《化學原來如此!》:「化學革命」之父拉瓦節的最大錯誤是假設了「卡路里」

《化學原來如此!》:「化學革命」之父拉瓦節的最大錯誤是假設了「卡路里」
拉瓦節伉儷|Photo Credit: Jacques-Louis David Public Domain

我們想讓你知道的是

為了避免被龐大的化學領域淹沒,本書焦點放在無機化學──探討除了碳以外的所有元素和它們的化合物。化學史大多和無機化學有關,這些故事經常交織在一起,構成一部精采的故事。

文:喬爾・利維(Joel Levy)

【拉瓦節與化學革命】

安東萬-洛朗・拉瓦節(Antoine-Laurent Lavoisier)被尊為「化學革命」之父,是他那個時代——或許也是有史以來——最偉大的化學家。他雖然沒有發現任何新元素,但主要卻是靠他,化學才終於轉變成一門科學。在法國大革命終結他的生命前,他釐清了出氧的角色、定義了「元素」一詞,並導入科學命名法。

謀生的工具

安東萬-洛朗・拉瓦節(1743-1794年)是一位富裕律師的兒子,接受過昂貴的教育和法律訓練,之後才展開科學工作,剛開始是一位地質學家。他因此開始接觸化學,並為了進入名聲響亮的科學院而成立實驗室,最後也達成了目標。為了確保有自己的收入來資助研究,拉瓦節加入了民間的徵稅公司Ferme Générale,專門為國王收稅。當時科學變得愈來愈專 ,因此花費也愈來愈高,特別是拉瓦節需要的精密儀器。

他在1772年把注意力轉向氣動化學,進行磷和硫的燃燒實驗,發現在空氣中燃燒時,磷和硫的重量會增加。他還發現用木炭(碳)加熱密陀僧(一氧化鉛,一種鉛礦石)時,會還原出鉛、釋出氣體並減輕重量。

這項發現和燃素學說相互矛盾。燃素學說認為,把礦石還原成鉛,需要添加燃素而不是去除某種成分。拉瓦節於是步上了破除燃素神話的路。

燃燒的祕密

兩年後,拉瓦節得知普里斯利發現「去燃素的空氣」。他親自試驗這種新的氣體,結果很快就了解到這是和燃燒、還 原、呼吸、發酵和酸化過程都有關的元素。他重複普里斯利的研究,證明了這種新的氣體是維持生命的大氣成分之一,剛開始把它取名為「極適呼吸的氣體」,並證明燃燒和呼吸作用會把這種氣體轉化為約瑟夫・布拉克所定義的「固定的氣體」(二氧化碳)。1777年,拉瓦節已經準備好用新的「燃燒通用學說」來取代燃素,並為新的燃燒要素取了新的名字:氧。他對酸的研究已經顯示有氧牽涉其中,因此他把這種「極適呼吸的氣體」叫做「酸素」或「氧素」。(氧的英文「oxygen」源自希臘文的「產酸者」。)

有了氧的新概念,拉瓦節就能證明燃素學說弄錯了。燃燒、呼吸和生鏽是添加氧,還原則是損失氧。混合木炭和氧,就會得到固定的氣體。當拉瓦節學會在氧氣中燃燒氫氣來製造水時,最後一片拼圖也補上了。他得以證明水是一種化合物,結合了氫(hydrogen,拉瓦節用希臘文中的「製水者」來命名)和氧。

「我們可以把它當成毋庸置疑的定律:在所有工藝與自然的操作中,沒有任何東西是憑空創造出來的; 實驗前和實驗後必定存在等量的物質;元素的質和量完全相同;除了改變這些元素的組合外,不會發 生任何事。化學實驗的整個技術都是以這個原則為基礎。我們 一定要假設,受驗物體的元素和其分析產物的元素,是完全相同的。」

——安東萬-洛朗・拉瓦節

科學定義

拉瓦節化學生涯的高潮是在1789年他發表《化學基本論述》(Traité Élémentaire de Chimie)之時。他以清晰、有邏輯的方式闡述他的發現和推理,支持了他現代化、科學化的化學認知:「我們只能相信事實:這些都是大自然呈現給我們的,不會騙人。在任何情況下,我們都應該把自己的推理交給實驗去檢測,只能透過實驗和觀察的自然之路尋求真理。」

