1860 年9月5日,史上首度召開的國際性科學會議——第一屆卡爾斯渥會議(Karlsruhe Congress)進入第三天。來自十二個國家,共140位化學家在德國卡爾斯渥理工學院齊聚一堂,原本希望一舉解決化學界長久以來的歧見,但眼看已是最後一天,卻仍然沒有成果……。
這一切要從道爾吞於1803年提出的原子論說起。道爾吞認為化學元素是由不可分割的原子組成,並以簡單整數比組成化合物。雖然原子論缺乏直接證據,並未獲得普遍認同,但隨著越來越多化學實驗可以佐證,原子論逐漸獲得支持。只不過要用來解釋氣體實驗的結果時,卻出現了問題。
法國化學家給呂薩克 (Joseph Louis Gay-Lussac) 自1808年開始進行氣體實驗,發現在同溫同壓下,產生化學反應的兩種氣體,以及反應後生成的新氣體,彼此之間也是呈簡單整數比,例如兩公升的氫氣和一公升的氧氣結合成兩公升的水蒸氣。不過根據原子說,氣體的基本粒子也是單一原子,因此這個化學反應應該是:
2H + O —> 2HO
除非氧原子能切成兩半,否則這個反應式根本無法成立。但所謂原子就是不可再分割啊!
給呂薩克隔年發表後來以他為名的「給呂薩克定律」後,引發不同看法,有人認為他的實驗有問題,有人認為這表示原子說根本不成立;另外水究竟是兩個氫原子和一個氧原子組成,或是一個氫原子和一個氧原子,也有不同陣營各自表述。
1811年,義大利的一位高中教師亞佛加厥 (Amedeo Avogadro) 發表論文,主張氣體元素的最小粒子並非單一原子,而是由兩個原子組成的分子;而在同溫同壓下,相同體積的氣體,含有相同數目的分子。如此便能解決給呂薩克定律和原子說的衝突。不過這篇論文是發表在法國的物理期刊,注意到的化學家並不多,而知道的人也都嗤之以鼻,除了亞佛加厥名不見經傳,最主要還是因為這違反了「電化二元論」(Electrochemical dualism)。
這是由瑞典化學家貝吉里斯(Jöns Berzelius)提出的理論。貝吉里斯堪稱當時的化學權威,他陸續發現許多新元素,並以更精確的實驗測量各種元素的原子量,也是他以拉丁文字首做為化學元素的符號,取代了道爾吞的圖像符號,沿用至今;他所寫的教科書被翻譯成不同語言,成為當時的標準教材。電化二元論是指元素分為正電性與負電性兩種,化合物就是靠元素正負電之間的吸引力結合而成;這理論可以充分解釋電解實驗,因此普遍獲得大家認同。
根據電化二元論,同樣元素的原子具有相同電性,那麼兩個原子一定會彼此互斥,怎麼可能結合成分子。亞佛加厥的假說就此逐漸消聲匿跡、石沉大海,即便安培也曾提出類似的主張,也未能獲得認可。但不接受分子說,在判定氧化物或是由碳、氫、氧等組成的有機化合物時,就會遇到像水一樣的問題,對於元素的組成比例各有見解,進而影響原子量的判定。另一方面,化合物的化學式也有五花八門不同的表達方式,例如醋酸的化學式就有多達19種寫法。
卡爾斯渥會議的召開便是為了解決化學界的混亂,期望訂定原子量標準,並統一化學式的書寫規則,以促進化學的發展。怎奈會議進行到最後一天仍然沒有共識,眼見這場難得的盛會就要以失敗收場,來自義大利的化學家坎尼扎羅(Stanislao Cannizzaro)的演講扭轉了一切。
其實此時義大利尚未完成統一,而33歲的坎尼扎羅才剛於五月隨著遠征團,回到位於西西里島的故鄉巴勒摩 (Palermo)。1848年他參與西西里獨立革命,但西西里王國獨立16個月後,終究不敵波旁王朝的鎮壓,擔任砲兵軍官的坎尼扎羅先流亡到法國,再輾轉到不同大學任教。如今他終於返回故鄉,並成為臨時議會的一員,應該相當煩忙,卻仍然抽空遠赴德國參加這場國際性的化學會議。
坎尼扎羅在演講中闡述同胞亞佛加厥被埋沒半世紀的理論,並提出制定原子量與分子量的方法,說明如此便能一舉解決絕大部分的爭議。但畢竟電化二元論已深植人心,加上這個革命性理論太突如其來(在場人士大多首次聽聞),會議最後仍未做出任何結論。不過現場發放坎尼扎羅兩年前所寫的論文《化學哲學教程提要》(他當時是以義大利文發表,所以沒有引起注意),被與會者帶回去後逐漸發酵,最後終於獲得大家認可,原子量與化學式的爭議也迎刃而解,才有今日的樣貌。
當時才26歲的門得列夫以及30歲的德國化學家邁耶(Lothar Meyer)也參加了這場會議,他們深受啟發,幾年後各自發想出週期表。邁耶說坎尼扎羅的論文「就像一束光照清楚了最重要問題的所在,讓我吃驚不已,彷彿擦去了眼翳般撥雲見日。」門得列夫則感慨:「自從人們拒絕接受亞佛加厥和安培定律中的普遍化概念,已經過了那麼久了嗎?」
的確,回顧這段歷史,讓人不禁設想:如果亞佛加厥定律提早五十年獲得認可,不知道會不會加速化學的進展?而如果沒有被坎尼扎羅重新發掘出來,化學的混亂又會持續多久?
參考資料:
- Karlsruhe Congress – Wikipedia
- Jöns Jacob Berzelius – Wikipedia
- Stanislao Cannizzaro – Wikipedia
- 《超乎想像的化學課》,John Buckingham 著,李祐慈 譯,天下文化出版