著:姚荏富

A+B變成C+D,化學反應為什麼會發生呢?

把一種物質變成另外一種物質,化學變化這種好像魔術一般的過程,其實在人類歷史中早有紀載了,不過對於這種神奇的現象,多半停留在物質A經過什麼步驟之後就會變成B,這樣像食譜一樣的紀錄方式。而科學家最多也只能知道每種物質之間誰跟誰比較容易發生結合、誰比較可能和誰反應這樣比較籠統的說法。

不過在變化的過程中到底發生了什麼事,其實一直是個困擾科學家的謎。而我們今天要講的這位主人公,就是發現了化學反應中一項過去沒有被注意到的特性,進而掀開了化學反應的第一層面紗的重要腳色,他是貝托萊,我們前面曾經提到過《化學命名法》的其中一個作者。

法國現代化學發展的要角

1748年出生於法國的貝托萊,與現代化學之父拉瓦節是同一個時代的科學家,而且他們不只同時代,更是一起做研究的好夥伴。貝托萊本身是讀醫學的,在與拉瓦節合作之前發表過許多物質研究的論文,其中最有名的就是貝托萊成功測定出氨其實是由氮與氫所組成,不過由於當時正流行提倡科學方法、實驗操作......的現代科學手法來進行驗證,所以大量物質的組成開始被了解,貝托萊的發現也只是眾多發現中的一件,其實並不是這麼顯眼。不過貝托萊仍是當時聲望還不錯的科學家。

貝托萊熱愛科學,所以除了做研究與任教之外,也十分喜歡跟各路科學家進行想法交流,這讓他和當時的科學紅人拉瓦節成為相當好的科學研究夥伴,而且他們不只研究科學,還一起為了解決當時科學界普遍存在的物質名稱問題,在1787年與另外兩位作者共同完成《化學命名法》這本大作,成功影響了當時的科學界,而貝托萊也因此成為了更具聲望的科學家。

革命的鐮刀來臨

雖然貝托萊和拉瓦節都頗具聲望,但就在他們出了《化學命名法》兩年後便爆發了法國大革命,而拉瓦節還因此送了性命。當時貝托萊也曾因害怕被波及而離開法國一段時間,但很快的又被當時的政府給找了回來,好在貝托萊的身分並沒有拉瓦節這麼複雜(科學家兼稅務公司高管),所以其實只是要找他回來教授火藥相關的課程而已。

不過你以為法國大革命這麼快就結束了嗎?當然不是,在革命後,法國進入一段相當動盪的時期,直到拿破崙出現才讓法國得到一小段時間的安寧。在革命期間屢建戰功的拿破崙,成為法國的英雄。這位英雄相當熱愛科學,甚至要遠征埃及時,還特別帶了近200人的學術團去進行調查,裡面包含各式科學家、工程技師、生物學家.....各式知識分子.,他對科學的重視可見一斑。而身為當時法國聲望相當高的科學家,貝托萊自然也是這學術團裡的其中一員。

埃及鹹水湖的特別發現

到了埃及後,貝托萊開始對當地進行考察,當他考察到開羅附近的鹹水湖時,湖邊的沉積物引起了他的好奇。鹼水湖也就是我們所說的鹽湖,是比一般湖泊含有更高鹽分的湖,簡單來就是這種湖吃起來比較鹹喇。

經過貝托萊的研究後發現,湖水中的鹽類就是我們平常會碰到的氯化鈉(我們俗稱食鹽),不過特別的是,湖邊的沉積物並不是食鹽的結晶,而是碳酸鈉(也就是我們俗稱的蘇打),這時候貝托萊心想,

"這些碳酸鈉究竟是從哪裡來的呢?"

