17世紀在波以耳的《懷疑的科學家》出版後科學開始快速萌芽,許多學說開始將神祕主義的色彩抽離,而科學的概念也逐漸發展出現代研究方法的雛型(藉由實驗來推假說,而非用假說去找符合實驗)。18世紀拉瓦節的《化學基礎論》問世後更是衝擊了全歐洲科學思維的發展,其中的科學實驗方法、物質命名法等內容,歸納出大量具有邏輯且清晰的規則,提供不同國家間科學家們共通的科學語言,科學交流變得更加順利,進一步提升科學研究的傳播性。

在前面兩個世紀的累積下,19世紀的科學更是進入大鳴大放的時代。在理論知識上,1803年道爾吞提出了引響後世深遠的「原子說」,由微觀原子解釋我們觀察的巨觀現象得到的巨大的成功,科學家們開始能藉由原子的觀點去思考更加微小與抽象的世界。這樣強大的理論出現後,完全加速了人類探索世界的方式,當時的科學家們甚至將原子說的定義「原子不可在分割」奉為圭臬。

科學發展面向

在技術上,1780年伏打電池出現後,原本難以利用與蒐集的電力開始為科學家所用,人們對電的掌握開始有了比較快的發展,而電學的應用進入化學領域,更是成為了化學世界的一把開山斧。在電解技術被開發出來之前,物質的分離方法基本上只有加熱這種方式,但當時的技術加熱的溫度有限、且加熱後的物質並不一定容易收集,嚴格來說可以用分離物質但卻不是一個有效而方便的方法。而電解技術的出現克服了上述問題,只要有足夠強大的電力,通電後陰陽極便會分別析出不同的元素,既方便而有效,這對化學的發展來說,根本就是劈開眼前未知的開山斧呀!元素的發現也因此從拉瓦節時期確定的十多種元素,在電解技術的出現後的五十年內爆增到將近五十種。

強大的理論發展碰上全新技術的出現,使得19世紀的科學領域像是從腳踏車換成摩托車一般,發展速度上直接提升了一個檔次阿!各式全新的現象以及基於過去理論所推演出來的假說不斷出現,而人們也開始朝越來越抽象的領域開始發展,從原本肉眼看到的物質,到無法直接觀察的原子,再來就將目光集中到當時電解技術的主角——溶液了。

發達年代的高手

簡單和大家介紹一下電解到底在做什麼,首先我們要準備一顆電池,然後將他的陰極和陽極(電池頭跟屁股)插進溶液裡,接著只要電池的電力夠強,你就會看到陰極和陽極開始出現變化,可能是冒泡、可能是變色、可能是變酸、可能是析出something,總之,陰陽兩極在電池發功的程中會產生變化,這個過程就是電解。

在19世紀將電解玩到最出類拔萃的就是英國科學家戴維,他電解了熔融態的氫氧化鉀,得到當時還未被發現的鉀金屬,以同樣的方式電解氫氧化鈉,得到金屬納,再來幾年他還電出了鈣、鍶、鋇、鎂等鹼土金屬,以及硼、矽這類非金屬,當代元素王非他莫屬。不過在利用電解發現元素的過程中,戴維卻發現與自己的偶像大化學家拉瓦節矛盾的結論,那就是在他研究的過程中他發現,鹼裡面含有氧之外,酸其實不一定含有氧,這與拉瓦節所說「酸中都含有氧」的結論和實驗結果是不相同的。事實證明,戴維的實驗結果是真實的,氫才是酸的必要成分。

戴維的成就除了推翻拉瓦節的酸鹼定義之外,還有另外一個貢獻,那就是收了我們熟知的電磁學大師法拉第作為徒弟。法拉第在進入戴維門下之前,其實只是一個做書的手工人,沒有受過太多的教育,卻對科學相當有興趣,多次參與戴維的演講並將其演講內容製成一本書送給他,戴維十分感動便收了這個充滿熱誠的孩子,不過這段佳話並沒有維持到最後,由於法拉第天賦異稟、成長快速,最後甚至差點功高震主使得戴維在晚年與法拉第相處的並不融洽。

