有機酸中看到更多的現象。李比西表示:並非所有含氫的化合物都是酸性,前提是要化合物中的氫,很容易被金屬給置換*5。這個說法其實就越來越靠近我們所學的酸鹼理論了,所以也一直使用了將近五十年,才被其他更完整的酸鹼理論給取代。戴維的酸鹼理論,也就慢慢不再被大家給談及。

其實戴維的酸鹼理論,無論是在酸鹼化學史,亦或是戴維的個人科學生平中,都只是一個小小的插曲。戴維一生起伏不斷,在酸鹼理論後他發明了礦工安全頭燈,卻也在實驗中炸瞎了一隻眼,最終被封為無機化學之父。但他晚年最驕傲的,就是他收了一個和自己出身類似的窮困小學徒,小學徒後來和戴維一樣有個響噹噹的稱號——電學之父,法拉第。戴維的一生就像他的研究一樣,意義並不在於絕對正確不被取代的理論,而是讓後輩們能站在自己的肩膀上,看到更遠的地方。

 

*1生平

*2電化學

*3戴維英文維基

*4卡爾威廉舍勒

*5酸鹼維基