正當他百思不得其解時,他發現了湖邊除了有沉積物之外還有許多碳酸鈣(也就是我們俗稱的灰石),而且這些灰石都有被侵蝕過的痕跡,這時貝托萊發現,

"如果碳酸鈉是碳酸鈣與氯化鈉反應之後的產物了話,似乎就可以解釋為何會有這麼多碳酸鈉出現在湖邊了"

CaCO3↓+ 2NaCl→Na2CO3 + CaCl2

 灰石+鹽巴 → 蘇打+氯化鈣

貝托萊似乎找到了沉澱的來源,但貝托萊沒有高興太久,因為這項發現和他過去的研究十分相似,他過去在研究鹽類反應曾有記錄下這個反應:

Na2CO3 + CaCl2 →CaCO3↓+ 2NaCl

 蘇打+氯化鈣 → 灰石+鹽巴

過去科學家在經驗中蘇打(碳酸鈉)碰上氯化鈣就會自動反應生成灰石(碳酸鈣)以及鹽巴(氯化鈉),而且過去的人們認為化學反應就像變了心的女朋友一樣,只要一發生反應就沒辦法再變回去了,但貝托萊卻在研究鹽湖附近的沉澱物時,發現了一個可以正著跑(蘇打+氯化鈣→灰石+鹽巴)也可以反著跑(灰石+鹽巴→蘇打+氯化鈣)的化學反應,而這樣的反應就是我們現在所說的可逆反應。

貝托萊的這項發現,對當時科學家對化學反應的了解給了相當大的啟示,那就是化學反應並不像人們過去所想的就是從A物質變成B物質,其實化學反應在物質轉換的過程中有著更多我們所不了解的秘密。

驚人的發現後,貝托萊譜出物質變化的原因

在講到貝托萊另外一項驚人的發現前,我們先介紹一下當時科學家怎麼理解物質為什麼會結合的好了,以前的科學家解釋物質發生結合的原因是用"親和力"來解釋的,什麼叫做親和力呢?他跟班上的好好先生很有親和力的感覺其實有點接近,當A物質跟B物質很容易反應的話,科學家就會說A和B會結合是因為他們之間會有親和力。這個親和力就是指兩個物質會想要年在一起傾向大小而已,就像我們會想接近有親和力的人是一樣的道理(咦?是這樣嗎?)。

回到貝托萊在調查鹽湖這個事件,其實他在調查鹽湖的過程中,還發現了濃度對化學反應的影響。為什麼我說他很厲害呢?因為當時科學家們不像我們現在買飲料還知道要選半糖微糖,以前人們根本不曉得"濃度"是什麼樣的概念,但貝托萊卻注意到這個可逆反應,平常在實驗室裡會自動發生"正反應"(蘇打+氯化鈣→灰石+鹽巴),而"逆反應"卻很難被觀察到。只有在鹽湖中有大量氯化鈉(食鹽)以及湖邊有許多碳酸鈣(灰石)的環境下才會比較容易觀察到。對此貝托萊對可逆反應還下了一個相當重要的結論,那就是

"化學反應的發生是因為親和力,除了與物質之間互相的引力有影響之外,水中物質的質量(當時沒有濃度所以貝托萊是用溶在水裡的質量多少來表示濃度)也是影響反應發生的重要條件"

簡單來說,貝托萊認為反應會發生(親和力)=引力+濃度。(以前的科學家室認為親和力=引力)

貝托萊將他這一連串的發現統整後寫成了《化學靜力學》這本書在1803年開始出版,不過由於這樣的看法過於前衛(畢竟當時科學家們連濃度的概念都還不是很完整),所以並沒有引起太大的轟動。但這本書裡除了前衛的觀點外貝托萊也用許多實驗證明了他所注意到的現象,他用了一連串的實驗來證明只要"化學質量"(這是他為濃度發明的名字)夠,大部分的化學反應應該都是可逆的(而事實上確實如此)。但這樣的理解直到將近一百年後才在科學界大放異彩。現在看來貝托萊可真的是相當前衛呢。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《不朽的科學家》洪建全出版

《化學基礎論》北京大學出版

《化學的故事》倚天出版

《科學史》華立文化出版