扯題扯遠了,在進入正題之前我們先說一下法拉第在化學的成就,電化學中的核心技術「電解」(electroysis)一詞的就是他發明的,不只如此他在《Experimental Researches in Electricity》一書中提出了陰極與陽極的名字,將可以被電解的物質稱為電解質(electrolyte),並將在可以在溶液中游動的帶電物質命為「離子」(ion)。

法拉第認為電解時陰陽極會出現新物質原因是,溶在水中的分子在通電的過程中被不同的電極給撕開,中性的分子會被撕成一團帶正電的離子團和一個帶負電的離子團,接著帶正電的離子團游向陰極而帶負電的離子團游向陽極,所以我們才會在陰陽極收集到兩種不同的物質。這與法拉第自己的電學理論相當吻合,也相當貼近常人的思維,於是這種假設在很長一段時間裡掌控了人們對離子的想像與理解。

科學就是不斷的迭代

雖然法拉第的電解理論大行其道,但再怎麼偉大的理論在最開始都不是這麼完美的,而電解理論的重大瑕疵則在理論發布的五十年後,在瑞典科學家阿瑞尼士的研究下被發現了。

1859年阿瑞尼士生於瑞典,自小便十分聰慧,文學、數學、物理樣樣快速上手,十七歲考上父親的母校烏薩拉大學,兩年快速學士畢業,接著開始讀物理博士。一開始阿瑞尼士其實在研究光譜,不過他自己知道,如果要精通物理他就必須接觸更多相關的化學與數學知識,於是他選擇當時物理與化學都有重疊到的電學領域。其中他最有興趣的就是當時著名瑞典科學家克萊夫所研究的電化學,但由於學校本身條件還不夠好,所以阿瑞尼士只好改到斯德哥爾摩大學的艾倫德(E Edlund)門下完成他的博士論文。

阿瑞尼斯在斯德哥爾摩深造的過程中,由於他具有相當優越的實驗能力,十分受到艾倫德教授的賞識。除了平常研究之外之外阿瑞尼士在閒暇之餘也從事了相當多的獨立研究,而這些研究讓阿瑞尼士發現了許多奇特的現象。像是當阿瑞尼士在研究稀薄溶液時發現,越稀的電解質溶液導電效果越好,這與法拉第認為的「分子在通電的瞬間會被電極撕成帶正電的離子與帶負電的離子」觀點發生了衝突。

「如果溶進水中的分子會因為通電而被分裂成可以在容易中游動的離子,那導電與否不是應該跟電力大小有關嘛?」

阿瑞尼士開始思考水的增加和導電度之間的關聯性

「水本身其實不太導電,但是加入少量電解質導電度就會明顯提升,水到底跟電解質發生了什麼作用呢?」

為了解開他心中的疑問,阿瑞尼士在請教完教授後開始大幅調整實驗儀器,以得到他所想要達成的實驗條件。在幾個月後,他得到極大量的實驗數據,接著在整理、計算之後阿瑞尼士發現這些實驗結果都指向一個事實——離子的性質其實根本不需要通電就能表現出性質,所以說,離子可能在通電之前就存在了!

流行的理論即將受到挑戰

1883年,阿瑞尼士帶著他的博士論文,回到烏薩拉大學準備向他的口試委員,也就是前面有提到的化學大咖教授克萊夫進行詳細會報。阿瑞尼士這份《電解質與導電性研究》報告是如此的完整,要實驗有大量且精緻的實驗、要推論有縝密而精確的推論,幾乎可以說是無懈可擊的研究報告了,不料交到克萊夫教授手上後,卻出乎意料的冷淡。原來克萊夫教授是法拉第解離說的支持者,對於阿瑞尼士所提出來的理論甚至覺得是空想。阿瑞尼士受到十分大的打擊,但他並沒有因此而放棄,因為在他心中,實驗才能證明理論的對錯,所以他依然提出論文答辯的申請。1884年五月,阿瑞尼士帶著《電解質與導電性研究》開始了他的公開論文答辯。

