臺灣化學教育

貝采利烏斯的微粒理論

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  譯者導讀

永斯ž貝采利烏斯（Jöns Jacob Berzelius，1779-1848），瑞典化學家，如圖一左所示。他於1813年發表這篇名為《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文：以及表達它們的簡短方法》的論文，英譯篇名為Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them.，如圖一右所示。原文自1813年起至1814年分5次連載，本文翻譯文中的第二部分 (Berzelius, 1813)。

 

圖1：永斯ž貝采利烏斯（左）和該文英譯版本（右）

（左圖片來源： Charles W. Sharpe, d. 1875(76)

右圖擷取自(N.d.). https://web.lemoyne.edu/~giunta/berzatom.html）

18世紀初，道耳頓的原子說揭開科學界原子研究的序幕。貝采利烏斯接受並發展原子說，並進一步提出「微粒理論」（corpuscular theory）。微粒理論的主張有以下三點：

第一點：兩種氧化物化合時，二者必須含有相同數目的氧，或是其呈現整數倍。如式1所示：

SO₃ + CuO → sulphate of copper     [式1]

在式1中，三氧化硫與氧化銅可以以一比一方式結合，因前者的氧是後者的三倍。

但是 SO₃ + 2CuO 無法以一比二的比例結合，因為前者氧的數目和後者氧的數目並非整數倍。

第二點：用含硫的酸來中鹼性的氧化物的話，中和時所需酸的單位體積的倍數就是一體積的鹼中所含的氧的數目。

2SO₃ + FeO₂ → iron sulphate   [式2]

3SO₃ + FeO₃ → iron persulphate    [式3]

在式2中，SO₃與FeO₂以二比一方式結合，因鹼中氧數目為2。

在式3中，SO₃與FeO₃三比一方式結合，因鹼中氧數目為3。

第三點：一原子與氧化合的數目(或體積)，決定其氧化物會與多少數目的硫化合。

以式2、式3為例，1體積的 FeO₂和FeO₃ 氧化物含氧數目分別為2和3，這兩氧化物會分別與2和3體積的SO₃化合（或S化合）；1個鐵原子分別與2和3體積的氧化合（亦即FeO₂和FeO₃），其氧化物會分別與2和3體積的SO₃化合（或S化合）。

微粒理論彌補當時原子說的不足，可以解釋更多的化合反應，除此之外，以字母表示原子、現代分子式的表達都源於貝采利烏斯所建議，最重要的是貝采利烏斯以氧當作標準（氧重訂為100），測定四十多種元素的原子量，氧和硫的質量分別15.07和30.29（氫的質量為1），與現代的原子量數值相當接近。

n  前言

貝采利烏斯在1813年的文章《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文：以及表達它們的簡短方法》中指出，要回答: 「為甚麼兩種物質（bodies）結合時，相同質量的第一物質與第二種物質結合的質量總是特定的倍數比例_[1]呢？」這個問題的最簡單的答案，就是這些物質都由數個原子或分子所組成，結合時以1比1、2、3或4等比例發生。他也指出英國的道耳頓（Dalton）是第一個建立這個假說的人。

n  微粒理論的起源

貝采利烏斯在實驗中碰到一些用道耳頓的假說無法解釋的現象，鐵燃燒時只能和兩種數量（或體積）的氧結合，其中的一種氧化物的含氧量是另一種氧化物的1 倍[2]。貝采利烏斯指出後者是鐵的不完全氧化所造成的。道耳頓的原子理論指出，如果A和B原子有兩種組合方式，其結果一定是AB和A + 2B或AB和2A + B的組合；如果有三種組合方式，其結果一定是AB、A + 2B、和2A + B的組合。因為道耳頓的原子理論無法合理解釋氧化鐵的實驗結果，貝采利烏斯提出一個他認為可以完全解釋這些現象的定律，稱之為「微粒理論」。

n  微粒理論的概述

貝采利烏斯將原子分為兩類：1.基本原子（elementary atoms）及2.化合原子（compound atoms）[3]。化合原子又分三類：(1)由兩種基本物質（elementary substances）組成的一次化合原子（compound atoms of the first order），(2)由超過兩種基本物質組成的有機原子（organic atoms），(3)由兩種或多種化合原子組成的二次化合原子(compound atoms of the second order)。微粒理論指出，原子（atoms）是物質組成的最小部分，無法再被分解。微粒理論假設所有的基本原子都是球狀的，而且大小都一樣，如此才能並排成為整齊的化合原子。然而化合原子不是球狀的，由A + 3B 組成的化合原子應該比A + B組成的化合原子大，前者應為三角形或三角錐，後者應為直線。

根據微粒理論，一個基本原子最多可以與12個一樣大的基本原子接觸，因此一次化合原子的最大化合原子數目為A + 12B。如果考慮原子的電極性，一個A原子最多只能結合9個B原子（A + 9B）。此外，貝采利烏斯認為一次化合原子中必有一個成分是單一原子（AB、A+ 2B等）。如果由2或更多的A原子和2或更多的B原子結合，像是2A + 2B、2A + 3B或7A + 7B就不會發生，因為這些一次化合原子可以輕易地分裂成兩個或更多個部分，這一點他的看法和道耳頓一樣。

