飲水思「元」話「氫」情

飲水思「元」話「氫」情
國立台灣大學化學系林雅凡講師/國立台灣大學化學系林雅凡講師責任編輯

卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一位英國牧師黑爾斯(Stephen Hales, 1667-1761)首先發明，18世紀普里斯特利做進一步改進。

「飲水思源」是人的細緻情感，也是理性追求。唐朝詩人李白寫<將進酒>：『君不見黃河之水天上來？』在其浪漫情懷中，同時興起『水從何來』的遐思。基於對大地本能的孺慕之情，早在希臘先哲時代，「世界由什麼構成」的追尋，就與文明發展盤根錯節，成為對物質世界探究的起源。

『物質世界是由「土、火、空氣、水」等四元素所組成的』，這稱為「四元素說」的觀念，一直是亞里斯多德（Aristotle, 384-322 BC）以來西方人所信仰的，這學說也成為誤導西方科學思維的禍首。直到18世紀，人們在化學實驗上累積足夠的技能與分析方法後，才為這樣的詰問找到方向。

如果仔細觀察坊間礦泉水上的包裝，有的會標示「H₂O純水」，意味著『水是由氫（H）和氧（O）所組成的化合物』。這是否很不可思議呢？氫和氧都是看不見摸不著的氣體，如何形成能碰能觀的水？這實驗的發現，是人類重要的里程碑，讓人對物質世界的瞭解大步躍進。而這段故事與發現氫氣的經過息息相關。

現今普遍「公認」卡文狄西（Henry Cavendish, 1731-1810 AD）是氫元素的發現者；然而他卻不是史上第一位發現、製備氫氣的人。西元16世紀的瑞士醫生帕拉塞斯（Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD）就曾在將鐵屑溶於稀硫酸的過程中，發現有氣體(氫氣)釋出，他這樣描述：「空氣上升而像風一樣溢散。」一個世紀後，旅居英法的瑞士籍醫生梅耶（Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD）重複帕拉塞斯的實驗時，發現氫氣「可燃」的性質。西元1670年間，英國科學家波以耳（Robert Boyle, 1627-1691 AD）嘗試收集氫氣，並進一步發現氫氣只有和空氣混合時才可燃。

雖然科學家早懂得製備氫氣，在18世紀以前，卻沒有科學家能對氫氣的性質作精確的描述與分析。為其帶來曙光的，正是英國貴族科學家亨利．卡文狄西。西元1766年，卡文狄西將鐵、鋅、錫等金屬分別與鹽酸與硫酸反應，發現都有氣體釋出。為了研究這些實驗釋放出的氣體性質，卡文狄西嘗試以「排水集氣法」收集所釋出的氣體。他發現這三種金屬與足量的各種酸作用，產生的氣體性質相同；不僅如此，使用某種金屬實驗時，只要用量固定，若酸供量足，收集到的氣體量相同，與酸的種類、濃度無關。卡文狄西更估計出此氣體密度僅為空氣的9%，此氣體即是現在我們熟知的氫氣。從這些定量與定性的結果來看，卡文狄西認定「從不同種類金屬與酸製備出的可燃氣體應為同一種物質。」然而身為『燃素說』的信徒，卡文狄西對於「可燃氣體從何而來」的解釋，始終未跳脫燃素說的窠臼。當時大眾普遍認為：『金屬含有燃素，透過燃燒使燃素被釋放。』卡文狄西於是認定這可燃氣體是鋅、鐵、錫的基本組成，在加入酸時將其釋出；甚至一度認定氫氣即為當時所討論的燃素，只是經由精確實驗測定，發現氫氣雖輕，卻仍具備正質量，這與當時對「燃素質量」的認知不完全一致，也讓他對氫氣的研究陷入膠著。

然而「對於氣體的研究」在當時社會蔚為風潮。其中包括氧的製備與研究，普里斯特利（Joseph Priestley, 1733-1804 AD）將氧命名為「脫去燃素的空氣」。西元1781年，普里斯特利與其助手瓦爾提爾（John Warltire, 1725/6-1810 AD）利用電火花引爆空氣和氫氣，發現反應後在瓶壁上有露珠形成與釋出大量熱；若秤量反應後質量，則較反應前為少。他們認為質量的減輕乃因反應後熱的溢失所致。這個實驗引起了卡文狄西的興趣，他認為實驗結果得到質量的減輕應為實驗誤差，因他不相信熱具備質量。