拉瓦節在化學方面的重要創新之一,是對元素有了決定性的新定義:「分析所能達到的最後一步」——換句話說,就是無法再分解的物質。他承認隨著技術的進步,過去無法分解的某些物質後來可能被證明是化合物。也確實,他所列舉的33種元素,有幾種被證實是氧化物。他還預測有幾種鹼土(無法再分解的鹼性固體)會被證實是金屬氧化物,後來韓福瑞・戴維(Humphry Davy) 也真的用新的電解技術從熔化的鹽類中分離出鹼土金屬。

拉瓦節的「平衡表」方法,是化學這門科學上的另一個巨大貢獻。透過他昂貴、高度敏感的儀器,他完善了測量反應物和產物的技術,無論是固體、氣體或液體皆然,並強調準確量化反應物和產物的重要性。這也促使他定義出物質守恆定律(見右欄)。

拉瓦節最大的錯誤

拉瓦節也不是不會犯錯。他這套新系統的一個核心層面就是一種假設的熱元素,叫做卡路里(caloric)。雖然卡路里是一種沒有質量、無法檢測的物質,但行為應該像液體或氣體,而拉瓦節說氧氣其實是氧和卡路里的混合物,由卡路里來決定它的相。這和燃素學說一樣是個死胡同,而且從許多方面來說,只是把古典的火元素換了個名稱而已。


怪咖的復仇

拉瓦節擁有非常多的成就。除了化學研究以外,他也是個勤奮的稅務官,參與了許多公民和政府事務,包括協助制定公制單位系統、協助巴黎當局在城市周圍建造一道不受歡迎的反走私牆。不幸的是,面對一個復仇心極強的科學外行人,他的任何成就都救不了他。

在成為法國大革命激進的領導人之前,尚-保羅・馬拉(Jean-Paul Marat,1743-1793年)原本是一位有抱負的業餘科學家,想加入科學院,但被拉瓦節擋下。後來,取得大權的馬拉指控這位化學家,說他企圖用牆來「監禁」巴黎。審判時,拉瓦節請求開恩,好讓他能繼續從事研究,但被法官駁回。而他雖然也支持革命,卻因為從事令人憎恨的收稅工作而落得毫無轉寰餘地。他在1794年5月8日被送上斷頭台處決。

書籍介紹

本文摘錄自《化學原來如此!:最好懂的化學史、化學原理與元素週期表全攻略》,大石國際文化出版

作者:喬爾・利維(Joel Levy)
譯者:張必輝

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Photo Credit:TNL Brand Studio

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《國際大風吹|行動講堂》Ep2聚焦於戰爭中最大受害者──砲火下流離失所的人民,節目透過影像與聲音,帶領觀眾凝視全球戰爭中流離失所的人們,認識世界展望會長達數十年的難民人道救援經驗。

由李漢威、蔡尚樺聯手主持的直播節目《國際大風吹|行動講堂》第2集已於6月14日首度播出,本次特別邀請華人紀實攝影師張雍、台灣世界展望會會長李紹齡對談,帶領觀眾凝視戰爭中流離失所的人們,聆聽相遇與別離的故事,也讓觀眾認識世界展望會長達數十年的難民人道救援經驗,以及他們對於每場救援行動專業審慎的態度。這些因你我支持而促成的救援行動,都是為了重新牽起人際間被鋼鐵與火藥所摧毀的繫帶,世界展望會的工作人員則背負著託付與使命親臨現場,陪伴人們度過戰火下的煎熬苦難。

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Photo Credit:節目來賓張雍提供
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走入真實現場:救援最前線的世界展望會事工

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Photo Credit:TNL Brand Studio
根據世界展望會統計,敘利亞十年來戰爭的影響為例,已有超過6000名孩童喪生於戰火,也導致超過2百多萬名孩童無法上學或生活發生問題。

「在普遍國際的人道救援中,有一種描述是『戰爭已經逐漸敘利亞化』。」國際戰火衝突的時間拉長,不只剝奪以千萬計的孩子們在正常生活環境下溫飽、健康成長的權利,複雜的環境更讓兒童拐騙及販賣、女性保護問題隨之而來。

這些數字不只意味者數百萬家庭的不幸遭遇,更是戰爭對社會關係的撕裂創口;只有當我們直視數字時才會猛然驚覺,原來世界比想像的更加不平靜。特別來賓張雍也感慨道,這些數字正是驅使他走入現場的動機之一,他想要與人們面對面的互動,相處、攀談、接觸……藉此豐滿個體生命的輪廓,讓人真正為人,不再只是數據中的千百萬分之一。而就在奔走無數逃難前線,體會萬千生離死別後的某天清晨,他一如往常地在路上慢跑,突然瞥見有隻毛毛蟲正緩慢地在路上爬行,於是他停下來,小心翼翼地將其安置路旁,又跑了幾步以後,他猛然發現道路上竟然還有好幾十隻毛毛蟲。但因為能力實在有限,無法將所有毛毛蟲一一安置,最終,他只好繞道而行。

