著:姚荏富

化學反應的神秘力量?

物質發生化學反應時會冒泡、會變色、會變熱、會凝固,各種眼花撩亂的變化一直都讓人類十分著迷。只是這些化學反應到底是為什麼會發生、在發生的過程實際上到底發生了什麼事,其實只用眼睛去觀察可能不會有什麼明確的答案,不然為什麼煉金術觀察了這麼久最後還是被科學淘汰了呢你說是不是?

在過去科學家們認為,物質之間具有"化學親和力"所以會發生化學反應,這個"化學親和力"說簡單一點就是物質之間的吸引力,而每種物質之間都有不同的吸引程度,就像你很喜歡隔壁班的小美,但妳卻很討厭同班的阿花這樣,物質也會有喜歡跟誰結合不喜歡跟誰結合的問題。只是用"化學親和力"來代表物質為什麼會結合,似乎有點太籠統了(只用物質喜歡不喜歡結合你不覺得太不科學了嗎?) ,所以漸漸的科學家們開始以到底哪些東西會影響化學反應發生為出發點,開始去尋找化學反應裡的各種秘密。

化學反應前進的第一步

真要說開始揭開化學反應裡的秘密的人,其實就是我們前面有介紹過的主人公,貝托萊。不曉得大家還記不記得貝托萊在埃及發現了什麼,他在鹽湖邊發現了蘇打+氯化鈣變成灰石+鹽巴的"可逆反應",可逆反應的出現讓原本以為化學反應只要發生就不會回頭的科學家們開始了解到,原來化學反應是可以反轉的。不過貝托萊除了發現"可逆反應"之外,他還進一步發現了反應的方向與濃度(當時其實叫有效質量,但為了不要太混亂我們還是用濃度來談)有關(這部分可以去看可逆反應的那篇)。

這可是一個很大的突破唷,貝托萊的這項發現,把化學反應的原因從"化學親和力"這個聽起來好像聽得懂又好像聽不懂的原因中分離出了"濃度"這個可以明確去調整的指標,所以我們可以知道要讓化學反應發生,必須考慮到"濃度"的問題。也因為這項發現,科學界開始對影響化學反應的因素有那些有了發展的方向。貝托萊開的這一槍在化學發展上可是很重要的。

貝托萊之後,化學反應的研究開始開花結果

就向前回說的,貝托萊因為思想比較前衛所以他的發現當時並沒有受到太多的重視,不過就在他發表了質量作用定律的五十年後,由於有機反應的研究開始增加,越來越多的可逆反應被科學家注意到(因為有機反應很多都是可逆反應)。首先是1850年威廉米(L.F Wilhelmy)在他研究糖轉化研究時,發現了反應可能會受到反應環境的酸鹼程度、糖本身的濃度以及當時反應的溫度有關。這項發現無疑是幫貝托萊的質量作用定律打了一記大大的強心針,可惜的是威廉你的這項發現和貝托萊的發現一樣,並沒有受到太多的注意。只能說很多時候科學的發現到要被大家接受或注意還真的是需要緣分阿。

不過就在幾年後法國科學家貝特羅(P.E.M Berthelot)以及聖吉爾(L.P Saint-Gilles)在研究一種特殊的有機反應時(其實就是大家國中都會做的酯化反應實驗),發現了這個反應有一個很特殊的現象,他們發現,

醋酸 +乙醇 →乙酸乙酯 +水

這個反應不管是從左邊開始進行反應,還是從右邊開始反應,反應到最後反應物和生成物都不會完全消失,而且只要把生成物或是反應物移走,反應就會開始生成被移走的項目,為了瞭解反應中各個物質的變化,他們還分別量了反應完成後醋酸、乙醇、乙酸乙酯的濃度,結果他們發現,不管反應時是只放反應物或是生成物,只要反應到最後反應物存在的濃度跟和生成物的濃度竟然會維持在一個固定的比例!這意思就是說這個反應物和生成物好像說好了一樣,不管怎麼反應最後都會維持在特定的比例上。

而貝特羅也為他的這項發現在1863年提出了自己的見解:「酯化反應的的正反應以及逆反應都不可能完全反應完成,無論是從正反應開始還是逆反應開始,最後都會達到一個平衡的狀態,平衡時每種物質之間都會有固定得比例。這種平衡狀態是持續發生的,並不會因為看起來好像反應平衡了就停止了,而是無時無刻都在進行平衡」

再接再厲,化學反應中神奇的比例

在貝特羅發表了自己的發現後,遠在挪威的一對科學家搭檔馬上也開始進行了相關的研究,他們就是數學家古德柏格(N.C.M Guldberg)以及化學家瓦格(P Waage)。這對搭檔是大學時期的死黨,他們一起讀書一起上課,還一起創立了一個討論物理化學的小型俱樂部,這有夠麻吉了吧?還不只這樣,後來古德柏格還介紹自己老婆的妹妹給瓦格,他們不只要當死黨,還變成了親戚呢!

扯遠了(清痰),擁有數學專業的古德柏格與專精化學實驗的瓦格在得知貝特羅的實驗成果後,他們開始大量操作和反應平衡有關的實驗,在短短一年間他們就做了三百組實驗出來(每天做一個實驗的話這樣是周只有周休一日耶也太辛苦了吧),最後他們歸納出了幾個重要的結論,

1.濃度會影響反應速度,而影響反應速度其實和反應方向的反應物乘積成正比(這是很數學的結論)

2.同樣質量時,水越多(濃度就越低)反應的作用力就越弱(就是稀釋的越多反應的力就越小)

最後他們將反應的力整理成一條數學關係式

反應的作用力=k*[A]*[B]

其中k就代表平衡時反應的比例,[A]就是反應物A的濃度,[B]就是B的濃度。

1864年古德柏格和瓦格發表了他們的研究成果,裡面談到了他執行的實驗以及從貝特羅的報告中找到的依據,重要的是他上面寫的這個算式算出來的結果,還真的與實驗現象有很高的一致性(就是可以用上面的算式來處理反應方向的問題喇)。而他們提出來的這個算式其實就是我們現在說的"化學動力學"的開山祖師。這樣看來古德柏格和瓦格這兩個人數學化學雙劍合璧真的是效果超群阿。

只不過當初古德柏格和瓦格向挪威科學院提出他們的報告後,並沒有得到太多的迴響,直到1877年德國科學家奧士華成功應用他們的理論完整的解釋了自己的實驗後,科學界才開始重視這個理論。直到後來1884年瓦格和古德柏格才在德國再次和大家發表他們所做的研究與發現。只能說科學的發展很多時候還真的要看緣份阿。