亞佛加厥假說

化學原理啟迪4

1.      原子量歷經好幾年仍舊無法確認，判斷化合物的絕對化學式這個問題的關鍵，後來由法國化學家給呂薩克 Joseph Gay-Lussac(1780-1850)的實驗提供解答，同時，義大利化學家亞佛加厥Amedeo Avogadro(1776-1856)也提出重要假說。

2.      1809年，給呂薩克在實驗中，測量每一種互相起反應的氣體體積(在同溫同壓下)。

3.      舉例來說，給呂薩克發現「2」單位體積的「氫H」，與「1」單位體積的「氧O」，反應之後，產生「2」單位體積的「水蒸氣H2O」；

4.      「1」單位體積的「氫H」，與「1」單位體積的「氯Cl」，反應之後，產生「2」單位體積的「氯化氫HCl」。

5.      1811年亞佛加厥解釋這個實驗結果，提出：在同樣溫度與壓力下，不同的氣體只要體積相同，就會有一樣的粒子數(原子數)。At the same temperature and pressure, equal volumes of different gases contain the same number of particles。

6.      這個假設稱為亞佛加厥假說 Avogadro’s hypothesis；只要在粒子體積很小很小的情形下，氣體的粒子們彼此的距離很大，亞佛加厥假說就很合理。因為在這種情況下，氣體的體積就完全取決於分子數量有多少，而與個別粒子的體積無關。

7.      如果亞佛加厥假說是正確的，給呂薩克就能推論出以下結果，

「2單位體積的氫」和「1單位體積的氧」→「2單位體積的水蒸氣」

也可以寫成：

「2分子的氫」與「1分子的氧」→「2分子的水」

8.      這些觀察解釋得更完整的方法就是，把氫氣、氧氣、氯氣，都設定成由雙原子(2個原子)組成的分子。(特別注意，在這裡水的化學式是H2O，而不是道耳頓所認為的OH)

9.      很不幸地，亞佛加厥的解釋並沒有被絕大多數的化學家接受。主要的障礙在於，當時的化學家認為，只有不同元素的原子，才可以互相吸引來形成分子(亞佛加厥認為，同樣元素的原子會互相吸引成氧氣、氫氣、氯氣)。

10.  那個時代，道耳頓和其它頂尖的化學家假設，同類型的原子彼此沒有吸引力affinity，因此沒有辦法形成雙原子分子diatomic molecules。

11.  氫、氧、氯這些元素組成的化合物的化學式，沒有在亞佛加厥時代取得共識，因此十九世紀前半個世紀，大家對這個問題還是一團混亂。

12.  雖然在這段時間，許多化學家勤勉地測量各種元素的質量，和它們結合的化合物的質量，像是瑞典化學家Jons Jakob Berzelius(1779-1848)就是其中一個，但是對測量結果的解釋方法眾說紛紜，依據各種元素與化合物的假設，結果出現各種不同版本的化學元素符號表。

13.  情況是這樣地混亂，以至於1861年 F. August Kekule寫的教科書，裡面的化合物「乙酸」竟然有19種不同的化學式。

14.  這個亂局是怎麼解開的呢？關鍵人物是一位義大利化學家 坎尼札羅Stanislao Cannizzaro。(摘錄Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》)

徐弘毅：

1.      給呂薩克發現「2」單位體積的「氫H」，與「1」單位體積的「氧O」，反應之後，產生「2」單位體積的「水蒸氣H2O」。

2.      這個實驗結果，一定會讓給呂薩克想到一個問題：為什麼2(氫)+1(氧)=2(水)？或者2+1=2.7,或1.768…這種有小數點的比例？

3.      2(氫)+1(氧)=2(水)，彼此的比例是整數，而沒有小數點，這一定就是道耳頓所說的，分子是由獨立不可分割的原子組成，化學反應，是原子彼此之間重新鍵結。

4.      但是，這個實驗還有第二個問題，為什麼2(氫)+1(氧)=2(水)？而不是2(氫)+1(氧)=3(水)？這樣也是整數，也符合道耳頓原子學說，而且，更符合我們對原子重組的「感覺」

5.      化學反應的「產物」，是把「參與反應」的原子(氫、氧)，重新鍵結「產生的分子」(水)；這樣說來，產物是由「比較多的原子」組成，體積一定比原本的「反應物質」(氫、氧)大，佔據的空間應該更大一些才對，為什麼反應之後的產物「水」，佔據的體積，竟然會跟組成它的「氫」一樣呢？

6.      亞佛加厥回答這個問題，他說，氣體的「體積」主要是跟粒子的「數量」有關，跟「粒子自己的體積大小」無關。

7.      亞佛加厥認為，分子的粒子體積太小太小，稍為大一點或小一點，都不會影響佔據的空間大小，倒是數量多一點或少一點會有影響。

8.      數量會影響氣體整體體積大小，應該是跟分子彼此之間需要保持一定的距離有關；數量多，彼此需要保持的距離空間變大；數量少，彼此需要保持距離的空間變小。

9.      這個想法與牛頓的萬有引力有相通之處，牛頓認為萬有引力與質點彼此的距離有關。

10.  為什麼亞佛加厥的看法，沒有被道耳頓與其它頂尖化學家接受呢？

11.  因為當時認為自己接受最新觀念「原子學理論」的人，已經認定原子是基本單位；純物質銅，就是由一顆一顆的銅原子組成，純氧，也是由一顆一顆的氧原子組成，他們認為不會出現氧氣的基本單位是，由2個氧原子組成的氧分子。

12.  而亞佛加厥的意思，是把氣體的基本單位，看成是分子，而不是原子；也就是氧氣，是由氧分子，不是由氧原子組成，這個分子學說是新的，如果這個理論成立，道耳頓原子學說的天條「原子是不可分割的基本單位」就被推翻了，這實在很難讓道耳頓學派接受。

13.  於是，十九世紀的前半個世紀，科學界陷入一片混亂中；雖然化學家們彼此沒有共識、意見混亂，但這就是一個文藝復興時代。

14.  人們不需要透過權貴的同意，每個人可以自由地去研究自己生活周遭的事物，發表自己的論文，每一種公開的意見都必須加以檢驗、辯證，每一種理論隨時要被推翻，這個思想激烈競爭的文藝復興時代，使歐洲各國瞬間超越世界各地的族群，成為主導二十世紀發展的文化強國。

15.  雨果：我們的瞳孔，會說出我們身上具有多少人性，我們用睫毛下的眼神，表達思想。渺小的良心，使眼睛眨動；偉大的意識，使眼睛發出光輝。

16.  如果眼睛不發光，那就是頭腦裡沒有思想，心坎裡沒有愛。有所愛的人，便有所欲；有所欲的人，眼睛會發光，而且已經發出光輝來了。

17.  有一種東西，比我們面貌更像我們，那就是我們的表情：還有一種東西，比表情更像我們，那便是我們的微笑。

18.  思想家是主動的，幻夢者是被動的。

19.  靈魂的某種模糊的部分，不能用言語形容。詞彙有其邊界，思想則沒有邊界。思想就是力量。

20.  每一個能思考的人，在他身上都有一個美麗的世界。理智，既然已經喚醒，推理便活躍起來。

21.  我們都受我們的思想支配。我們的思想是神，是鬼怪，也是巨人。

22.  思想是智慧的活動，夢想是妄念的活動。以夢想取代思想，就是把毒物和食物混為一談。