在好奇心與實事求是的精神驅使下，卡文狄西除了重複普里斯特利的實驗，更進一步以氧氣取代空氣，進行相同的實驗，並精確記錄各成分體積與重量的變化。他發現如果將壁上露珠也列入計算，則反應前後質量相同。經由仔細的確認，他發現這些露珠即是「水」。並經由精密量化實驗，卡文狄西得到氫與氧體積為2比1時，能得最大量水。

儘管如此，因拘泥於「燃素」與「水元素」的觀念，卡文狄西這樣詮釋所得結果：『可燃氣體由燃素與水組成，「脫去燃素空氣」盜竊水元素後，水自燃素中脫離而釋出。」他仍執著於「水是基本元素」。

另一方面，蒸氣機發明人瓦特（James Watt, 1736-1819 AD）早已猜想「水在足夠熱量下，應會轉換成其他氣體。」而其友人普里斯特利得知卡文狄西的實驗結果後，再重複相同實驗，結果與卡文狄西一致，納悶之餘找瓦特切磋討論。瓦特結合過去自己合理的懷疑，提供這相同的實驗結果截然不同的註解：『水由「脫去燃素空氣」與「可燃氣體」所組成。』

西元1782年，拉瓦節（Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794 AD）再度進行此實驗，並進一步將水蒸汽分解成氫與氧，再根據他提出的新化學觀念，認定：『水不是元素，而是氫和氧結合的化合物。』拉瓦節並將過去稱為「可燃空氣」的氫氣，更名為「Hydrogen」，意思是「生成水的」。這才終結兩千多年來，人們把水視為元素的錯誤迷思。

不過時勢論英雄，究竟誰才配得這頂「揭示真理」的桂冠？是做出美麗實驗，卻扼腕於無法提出有新意之解釋的卡文狄西？還是僅以思維脫穎而出的瓦特？抑或集此系列實驗於大成的拉瓦節？直到如今，這仍是一個頗具爭議性的問題；不過從這未曾停止辯論的議題中，一方面啟迪我們：『「先鋒者的競爭」固然促成知識的演進；真理能全然被闡明，卻不僅止於個人的智慧。眾人的合作與對話才使科學得以邁開步伐、時代得以變遷。』另一方面，卡文狄西的貢獻著實彰顯了科學中，「精確嚴謹於細節，以翔實的量化數據來定性」不容忽略的風雅，這項特質或許也是科學所具備獨特的魅力。

若要站在「鑑往知來」的歷史角度來述說這項實驗的美麗，除了藉由不斷被驗證、並修正論點的過程，向我們昭示『水不是元素』的真理外，從其發展過程的經驗中，也給予人們「何不以氫氣作燃料」的靈感。如果這個夢想可以實現，『水』是不是能成為一種最友善的能源？法國科幻小說家凡爾奈（Jules Gabriel Verne, 1828-1905 AD）在1874年出版的作品《神秘島（The Mysterious Island）》中，曾這樣寫著：「我相信總有一天水會被用來做為燃料—構成它的氫和氧，不論是單獨或是一起使用，將成為提供光與熱取之不竭的來源；所提供的能量也是煤炭無法望其項背的…水將是未來之媒。」如今「氫燃料電池」、「氫引擎」在21世紀成為此夢想的新芽，為「綠色意識」抬頭的今日捎來春天的氣息。

回顧這段科學史，沈思現今我們的位置，我們正揚起過去科學家所乘方舟之帆，從水的源頭順流而下，隨著綿延的智慧，繼續創造科學使我們憧憬的未來，蓬勃而生生不息，成為–無與倫比的美麗。

參考資料：

1. Sutton, M. “Airs and Graces” Chemistry World, 2010, October, 50-53

2. Broich, J. “Discovering Water: James Watt, Henry Cavendish, and the Nineteenth-century “Water Controversy” ” Victorian Studies 2006, 48(3), 574-576.

3. Seitz, F. “Henry Cavendish: the Catalyst for the Chemical Revolution” Notes Rec. R. Soc. 2005, 59, 175-199

4. Ball, P. “An Element Compounded Cavendish’s Water and the Beauty of Detail” Elegant Solutions: Ten Beautiful Experiments in Chemistry, 2005, Springer (Royal Society of Chemistry)

5. Jacobsen, A. “Water Controversy” Minerva, 2002, 44, 459-462.

6. Miller, D. “’Distributing Discovery’ between Watt and Cavendish: A Reassessment of the Nineteenth-Century ‘Water Controversy’” Ann. Sci., 2002, 59(2), 149-179.