十大美麗化學實驗－－戴維 （Davy）利用電解（Electrolysis）分離元素

十大美麗化學實驗－－戴維 （Davy）利用電解（Electrolysis）分離元素
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

大自然最奇妙之處，莫過於僅用八十八種天然元素就組成了多采多姿的世界，而科學家終其一生只要發現一種元素就足以名留千古。所以在票選十大美麗化學實驗中，就有三項實驗是有關元素的發現（普利斯利、戴維、居禮夫婦）。談到元素的發現，若英國科學家戴維（Humphry Davy，1778-1829，圖一）說他是第二，絕對沒人敢說是第一。他發現了鹼金族的鈉（sodium，Na）、鉀（potassium，K），鹼土族的鎂（magnesium，Mg）、鈣（calcium，Ca）、鍶（strontium，Sr）、鋇（barium，Ba）；而氯（chlorine，Cl）和碘（iodine，I）的發現也與他的貢獻有關。除了元素發現，戴維對現代化學的理論建立也是貢獻良多，更別說戴維一生最大的發現：收一位摺報紙的學徒為助手，這位學徒就是我們現今尊稱的電學之父－－法拉第（Michael Faraday）。

圖一：戴維發現了鹼金族的鈉、鉀，鹼土族的鎂、鈣、鍶、鋇；而氯碘的發現也與他的貢獻有關。

戴維剛入行化學時做的是笑氣（nitrous oxide，NO）的研究，不過他始終深愛著電化學。1800年，伏打（Alessandro Volta）發現兩種不同金屬夾著潮濕的紙板能產生電力，現稱伏打電池（Voltaic pile）。伏打認為伏打電池的電力來自兩種不同金屬接觸產生。戴維不贊同伏打的說法，他認為電力不會是兩種不同金屬接觸就會產生，一定是有化學反應而產生電流；而且反過來說，電流應該也能促進化學反應發生。

1807年，戴維嘗試將電流通過熔融的氫氧化鉀，結果圓珠狀的鉀從氫氧化鉀粉粒中冒出來，而且還有一部分起火燃燒。戴維狂喜地跳了起來！因為這證明了電流確實能促進化學反應，而且還發現了新元素。戴維稍後也以同樣的方式從氫氧化鈉電解得到鈉。在這之前，氫氧化鉀與氫氧化鈉都因無法被分解而被當作元素。當時科學界普遍接受戴維發現新元素的結論，不過有兩位法國化學家：給呂薩克（L. J. Gay-Lussac）與亭納爾（L. J. Thenard）將依照上述戴維實驗方式得到的鉀進行一系列反應，質疑戴維所得到的物質只不過是氫氧化鉀的氫化物，並非真正的新元素。在經過仔細檢驗之後，戴維指出給呂薩克兩人論證的謬誤之處，成功捍衛住自己的新發現。

鹼土金屬的分離就比較困難囉，一開始戴維同樣使用熔融的氫氧化物進行電解，不過反應性不佳，也看不到新生成的金屬，或許是因為新生成的金屬立刻與鐵電極反應。後來戴維數次改進實驗方式，共熔鹼土與過量的氫氧化鈉再通以電流，終於看到亮晶晶的金屬微粒，不過瞬間就焚毀了，很不給面子。於是實驗的問題轉成「要如何保存電解得到的金屬呢？」戴維想到使用氧化汞與金屬可形成汞齊（Amalgam，汞合金），最後再把汞齊加熱，把汞趕跑後就得到想要的元素啦。1808年，戴維用這種方法一口氣發現了鎂、鈣、鍶、鋇。

戴維與給呂薩克之間的辯戰一直持續到硼（boron，B）元素的發現，不過別誤會，他們的論戰可不像我們的立法委員無理取鬧，都是有化學實驗當作根據，只不過從不同的角度來詮釋而有歧見。正所謂真金不怕火煉，真理是越辯越明，科學唯有不斷質疑、驗證才會向前演進。

參考文獻：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Humphry_Davy
2. Robert Siegfried “The Discovery of Potassium and Sodium, and the Problem of the Chemical Elements” Isis, 1963, 2, 247-258
3. Richard A. Pizzi “Humphry Davy, Self-Made Chemist” Today’s Chemist at Work, 2004, 49-51
4. 何子樂，“尋尋覓覓”，科學月刊1998年4月份