舌戰群儒仍無法得到認可

這邊我們先說說為何克萊夫教授反對電解質溶於水之後會自動解離,最主要當然是因為在沒有通電的情況下,為何原子可以自由的帶有電荷。當時在闡述電解現象核心的解釋方式是利用貝利烏斯的電化二元論,貝利烏斯認為所有的元素都個別帶有正負極,且強弱並不均等,帶正電比較強者容易和帶負電的元素結合,但在一般情況下元素並不會表現出電性,只有在與可以結合的元素接觸時才會產生感應表現出電性。這種解釋方法同時配合法拉第的電解理論,幾乎完整的闡釋出電解現象與物質的關係。

不過阿瑞尼士的電離說並沒有推翻法拉第的電解理論也沒有否定電化二元論,他只是以客觀的角度對一個與過去理論有所衝突的現象去提供解釋罷了。阿瑞尼士藉由大量沒有通電的實驗,來證明即使不用通電,電解質溶入水中也能表現出離子的性質。他對這樣的現象提出的描述是

.當電解質溶入水中有兩種不同的形態,分別是活性狀態(離子態)和非活性狀態(分子態)

.活性狀態會因為通電而游往相反電極的方向

.這些活性狀態的粒子不需要通電也能存在

.離子狀態並不會表現出原子特性,兩者性質不同(氯是綠色,但氯離子不是)

.當溶液稀釋時,活性狀態的數量會增加,所以溶液導電性會增強

辯答會場上爭論十分激烈,由於主持人正是不認同電離說的克萊夫教授,所以風向一直都對阿瑞尼士相當不利,雖然說對論文的實驗部分並沒有太多的爭議,但對於電解質在水中會自動解離這項觀點,讓答辯過程變得相當混亂,有人因為無法搞懂而反對,有人因為沒辦法接受離子與原子區分得如此清楚而提出反對。

儘管阿瑞尼士的實驗數據和材料都相當充分,但克萊夫教授仍然覺得他的電離說十分荒唐,且答辯委員們也傾向克萊夫教授的立場,最後雖然論文是通過了,但僅僅是「及格」而已。

向外尋求協助

在國內得不到學界的認同的阿瑞尼士,不希望自己的理論就此被埋沒,決定將他的論文分別寄往國外著名的物理化學家們,想聽聽他們的見解。這下論文不寄還好,一寄出國竟然收到巨大的回饋,著名的德國物理化學家奧士華(ostwald)看到阿瑞尼士的論文後就像看到寶一樣,立馬與阿瑞尼士展開連絡。原來奧士華是研究酸催化的專家,正在苦惱於該如何解釋不同酸催化效果的差異,此時阿瑞尼士的論文出現在他的面前,就像為他的研究量身打造的一樣,把離子說的概念加入之後竟然就成功解釋了這些催化效果的差異。因此在奧士華還特地跑到瑞典與阿瑞尼士共同擬定研究計畫,甚至是提出邀請希望阿瑞尼士可以到他所任職的加里大學教書,這對於在國內不受到支持的阿瑞尼士來說是十分鼓舞的消息。

1886年,阿瑞尼士便啟程去加里,進入奧士華的實驗室做研究。

同樣的狀況在荷蘭物理化學家凡特赫夫(van’t hoff)身上也發生了,凡特赫夫是研究溶液熔沸點變化的著名科學家,他在非電解質溶液的預測上十分準確,但只要碰上酸、鹼、鹽溶液(也就是電解質溶液)就會開始出現偏差,為此凡特赫夫將這些偏差藉由係數的方式來表現出來,已修正原本他的預測公式,可是他並沒有辦法解釋為何是這些係數。而阿瑞尼士的電離說出現,竟然可以剛好解決這些問題。正是阿瑞尼士的對離子溶解後便存在的觀點為凡特赫夫因子做出了完美的解釋。

