從科學史來認識科學本質–以燃素說為例 / 范賢娟

星期日 , 3, 三月 2019 Leave a comment

從科學史來認識科學本質以燃素說為例

范賢娟

中國寧德師範學院教育與藝術學院

2453316080@qq.com

前言

科學教育不只重視知識的傳遞,還要讓學生了解科學方法,並且了解科學本質。但這說來容易,如何讓學生有深刻體會呢?化學史上對燃燒的看法,從直觀的「燃素說」,轉變為科學的「氧化反應」便是一個很好的例子,讓我們一起來重溫這段歷史。

燃素說被提出

普通的燃燒現象會釋放出許多煙,這似乎顯示有物質被釋放進入空氣中,這是什麼?一名德國醫生史塔爾(Georg Stahl,
1659-1734
),他在醫學上有很好的成就,後來還去擔任普魯士國王的御醫,深受社會肯定。閒暇之時他去做許多基礎化學實驗,並整合之前有關燃燒的學說而產生「燃素說」。這是認定可以燃燒的物質內部含有「燃素」,燃燒時,燃素被釋放出來,這些立刻為周圍的空氣所吸收,我們所看到的煙就是很好的說明。

而物質燃燒後剩下的灰燼因為已經沒有燃素了,所以無法再燃燒。有的物質燃燒過後幾乎沒有留下灰燼,可見得那就幾乎都是由燃素所組成,例如硫磺。史塔爾還觀察到動植物的燃燒情況,他提出的解釋認為植物能從空氣中吸收燃素,而動物又可從植物中獲得燃素,所以動植物都富含燃素,可以燃燒。史塔爾的研究知道如果把動物關在密閉容器中,過了一陣子動物就會死掉,他認為這是因為容器中的空氣已經充滿了燃素到了飽和的程度,因此無法再吸收更多燃素。同樣的道理也可用在蠟燭於密閉容器中燃燒一段時間後就熄滅。

我們以「後見之明」來看會發現,呼吸與燃燒的實際情況,剛好與這個理論相反,呼吸和燃燒並不是把燃素排到空氣中,而是從空氣中吸取氧氣。但是如果從直觀現象而言,燃燒釋放出大量的煙,密閉容器上面還會觀察到水蒸氣,這些都如煙霧彈一樣讓人搞不清楚到底這過程是有物質釋放出去還是被吸收進來。

燃素說面對挑戰

不過其實在更早前,波以耳(Robert Boyle,1627-1691)就已經發現燃燒後物質的重量會增加,這該怎麼解釋呢?堅信燃素論的學者對這方面有的斥之為無稽之談,或者說那是這些人的實驗方法不夠嚴謹,還有一種是主張燃素這種物質具有「負」的重量。

這些不甚高明的說法居然可以屹立超過半個世紀,一直到法國科學家拉瓦節(Antoine-Laurent de
Lavoisier, 1743-1794
)開始認真投入燃燒實驗,才露出一絲曙光。拉瓦節注意到之前的理論似乎只能解釋片段的現象,串聯不起一個完整的知識架構,他親自重新做實驗,思索物質的轉換。這得要跳脫直觀的障眼煙霧,而是去量測反應前後物體的重量。

拉瓦節燃燒磷,這是當時其他許多學者眼中認為富含燃素的物質,收集燃燒後的產物,這需要蒐集氣體的能力,但這對拉瓦節而言並非難事,他很認真地去做量測與記錄,結果發現產物的重量大於反應物,這顯示燃燒的過程磷從空氣中吸收了某種物質。這個思考方向與當時主流理論背道而馳,因此拉瓦節不能急著發表,而是要進行更多的測試,確定他人可以重複這樣的實驗過程,得到相同的結果。

他換用不同的物質,包括硫、鉛等物來觀察燃燒前後重量的變化與產物的性質,他還把鉛的氧化物跟木炭作用,還原出金屬鉛。拉瓦節越來越確定燃燒是從空氣中吸取部分的物質,那大概佔空氣的六分之一到五分之一,因此他斷言空氣是種混合物,只有部分的空氣參與燃燒。

 

發現去燃素的空氣

但那種物質到底是什麼?

此時來自英國的普利斯特利(Joseph Priestley,1733-1804)恰巧跟著他的贊助人一起來到法國巴黎旅行,他在跟拉瓦節相聚的一次餐會上分享自己的發現:他用一個放大鏡讓太陽光聚焦於容器中的氧化汞上,結果發現所產生的氣體可以讓燭火更加燦爛、讓老鼠更加有活力,而普利斯特利自己也去聞看看,雖然沒有特別味道,但是卻讓他吸入後覺得精神抖擻。

雖然這是個重要的發現,但是對普利斯特利而言只是感到新鮮,他的觀察偏向質性描述,解釋方式則用燃素論,稱那種氣體為「去燃素的空氣」,因為該氣體對燃素如此缺乏,所以急於從可燃物當中汲取燃素,才導致燃燒更加旺盛。

拉瓦節則深感震驚,意識到這物質可能就是他所要找的,燃燒時從空氣中吸取的物質。他在宴會隔天就趕快回到實驗室重複普利斯特利的實驗,然後用這種氣體觀察各種燃燒過程,迅速發表結果,公開揚棄燃素論。

而回到普利斯特利,他對於自己的分享導致拉瓦節的研究大突破感到很不高興,除了他是燃素論的信徒沒辦法接受燃素論被推翻之外,更主要的原因在於拉瓦節在論文中完全沒有提到他的貢獻,這讓他覺得自己的想法被剽竊。但什麼才是普利斯特利的想法?認為那是「去燃素的空氣」嗎?

 

推翻燃素說

拉瓦節完全不用這種稱呼方式,他稱那為「酸素」,是一種具有自己特性的物質,當時他以為許多物質燃燒時吸收這物質會產生酸,因此而有此命名方式,雖然這從現在的「後見之明」來看並非如此,但這已經是概念上的一大進步。

燃素論讓西方科學有數十年的時間都在打迷糊仗,雖然有許多人有些特殊的發現,但卻無法正確理解,例如1739年就有人發現動物呼吸、發酵,以及某些物體燃燒會產生一種「固定空氣」。然而那時候的人還不了解空氣是種混合物,因此對於這種固定空氣會讓動物吸入太多而死亡,但其他空氣又是動物生存不可或缺的物質感到困惑。

 

改變理論也改變觀察結果

當時的學者從燃素說的角度來看,可能會視之為「充滿燃素的飽和空氣」,但從拉瓦節的理論來看,這是碳燃燒時跟酸素結合所產生的物質(也就是二氧化碳)。

普利斯特利一直沉溺於自己的想法被剽竊,自己的信仰被推翻而不高興,但拉瓦節則吸引了一批科學家在學術上持續往前,大家需要新的化學命名方式來看待這些物質,包含了純物質與化合物。

從這裡可以讓學生了解眼見未必為憑,科學還需要更仔細的測量,量化的概念,同時也理解理論對引導思考、設計實驗、解釋實驗的重要。

798 Total Views 2 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *