阿瑞尼斯與「電解分離」說（Arrhenius and Electrolytic Dissociation Theory）

阿瑞尼斯與「電解分離」說（Arrhenius and Electrolytic Dissociation Theory）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

雖然德國有機分析生化學家來比錫（Justus von Liebig, 1803-1873）在獨到精闢的分析推論後，將「酸性物質」定義為含「氫」物質，對於「鹼性物質」的闡述卻仍一知半解。除了延續過去經驗，知道「鹼」為中和「酸」的物質之外，「中和反應」能以進行的箇中原因，對十九世紀中期的科學家來說，依然不明就裡。

柳暗花明又一村–阿瑞尼斯的酸鹼學說
西元1880年間，瑞典化學家阿瑞尼斯（Svante August Arrhenius, 1859-1927）在致力於分析測量多種物質水溶液濃度與導電度之間的關係後發現，酸、鹼、鹽等物質在越稀薄的溶液中，其莫耳導電度（molar conductivity）就越好；而強酸、強鹼的導電度，又比相同濃度的弱酸、弱鹼來得好，於是他在1884年所撰寫的博士論文中，大膽提出：「強酸、強鹼、及鹽類分子溶於水，會『裂開（split up）』，以陰離子、與陽離子存在於水中。」這樣的主張，引起當時科學界許多爭議，他的口試委員對其說法，大表不以為然。

他們的反對其實是可以理解的，因為在1897年英國化學家湯姆森（Joseph John Thomson, 1856-1940）發現電子之前，科學家普遍認同英國物理化學家道耳頓（John Dalton, 1766-1844）「物質是由不能再被分割的最小粒子–原子所組成」的說法，雖然有小部分發表的實驗結果，透露分子「電離」的可能性，然而這些未成形的證據，卻無法說服科學家捐棄心中長期的信仰，也因此阿瑞尼斯以「剛好及格」的評價，為其博士生涯留下註腳。然而他的論文卻得到德國化學家奧士華 (Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853-1932) 與荷蘭物理有機化學家凡特何夫(Jacobus Henricus van’t Hoff, 1852-1911)的青睞，於是在1885至1890年期間，透過與這兩位學者共事，阿瑞尼斯對「電解分離」(electrolytic dissociation)的現象有更通透的探討，同時也對「溶液的性質」做深入了解。但有鑒於過去許多反對聲浪，他仍小心地將「離子化 (ionized)與非離子化(unionized)分子」部分的陳述，改為「具活性(active)與不具(inactive)分子」，來避開意見分歧的窘況。透過不斷堅持於這迂迴曲折的路程，終而使阿瑞尼斯建立第一個正確的「酸鹼理論」，並以「電解分離理論」，拿到1903年的諾貝爾化學獎。

阿瑞尼斯在「酸鹼化學」上的貢獻，不僅在於定義「酸為物質溶於水釋放出氫離子」、「鹼為物質溶於水釋放出氫氧根離子」；透過「電解分離理論」，他也解釋了長久以來，化學家發現「酸鹼反應放出中和熱」此化學現象的原因。他認為：強酸如鹽酸（HCl）在水中，會解離成氫離子（H⁺）與氯離子（Cl^–），而強鹼如氫氧化鈉（NaOH）在水中，會解離成鈉離子（Na⁺）與氫氧根離子（OH^–），又針對陰陽離子本身的性質，在強酸強鹼在水中進行反應之後，傾向形成Na⁺ Cl^–，而H⁺與OH^–結合，形成不會解離的水分子（H₂O）。圖一所顯示，即為阿瑞尼斯當時所寫下，也是如今廣為人熟知的酸鹼中和反應方程式。

繼阿瑞尼斯學說之後，許多關於「酸鹼化學」的研究，在二十世紀初，便如雨後春筍，不斷推陳出新，百家爭鳴。而凡特何夫與阿瑞尼士對溶液性質的研究也成為物理化學與溶液依數性質(colligative properties)的先驅。

關於酸鹼化學發展史，請繼續閱讀以下文章:
1. 酸鹼（Acid and Base）化學的發展史(一)
2. 酸鹼（Acid and Base）化學的發展史(二)

參考資料
1. Lensey, M. S. Today’s Chemist at Work, Mar 2003, 47-48
2. Kousathana, M.; Demerouti, M.; Tsaparlis, G. Science and Education, 2005, 14, 173-193.
3. Arrhenius, S. A. “Development of the Theory of Electrolytic Dissociation”, Nobel Lectures, Dec. 1903
4. Muir, M. M. P. A History of Chemical Theories and Laws. New York: Wiely, 1907. (E-book from American Libraries: http://www.archive.org/details/historyo… 00muirrich)
5. Nicholson, J. W. “ A Brief History of Acidity”, Education in Chemistry, Jan 2004, http://lclane.net/text/acidity.html
6. Carr, M. Research in Sience Education, 1984, 14, 97-103