1888年,注意到凡特赫夫研究的阿瑞尼士與奧士華兩人,前去阿姆斯特丹拜訪凡特赫夫,並在他的實驗室一同進行實驗驗證離子說。就這樣他們三個理論互相應證的人成了相當親密的朋友,時常互通有無、討論實驗與理論上的各項發現,而優秀的他們在物理化學的研究上也開始發揮影響力。

考驗不曾停止

1887年,阿瑞尼士將他博士論文與後續的實驗整理為《論水溶液中物質的電解》發表在《物理化學雜誌》的創刊號上,以大量的實驗事實全面闡述了電離說的核心概念。不過阿瑞尼士的挫折再度出現,與克夫萊觀點相近的科學家同樣對電離說提出了反對和質疑,其中最大咖的就是因預測元素成功的們得列夫反對最激烈,他甚至這樣形容電離說

「這種近乎幻想的學說,就像歷史上的燃素一樣,最終落得全面潰敗的下場。」

不過科學就是如此,真理需要時間來證明,但人類排擠異類的能力倒是沒有時間限制。

寒冬之後迎來暖春

從1884年阿瑞尼士辯答會後,長達十年的時間都沒有得到科學界普遍的認可。但在這十年裡阿瑞尼士不曾放棄,堅信實驗所傳達出來的信息不會背叛他,不斷的精進自己的實驗,並與許多科學家一同驗證自己的理論。隨著時間推演,阿瑞尼士的電離說只有驗證越來越多實驗、解決許多理論模型的缺陷。電離說可說是在時間的淬鍊下越站越穩,不只成功解釋溶液熔沸點變化在電解質的不規則問題還解答了酸鹼強弱的問題。在阿瑞尼士的電離說中認為,酸的酸性來自於酸在水中的氫離子多寡,強酸在水中解離效果最好,在水中幾乎沒有分子的狀態,所以氫離子濃度會比同樣當量的弱酸更高,所以能表現出更明顯的反應性。這些都證明電離說在解釋現象上有著極具系統的論點。

最後,1897年,湯木生發現了比原子還小的電子,帶負電的電子可以在原子間流動,如此發現證明了電離說在離子不用通電便能存在的可行性。直到此時,原本反對電離說的學者們才發現自己竟然站在事實的對面,阻擋了科學的前進。不過這也無可厚非,真理對於人類來說原本就是未知的,而科學只是我們用來描繪真理的方式,他的根本就是藉由不斷的質疑去看見真相,若是沒有辦法通過時間的考驗,自然就會被淘汰掉。雖然我們不能說留下來的就是真理,但在科學這種檢驗方式下,留下的理論勢必比被淘汰的理論更可能接近真理。

在阿瑞尼士的電離說得到國際上的認可後,他的聲望不斷上升,1903年,阿瑞尼士用電離說拿下了諾貝爾化學獎,這是瑞典的第一個諾貝爾化學獎。我們來看看在阿瑞尼士得到認可後,原本打槍電離說的克萊夫教授,怎麼形容他,1898年,在紀念偉大化學家貝利烏斯逝世五十周年大會上,克萊夫發表的演講中說到

「貝利烏斯逝世後,從他手中落下的旗幟,如今又被瑞典另一位卓越科學家阿瑞尼士舉起了!」

我想大家可能會覺得克萊夫教授根本丞相,風往哪邊吹人往哪邊倒,但事實上,克萊夫教授在電離說成功被證明前保持懷疑的態度,並不沒有太大的問題,因為保持懷疑才算是真正科學的態度。又或許大家會覺得克萊夫教授如此吹捧阿瑞尼士,根本就是對過去否決他感到抱歉,但我認為,比起歉疚感,不管是克萊夫教授還是我們,更多一點的應該是,對阿瑞尼士努力堅持真理的態度表達敬佩吧。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《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

《諾貝爾百年百人—化學獎》世潮出版

《科學史》華立文化出版

《化學簡史》中國人民大學出版

《超乎想像的化學課》天下文化出版

《A History of Western 》PrenticeHall