著:姚荏富

火,人類文明出現多久就存在多久的元素

火真的是元素嗎?現在看來當然不是,不過因為古人們在利用火的同時也對火有了"特殊"的情感,所以各種火的學說自然也不會少喇。例如中國的五行裡就包含了金、木、水、火、土、古希臘的四元素就是水、火、土、氣,等等的理論都都在告訴我們,火在人類的心中有者不可抹滅的地位。

不過在這邊火不僅僅只是一種元素,他還有著複雜的形象,由於火不只可以燒東西、煮東西甚至可以製造出平常不一定能取得的物質,所以火同時也被冠上了"擅長改變別人"的特殊稱號。

回到科學剛萌芽的17世紀,當時與火有關的描述其實最有名的就是四元素中的火元素以及三元素中的硫元素,兩者都代表著"使物質可以被燃燒"的要素,物質不含火元素、不含硫元素就無法被燃燒。可是能不能燒真的這麼簡單就只是因為火元素或是硫元素所造成的嗎?就讓我們看看科學家們到底如何解釋燃燒究竟是怎麼回事吧!

從觀察燃燒現象開始發展

在學會解釋燃燒之前我們先來看看燃燒時會發生什麼事吧,一般我們看到的燃燒現象正常就是東西冒火,燃燒時冒煙,燒完之後剩灰燼,對吧?古人看到的也是這樣,假如你是對燃燒一無所知的古人你要如何解釋燃燒現象呢?早在煉金術的時代煉金術師就有屬於自己的講法,他們的解釋方式是,東西在燃燒時物質體內的硫元素開始被消耗,當硫元素被消耗完之後就只剩下不含硫的灰渣。這樣聽起來好像也還算合理,不過聽起來似乎太簡單了。

時間來到了17世紀,我們懷疑的化學家波以耳,做了一系列的燃燒的實驗,其中一項實驗是將木柴與硫磺放入器皿中,接著抽出器皿中的空氣,結果他發現,在真空的環境下,木柴與硫磺並不會燃燒,所以說能不能燒其實跟什麼硫元素或是火元素不一定有關係,但可以確定的是肯定與空氣有關係。

同個時期在德國也有一位叫做貝歇爾的化學家也在研究燃燒現象,他是用"分解"的觀點來解釋燃燒,他認為任何物質被燃燒過後都會被分解成比較簡單的物質,因為物質燃燒成灰燼之後就不能在被分解了,對於這樣的觀察貝歇爾提出了屬於他的燃燒理論,他認為物質都是由三種土所構成,分別是賦予物質堅硬特性的石土、存在於可燃物中的油土以及使物體表現出流動性的汞土。咦?你說這不是跟煉金術的理論很像嗎?我想這應該不止是很像而已。

不過為什麼要說到貝歇爾的理論呢?因為他的理論直接影響到了接下來的科學發展,也就是我們這次的主角"燃素學說"。

科學發展初期的新興理論

在科學正開始萌芽的歐洲,解釋燃燒現象可是當時最火紅的話題。在解釋燃燒現象的大家中,以史塔爾提出的"燃素理論"最為有名。史塔爾被認為是當時第一流的化學家,他不只是宮廷御用醫生、大學教授,還寫過許多化學相關的書籍,最重要的是,它結合了他老師貝歇爾的燃燒理論和其他科學家的實驗結果,發展出了當時最具有聲量的學說"燃素理論"。

不同於貝歇爾的三土理論,燃素理論更著重在燃素與環境發生的關係,史塔爾對於燃燒現象的解釋是這樣的。對於木柴或是煤等等的燃燒過程,其實就是物質吸收與放出燃素的過程,物質燃燒時釋放燃素,釋放出燃素後便會成為灰燼,只要能把燃素和灰燼重新結合就可以變回原來的物質。除此之外,燃素說特別提到一件事,物質不會自動釋放燃素,需要藉由空氣來重物質中吸出,所以燃燒時必須要有空氣。這樣的說法解不只釋了燃燒時我們看到的現象,還將前人發現燃燒時的必要條件"空氣"都給一起解釋了。如果是你,看到可以解釋這麼多現象的理論,你還不心動嗎?

在當時的時代,科學發展上很常出現什麼"素"或是什麼"力",這些都是用來解釋自然現象的歸因方式,直到現在我們的科學發展上也還是會用到這些概念。當時燃素理論涉及的面向相當的廣,並不是只有燃燒這個現象而已,身為醫生間化學家的史塔爾認為,燃素充滿了我們的世界,植物會從空氣中吸收燃素,而動物又會從植物中獲得燃素,接著動物也會藉由呼吸來釋放出身上的燃素,在釋放的過程會產生熱,而這也就是動物會有體溫的原因。

史塔爾的燃素說不只解釋了一個現象,還解釋了許多原本看似不相關領域的問題,很重要的一點是,這個理論是用"燃素"來做邏輯的推理,每個現象的發生都遵守著"燃素的釋放或吸收",當燃燒時燃素被釋放,而這時被釋放的燃素會被空氣吸收,這是相當重要的觀念,在燃素理論中"物質不會憑空出現或是突然消失"的科學概念就已經有基礎的雛型了,這對將來科學的發展來說相當重要,而且,這其實正是他未來被挑戰的主要原因。

有沒有燃素,找出來就行了呀

雖然說燃素理論一出生就受到眾多科學家的歡迎,但同樣的,會有歡迎自然也會有質疑,其中最簡單的懷疑就是"燃素到底在哪裡",史塔爾在對燃素的描述是這樣的

「燃素這種物質看不見也摸不著,還帶有很小的質量」

如果是這樣,燃素應該是可以蒐集的吧?你到是搞一些乾淨的燃素給大家看看,讓大家知道真的有燃素的存在呀!所以為了證明燃素理論的正確性,科學家們開始瘋狂的尋找燃素,只是忙了快半個世紀,都沒有人真的找到夠純的燃素。

直到1766年,英國科學家卡文狄西因為一個實驗,讓燃素派的科學家們又燃起了希望。卡文狄西發現,當金屬丟入稀硫酸時會產生大量的氣泡,將這些氣泡收集起來後會發現,這種無色無味的氣體,竟然只要碰到火就會開始燃燒,甚至產生爆炸。這項發現讓尋找燃素的科學家們都樂壞了,根據燃素說的假設,金屬脫去燃素會變成灰燼,換句話說金屬就等於是燃素和灰燼的結合物,在卡文狄西的實驗裡金屬和酸反應變成灰燼加某種氣體,照燃素理論來看,這種氣體不就應該是"燃素"了嗎?

不管有沒有找到燃素,還是有待解決的矛盾

燃素理論成功解釋了許多現象,但卻有個致命的弱點,那就是"重量"。在最原始波以耳對燃燒的研究中除了發現燃燒需要空氣之外,波以耳其實還注意到了金屬燃燒後"重量變重"的現象,這和燃素的假設發生了相反的結果,燃素理論認為燃燒時燃素離開物質,所以燃燒後物質會變輕,這可以用以解釋非金屬物質燃燒時的現象,但卻和金屬燃燒後的結果不同,為什麼同樣是燃素離開物質的燃燒過程,在重量上卻有相反的結果呢?這個問題的答案等了快一百年科學家才找到答案。


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

《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

《化學哲學新體系》北京大學出版

《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版

《科學史》華立文化出版