著:姚荏富

酸與鹼這些名詞時常出現在我們生活中,舉凡食物、肥皂、肥料、火藥、染料、塑膠、紙都是酸鹼之下的產物。從歷史的角度來看,人類文明開始發展之初就已經有了相關的紀錄,尤其古埃及時期應用甚多,舉凡當時高度發展的染色工藝與木乃伊處理技術都有酸鹼的身影。雖然說酸鹼的的應用相當多,但當時人們對於酸鹼的定義並不明確(就像我們會使用工具,但我們並不瞭解它的原理那樣),甚至對酸鹼之間類似對立的關係沒有太多認識,但我們仍可以從過去對酸或是鹼的形容中,簡單了解他們所表現出來的性質。

最原始對酸的描述是

「嘗起來有酸味(sour),我們將之稱為”酸”(acid)」

而對具有鹼特性的物質描述則是

「嘗起來有苦味,摸起來滑溜」

其實這些也只是單純對酸或是鹼這種物質的描述,因為當時也沒有注意到兩者有相互關係。

在過去,人們基本上都是以我們能觀察到的性質來進行描述,像是嘗起來酸、嘗起來甜、可以溶解金屬......之類比較容易觀察到的特性。

隨著時間的演進酸鹼的應用也不斷增加,來到阿拉伯煉金術大盛的8~13世紀,因為加入礦物的煉金技術出現,更是開發出了鹽酸、硝酸以及王水這類強酸,另外"鹼性"這個字(alkaline)也在這個時候出現了,他用來描述製作肥皂水的鹼性水溶液,但他與我們現在所知的鹼(base)並不完全相同,除此之外對於酸鹼可以互相中和的概念開始有比較詳細的紀錄。不過當時對於酸鹼中和的理解是

「當酸加鹼液中時,會產生熱」

這與我們現今所知道的酸加鹼會生成鹽有著不小的差距,甚至在鍊金術的理解中,鹽不是化合物,是組成物質的重要元素,現在看起來雖然理論還不夠正確,但這些發展對於酸鹼的研究來說提供了更多的方向。

拉回到歷史的情境中,雖然對酸鹼的認識有了一定程度的進步,但這些進步仍舊是停留在比較現象上的描述,甚至在酸鹼的分辨方法上,還多是用口嘗法來分辨(當時種田需要鹼性的土壤,為了確定土壤的酸鹼,人們都會吃土看有沒有苦味,以此分辨土質的酸鹼,也因為這種方法造成許多人中毒)。

直到13世紀西班牙學者Arnaldus de Villa Nova利用石蕊來檢測酸性物質,打開了酸鹼判定的第一槍,隨後17世紀在波以爾的偶然發現下開始了用植物來檢測酸鹼的方法,並在《THE EXPERIMENTAL HISTORY OF COLOURS BEGUN》這本書中記錄下多種植物在接觸酸鹼後顏色的變化,以及研發出將植物汁液塗抹在紙上烤乾的簡便檢測方式(就是石蕊試紙),這樣一來酸鹼的區分又有了新的依據,以下是當時對酸鹼的描述方式

「嘗起來酸,具有腐蝕性,使石蕊變成紅色,當加入鹼性物質(alkalies)會減低酸性的物質,我們稱它為酸(acid)」

「摸起來滑溜,使石蕊變成藍色,當加入酸性物質(acidic)會減低其鹼性的物質,我們稱它為鹼(alkalie)」

除此之外,波以爾還提出了最早的酸鹼成鹽理論,反駁過去煉金術所提出的酸鹼成熱理論,就由科學方法證明鹽類是結合物而非鍊金術所說的元素,自此酸鹼的研究逐漸走向實驗科學之列,但就算有這些發現,酸鹼的理解還只是停留在應用或是區分的階段而已,對於酸鹼的本質來說(也就是為什麼有酸鹼的性質,這些性質又是來自於哪裡),仍然沒有明確的定義。

17世紀,兼職化學家拉瓦傑完成全世界第一本化學教科書《化學基礎論》,在前人的基礎下,對酸鹼有了更加明確的討論,拉瓦傑將先前侯艾爾提出的鹽基(base)這個詞特別提出來並將其稱為鹼(alkalie),鹽基(base)是法國科學家侯艾爾為了通稱可以酸反應的物質所定出來的名字,他與過去的鹼(alkalie)相比定義更廣泛,而鹼(alkalie)則是維持在描述水溶液的性質。

除此之外拉瓦傑以組成的角度去定義了酸,成為了第一個以科學實驗推測內含物來定義酸鹼的科學家。在探討酸的過程中,拉瓦傑首先以碳、磷、硫的氧化實驗為例,將三者分別與氧作用,將這個過程稱之為氧化,分別得到三者的氧化物,接下來將這些氧化物分別融入水中,便能夠得到三種不同的酸,所以拉瓦傑推論氧的參與是成為酸的必要條件,並且由原料來為這些酸命名,也就是碳酸、磷酸、硫酸。

在研究酸的形成後,拉瓦傑回過頭來檢視能和酸產生鹽的鹼,再簡單的介紹完蘇打、氨、石灰等生活中常見的弱鹼後,拉瓦傑開始討論金屬溶於酸的現象,他發現金屬與酸反應時會產生氣泡,以及氧化過的金屬可以直接融進酸中的現象,以此他將金屬加酸產生氣泡的過程解釋為金屬搶走酸或是水的氧的過程,如此一來,冒泡後金屬被溶解掉就和被氧化的金屬可以直接融入酸中是同樣的過程了。對此,金屬要能夠成為鹼的必要條件也是氧化,於是拉瓦傑合理推斷,氧與酸鹼的形成有著極大的關聯性,對此,拉瓦傑得出酸必須含有氧的假設,並將氧稱為(oxygen)酸的生成者。

拉瓦節強而有力的論證過程,既有實驗根據又有邏輯推理,令當時的科學家們無一不信服他所提出來的理論,不過以我們現在的觀點回去看,其實拉瓦傑的酸鹼理論其實並不正確,因為能表現出酸性質的其實是氫離子,不過這種錯誤也是有它值得玩味的地方,由於當時已知的酸類多半含有氧元素,而且氫元素已經被證明是組成水分的要件,所以氫出現在酸中出現並不奇怪,照這樣的推論氧氣被懷疑是酸的要素似乎就有那麼一點可能性了,而這樣的理論也掌握了科學界好一段時間,不過科學的前進沒這麼容易停止,很快的,拉瓦傑酸鹼理論的挑戰者就要出現了。


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

《懷疑的化學家》北京大學出版

《化學哲學新體系》北京大學出版

《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

《科學的1000個瞬間》究竟出版

《化學簡史》中國人民大學出版

《關於化學的100個故事》宇河出版