貝采利烏斯也討論給呂薩克（Gay-Lussac）的氣體化合體積定律，但是他只強調反應物的體積之間的比例[4]。很顯然他並沒有注意到亞佛加厥（Avogadro）在1811年發表的論文[5]，不過他提到，反應物的體積之間的比例關係，這與固體中的定比關係及道耳頓的原子說是相同的[6]。或許因為給呂薩克所做的實驗中，至少有一個反應物是1倍體積，他確信像2A + 2B這樣的化合不會發生。

貝采利烏斯的理論以氧原子為核心，[7]他指出，當兩種氧化物化合時，二者含有相同數目的氧，或者其中一個氧化物的氧的數目是另一個氧化物的整數倍。例如：設O為氧，A和B是兩種可燃燒元素，當兩種氧化物結合時，A+3O會和1  倍的BO結合，因為這樣的結合前者的氧數目是後者的2倍。然而A + 3O和B + 2O，無法以一比一比例結合，因為氧的數目不是整數比。

n  微粒理論的應用

貝采利烏斯認為黑色的氧化銅含1個銅原子和2個氧原子（作者認為其實是一氧化銅），三氧化硫（原文為sulphuric acid） 含1個硫原子和3個氧原子。其化合物必定含有1倍的三氧化硫和3/2倍的氧化銅（讓反應物的氧的數目相同），反應式為：

SO₃ + 1.5CuO₂ → 銅的硫氧化物 （subsulphate of copper）    [式4] 

另一個例子是紅色的氧化鐵（Fe₂O₃）和黑色的氧化亞鐵（FeO），他認為前者含3體積的氧（FeO₃），而後者含2體積的氧（FeO₂），根據他的理論二者混合必須以4/3比1的比例進行，如式5所示。

4/3 FeO₃ + FeO₂   [式5]

前者所含的氧原子數目是後者的兩倍。從今人之見，他推測的反應式可能如式6所示。

Fe₂O₃ + FeO → Fe₃O₄   [式6]

貝采利烏斯將氧的相對質量訂為100，再決定其它氣態基本物質相對於氧的質量。他認為：如果一原子與2或3體積的氧化合，那麼同樣地它也會與2或3體積的硫化合。如果一個鹼性的氧化物（salifiable oxide）包含2或3體積的氧，用含硫的酸來中和它的話，那麼中和時所需的酸的體積的倍數就是1體積的鹼中所含的氧的數目。因為鹼性氧化物含有數個體積的氧，中和物應含有1體積的鹼性氧化物及在鹼中氧的數目一樣多倍數體積的酸。因此，氧化亞鐵和三氧化硫的中和反應如式7所示。

2SO₃ + FeO₂ → iron sulphate   [式7]

後者的O和前者的S數目才會相同。從今人之見，他觀察到的可能如式8所示。

SO₃ + FeO → FeSO₄   [式8]

他觀察到的氧化鐵與三氧化硫的中和反應可能如式9所示。

3SO₃ + FeO₃ → iron persulphate    [式9]

在貝采利烏斯的這兩個反應中，酸中的氧數目都是鹼的氧的數目的3倍。從今人之見，他討論的反應可能如式10所示。

3SO₃ + Fe₂O₃ → Fe₂(SO₄)₃   [式10]

這裡貝采利烏斯似乎自我矛盾，因為同樣的推論也可以應用在前述的SO₃與CuO₂的反應。不過他也推測兩個符合這個規則的反應式[8]，如式11和12所示。

SO₃ + CuO → CuSO₄ (sulphate of copper)    [式11]

2SO₃ + CuO₂ → CuS₄O₈   [式12]

根據貝采利烏斯的推測，氫和硫的質量分別是氧1/15.07的和2.01倍，這與現代的原子量數值相當接近。然而，他推測的氟的質量只有正確值的一半，鐵、鈷、鎳、銅、鋅等原子的質量都大約是正確值的兩倍。貝采利烏斯推測的原子質量列於表一中，表中的原子乃依照他的電化學二元論，從最負電性（electronegative）到最正電性（electropositive）的順序排列。我們也將貝采利烏斯、亞佛加爵、道耳頓及現代週期表的相對於氫原子的相對質量列於表一中。

表1：貝采利烏斯、亞佛加厥、道耳頓及現代週期表的原子相對質量，括號中的是現代週期表中不同於貝采利烏斯的原子符號。

n  貝采利烏斯的其他貢獻

在1800年前後，科學家以圖形符號來代表原子，貝采利烏斯則建議以字母來表示原子。現代元素符號中有許多如O、N、C、P、S、H、Fe、Co、Ni、Cu、Zn …等都是貝采利烏斯建議的。現代分子式的寫法也源於貝采利烏斯，不過他用的數字是上標，例如SO³、CuO² 等。

n  附註

[1] 即倍比定律。

n  參考文獻

1.          Berzelius, J. J. (1813). Essay on the cause of chemical proportions, and on some circumstances relating to them: Together with a short and easy method of expressing them. Annals of Philosophy, 2, 443-454.