著:姚荏富

全新的工具,探索未知的世界  

  伏打電池作為當時最新潮的科學發明,科學家們都想要趕快找出除了電動物之外的科學用途。畢竟這個新發明如果也只能電人電動物,那不就跟以前的萊頓瓶一樣了嗎?好在伏打1800年發表的已經是電力強化過後的伏打電堆,使用起來並不會太難,只要將電池的正負極分別接上導線剩下的就只要等電池慢慢放電就可以了。所以很快的,在同年就出現了一篇十分重要的實驗報告,那就是《利用電池電流分解水的方法》。

  《利用電池電流分解水的方法》是英國科學家尼爾森(Nicholson W.)以及卡里斯厄(Carlisle A.)的研究成果,他們用類似伏打電堆的裝置(他們是用36枚銀幣加鋅片以及硬紙片並用金箔做電極),將電極置入水中後開始有氣體產生,接著用排水集氣法來收集電極上產生的氣體。結果他們整整電了13個小時,只得到一立方英吋左右的氣體。不過這已經不錯了,在電池發明之前其他科學家也試過用萊頓瓶萊電水,結果重複放電14000次(光是要數放幾次就花不少時間吧)只得到不到1/3立方英吋的氫氧混合氣體。

  這樣說起來尼爾森和卡里斯厄可說是相當成功,雖然電的時間比較久,但他們成功從兩極上收集到純淨的氣體,分別是在負極產生的氫氣,還有在正極產生的氧氣,除此之外,他們還發現製造出來的氫氣體積剛好是氧氣的兩倍,這剛好就是產生水氣時需要的氫氣與氧氣的體積比例,所以這項發現在《利用電池電流分解水的方法》公布後馬上就轟動了科學界。

  同年九月,德國科學家利特爾也做了類似的實驗,並且一樣在兩極得到氫氣和氧氣,並且還發現硫酸鹽溶液中沉澱出了銅金屬(他的硫酸鹽其實就是硫酸銅),再次轟動科學界。你可能會覺得不就是電水而已嗎?科學界也太容易被轟動了吧?但這些發現可是讓科學家意識到,電似乎可以分解某些東西,而這就是我們現在說的電解現象。

才氣縱橫的科學家

  說到電解絕對不能不提到英國科學家戴維,他可是當時的電解大師。起初戴維只是一個氣體研究員,但當他看見《利用電池電流分解水的方法》後,徹底地被電解現象給吸引住了。而且戴維不研究還好,一研究便快速成為電解領域高手高手高高手,並將他這幾年研究電解的發現與想法寫成《關於電的某些化學作用》,在皇家學會與其他科學家報告,得到當時科學家的大力讚揚。

  如果只是電解電解東西戴維就可以叫大師的話,那大家可能真的太小看他了,代為除了擅長電解之外還對電解中發生的過程做了許多研究。像是當時只要電解正極就會開始出現酸性物質,而負極就會出現鹼性物質,當時科學家們倒在尋找酸鹼性了來源,但戴維認為這其實是因為水不純所造成的,所以他將一般的水換成蒸餾水並且打入氫氣驅趕水中的其他氣體再次進行電解,果然就沒有酸和鹼產生了。除此之外因為這些溶在水中的雜質,讓戴維開始對同樣是融入"雜質"的鹽溶液產生興趣(鹽溶液就是鹽水,對水而言鹽就是"雜質"),他大膽推測電解鹽溶液肯定也能夠得到酸鹼,經過多種硫酸鹽類的測試,果然在正極附近產生了硫酸而負極也產生了相對應的鹼。

  根據上面實驗的現象,戴維認為氫、金屬、鹼類應該都帶正電,所以他們會被負極吸引,反之氧和酸都帶負電,所以被正極吸引。這樣的想法不只結合了異性相吸同性相斥的電學概念,還解釋了物質為什麼會結合(把親和力用電利來解釋),甚至還把電解的原因給找出來了呢,簡單來說,就是物質會結合是因為有正負電,但是只要出現比物質正負電更強的電極,就可以把他們分開囉。而這就是《關於電的某些化學作用》的內容,光是從電解現象就能解釋到物質會結合的原因,你說這樣不叫大師,誰叫大師咧?

