波以耳與近代化學的誕生/洪振方

星期二 , 8, 四月 2014 2 Comments

波以耳與近代化學的誕生

洪振方

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
t1873@nknucc.nknu.edu.tw

n  煉金術

近代化學是由古代的煉金術演變而來。古時候,人們在製作陶器、冶煉金屬等生產活動中,逐漸認識了如何使物質的顏色、光澤、硬度等物理性質發生改變,同時也認識了很多物質間的變化。古埃及人的冶金技術很發達,有些工匠在製作金飾品時,會偷斤減兩,偷偷在貴重的黃金中加入便宜的黃銅,古希臘人在與古埃及人生意往來中發現了這一點,這給他們一個啟發,是否可以用某種方法將便宜的銅、鐵等金屬轉變為貴重的黃金呢?

由於人們對黃金的追求欲望,促進了煉金術的形成和發展。當時所發展出來用於煉金的方法,是將銅、錫、鉛、鐵等普通金屬混合熔煉,得到黑色合金,再加入水銀使它表面變白,再用硫磺水把合金泡過使它變黃,然後將它洗淨而成。這樣煉出的金屬,當然不是黃金,只是表面顏色相似而已。1為煉金術士的實驗室。

                                                                 圖 1:煉金術士的實驗室                                                                     (圖片來源:Alchemie, Wikipedia)

雖然煉金術士的實驗目的是荒唐的,理論是錯誤的,但是,在長期的活動中,也蒐集到了許多寶貴的事實,對於物質的性質,特別是幾種金屬的性質都有了較深刻的瞭解。由於這些煉金活動的需要,煉金術士除了掌握一些化學操作的方法,例如鍛燒、熔化、溶解、蒸餾、過濾、結晶等,亦製造了燒杯、加熱的坩鍋、過濾器、蒸餾瓶及熔爐等器具,對於化學的發展有一定的意義。由於煉金的過程涉及物質的轉變,煉金術士對物質也有自己的觀點,他們認為物質是由硫、汞、鹽三種元素所組成,但是它們與現代化學之硫、汞、鹽並不相同。

n  波以耳的《懷疑的化學家》

直到十七世紀之前,煉金術一直都有廣大的市場,甚至像牛頓(Isaac Newton, 1643~1727)這樣的偉大科學家也曾沉迷於其中。隨著十七世紀文藝復興運動的興起,煉金術也開始向真正的化學過渡,此時出現了一些早期的化學家,他們不再追求點石成金,而是致力於探究其中的科學道理。在這些人中,與牛頓同時期的英國貴族波以耳(Robert Boyle, 1627~1691)是最重要的一位,如圖2所示。

                                                                   圖 2:波以耳 (1627–1691)                                                                         (圖片來源:Robert Boyle, Wikipedia)

波以耳主張告別帶有神秘色彩的煉金術,以理性思考的態度來研究化學,他在1661年出版了《懷疑的化學家》(The Skeptical Chemist)一書,如圖3所示,這是化學與煉金術分道揚鑣的標誌。在其名著中,第一次明確了化學的研究對象、化學的研究方法,以及他的物質觀。化學不再只是製造貴重金屬的技藝,而是對物質現象進行探究並提出理論解釋的一門科學。

                                                              圖 3:《懷疑的化學家》封面                                                                              (圖片來源:The Sceptical Chymist, Wikipedia)

n  波以耳提出元素概念

波以耳是一位技術精湛的實驗化學家,他對物質組成的觀點與亞里斯多德的四元素論(水、火、土、氣)和煉金術士的三元素論(硫、汞、鹽)很不相同,他用實驗檢驗了四元素論和三元素論,發現他們所說的「元素」未必就是真正的元素。例如黃金等許多物質都不含這些「元素」,黃金不屬於水、火、土、氣中的任何一種,也不能從黃金中分解出「硫、汞、鹽」,而煉金術士稱之為「鹽」的「元素」,卻可以被分解得到酸和鹼。因此,波以耳質疑四元素論和三元素論都不是構成萬物的基本元素;其次,波以耳懷疑構成萬物的元素不只是四種或三種,而是許多種。波以耳把他對四元素論和三元素論的批判,和對元素概念的新認識,系統地進行了分析和說明,寫進了他的名著《懷疑的化學家》一書中。他站在微粒論的立場上,根據實驗事實,對物質組成的舊理論進行了批判。

波以耳第一次提出了科學的元素概念,他認為只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素,此與我們現在所說的元素概念十分接近。例如,黃金可以和其他金屬熔合為合金;可以溶於王水而看不見,但是,仍可設法恢復原形,重新得到黃金。這就說明,黃金雖然經過了種種化學處理而發生了變化,然而,始終未被分解而破壞。因此,黃金是一種用化學方法不能再分解的簡單物質,即為元素。

為了解釋元素構成萬物,他運用了希臘德莫克利特(Democritus, 約西元前460~西元前370356)和牛頓的原子論觀點,認為自然界的物質均由微粒所構成,化學元素也是一種微粒。元素的不同只是由於構成其微粒的大小、形狀和運動的不同所致。並且,由於基本微粒的結合,可以產生物質的粒子,而不同的物質是由於基本微粒的數目、位置和運動的不同所造成。這種帶有層次性的微粒觀,顯然已經具備了近代原子論和分子論的雛形。這樣,波以耳就把元素思想和原子思想聯繫起來,以微粒的觀點解釋了元素的構成及其多樣性,又以元素的思想說明了原子的存在。波以耳認為化學現象不是簡單的物質位移運動,而是物質中原子的大小、形狀、運動狀態、以及排列順序和方式都有所不同,才造成了千變萬化的化學現象。這是一種接近於近代化學結構理論的思想。

 n  波以耳重視實驗

波以耳認為,作為科學的分支,化學主要是從事自然現象的理論解釋,而不是實際應用。波以耳強調化學研究的目的是在於認識物質的本性,化學研究必須進行實驗,蒐集事實。冶金家的研究也可以給出一些科學解釋,但實驗的目的均屬於實用性的。化學不應從屬於冶金術,化學不僅在冶金方面有其應用價值,還應有其理論的指導意義。這樣,波以耳就把化學從煉金術中分離出來,使化學成為一門獨立學科,使化學在理論的深度和廣度方面都得到了快速發展,同時反過來也促進了冶金的發展。

波以耳極為重視實驗,他認為,化學家只有透過實驗才能取得成就,在未悉心觀察和實驗以前是不能建立學說的。波以耳本人也正是這樣做的,他是一位技術嫻熟的實驗化學家,這是他取得成功的一個重要因素。波以耳雖然重視實驗,但也不忽略理論。他認為實驗、觀察固然重要,但還需要用啟迪人們思想的理論去指導觀察和理解事實。沒有充分實驗根據的思想是空想,而沒有充分思想的實驗是盲目的實驗。波以耳把嚴密的科學實驗方法引進化學,並建立了科學的化學觀和元素觀,為近代化學奠立了良好的基礎。所以,後人把波以耳譽為近代化學的始祖

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  • TrevorCymn 說:

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