當這猶如寓言故事般的親身經歷與冰冷的統計數字相互對比,它給了我們更為震撼的啟示──除了網路媒體讓我們看到的景象外,還有更多我們看不見的地方,甚至是連攝影記者都難以進入的角落,裡頭還有更多的生命也如同烏克蘭的難民一樣急需救援,而僅靠我們一己之力能做的卻非常有限。面對遙遠且數量龐大的求助者,事實上是需要如同世界展望會這般更大、更有組織的團體,才能凝聚足夠的力量,給予急需救援的人們實質幫助。

例如今年的烏克蘭難民救援行動,除了協助安置順利出逃、在歐洲國家顛沛流離的難民以外,第一時間世界展望會也進入烏克蘭,給予前線無法逃出的人們最緊急的「物資救援」,包含水、糧食、燃料等;幾經輾轉後,部分烏克蘭人也在三月陸續回到故土,此時首當其衝的就是飲用水的處置,接著便是家園重建的漫漫長路。於是世界展望會也於同一時間向當地註冊進駐、開展地方資源網絡,協助難民重建家園,從最基礎的庇護所開始向外擴充,包括生活生計、孩童教育、婦女保護、家庭與心理治療等。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
難民遷徙的過程中,需要面對茫然未來的巨大壓力,造成心理甚至生理上的問題,因此世界展望會於烏克蘭救援過程成立兒童關懷中心,從遊戲中抒發內心擔憂。
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救援施行:世界展望會人道救援的執行策略

人道救援行動涵蓋甚廣,下至民生物資援助、上至個體關懷照護及社會系統建置,面對如此緊急又錯綜複雜的需求,世界展望會也嚴肅謹慎的對待,從前期評估到後期規劃都有完備的流程,系統性的把關所有環節,並於地方上累積更豐沛的區域網絡及行動量能,張開更多防護網,最後運用專業落實每份跨海祝福,建立關懷世界與孩子的正向循環。

一、漸進式評估與規劃
  首先審視對象於生理、安全、社會等各方面需求的急迫性,擬定不同階段的救援行動。優先項目為「挽救生命」,例如供給糧食飲水補給、遞送生活物資等,滿足難民生理上的基礎需求;接下來則以「陪伴、關懷」為進階項目,例如提供基礎的庇護所收容,或是成立婦女兒童專責關懷中心、教育機構,旨在建置完整的安全及社會生態,給予難民最大的協助。

二、服務團隊在地化
  世界展望會在工作執行時,總是會盡量組織在地的團隊,或與當地且具信譽的非政府組織共同完成,避免因各地不同的語言、文化、風俗民情而產生隔閡,也讓地方上資源及訊息網絡,能以最有效率的方式展開,如此一來才能使資源被誠信且有效的利用。

三、專業規劃與救援
  世界展望會於任何行動前,都會制定明確清楚的工作方向,包含救援目標、執行策略、救援對象數量規模、工作細目等,且前往前線的事工們都必須經過特殊的訓練,學習判別危險及緊急因應措施,如此一來提供當地適切妥當的協助。

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Photo Credit:TNL Brand Studio

重新牽起聯繫:Kindness is a universal language.

除了世界展望會,世上仍有許多人以自身力量,志願投入人道救援的服務。就像來賓張雍在羅馬尼亞邊境認識的當地志工,他們在邊境發放三明治、飲水等物資給滿載烏克蘭難民的遊覽車,但因為羅馬尼亞與烏克蘭的語言並不相通,這讓張雍感到十分好奇:「在援助的過程中不會碰上溝通障礙嗎?」男子搖了搖頭,笑著回答道:「Kindness is a universal language.」。

雖然剛開始並不完全瞭解這句話背後的意義,但經過接著的幾次物資發放,張雍目睹了好幾次相同的畫面──當志工將三明治交到人們手上時,人們的淚水就從眼眶裡泛出。於是我們都懂了,那是某種難以言說的、人與人之間珍貴而無可取代的聯繫。

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關於《國際大風吹|行動講堂》

由《國際大風吹》李漢威、金鐘主持人蔡尚樺聯手主持,每集《國際大風吹|行動講堂》直播節目將邀請重磅來賓,帶大家深入淺出、探討急需人們重視的國際議題,並呼籲各界付出實際行動,向需要幫助的人伸出援手,展開即刻救援。


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