大師一出手便知有沒有

  戴維在1806年發表《關於電的某些化學作用》後並沒有停下腳步,1807年他開始人生中最瘋狂的電解實驗,由於苛性鹼(苛性鉀和苛性鈉)從拉瓦節時代就已經知道不是元素(但當時拉瓦節也猜錯他們的組成),這時認為只要電力夠大就足以分離物質的戴維,開始進行電解苛性鹼的實驗。

  戴維起初分別直接電解這兩種鹼的水溶液,兩極卻只得到氫與氧,這代表水被電解了,鹼卻一點改變也沒有,看來在水中電解的方法是行不通的。可是乾燥的苛性鹼又不導電,如果要電他看來要把他整個加熱熔化來試看看了(這件事其實超極危險小朋友不要學)。這次確實能夠通電了,但是負極整隻燒了起來,戴維心想

「看來苛性鹼確實被分解了,但在這麼高溫的情況下我的生成物應該一出現就被燒掉了吧」

  為了解決生成物被燒掉的問題,戴維改用等苛性鹼受潮變成藥濕不乾的狀態下去電解,這次有了重大的發現,在負極開始有了類似水銀的珠子產生,而且這次為了讓生成物不要被燒掉拜維迅速將坩鍋放入水中降溫,這時悲劇發生了。小朋友們千萬不要像戴維這樣,這些類似水銀的珠子碰到水的瞬間,爆炸了,但爆炸其實也不是什麼大事,重要的是戴維在這次實驗中被炸瞎了一隻眼睛,這告訴我們驗實安全真的很重要阿。

  雖然被炸瞎了一隻眼,但戴維找的電解苛性鹼的方法,在這之後分別從苛性鉀還有苛性蘇打中分離出了極為活潑金屬"鉀"和金屬"鈉"兩種全新的金屬元素。戴維將他的發現發表於皇家學會,再次引起科學界的轟動(又轟動),這次連遠在對岸的法國皇帝拿破崙都不顧英法兩國正值戰爭階段,還特地頒發獎章給給戴維,戴維可真是"科學無國界"的最佳代言人了。

電解王戴維快馬加鞭

  在成功分離出"鈉"和"鉀"之後,戴維在短短一年內又相繼用他高超的電解技術以及鈉與鉀的化學特性分離出了鈣、鎂、鍶、鋇以及非金屬硼這五種全新的元素,我們現在周期表也才100多中元素,戴維一個人就發現了七種,目前已發現新元素的數量來說,戴維的這項成就可真的是無人能及。

  不過戴維的電解技術並不只是可以幫他找到新的元素而已,因為電解技術主要都是在用於分離物質,所以不只是分離出新的元素,還可以用來確定物質還能不能在被分離。在發現了許多元素後,一直電解酸鹼的戴維在又發現了一件驚人的事實,那就是大科學家拉瓦節的認為酸都一定含有氧的酸學說錯了。

  戴維發現,他將鹽酸電解之後卻得到氫氣和一種黃綠色氣體,這種氣體被當時科學家稱為"氧化鹽酸",因為當時科學家相信酸裡面一定含有氧,只是這種黃綠色氣體不管戴維怎麼做就是無法分離出氧氣,最後戴維在他1812年出版的《化學的哲學原理》寫到,

「我認為氧化鹽酸不是一種化合物,他更像是一種單質,他和氧氣一樣可以幫助燃燒。所以燃燒並不像拉瓦傑說的非氧氣不可。而氧化鹽酸不含有氧的事實,也證明了酸其實不一定要氧。」

  不過有礙於拉瓦節的氧化理論還是能解釋大部分的燃燒以及酸鹼的現象,戴維的看法並沒有辦法馬上得到科學界的認同。但科學就是這樣,正確的不一定馬上就會被大家接受,隨著時間的推進,錯誤的理論會被修正而正確的理論則會留下來。 


參考資料

《化學通史》凡異出版

《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版

《化學基礎論》北京大學出版

《化學的故事》倚天出版

《從故事看科學》世潮初版

《回到起初—科學大師發現的起點》 時報出版

《科學史》華立文化出版

《超乎想像的化學課》天下文化出版

《A History of Western 》PrenticeHall