瓶中的卡文迪西先生。（插画／HANa）
从希腊哲人亚里斯多德（Aristotle, 384-322 BC）以来，西方人有很长一段时间相信：物质世界由「土、火、空气、水」这四种元素所组成。直到18世纪，人们在化学实验上累积足够的技能与分析方法后，方能推翻此一假设。
如果仔细观察坊间矿泉水上的包装，有的会标示「H2O纯水」，意味着水是由氢（H）和氧（O）所组成的化合物。这是否有点不可思议呢？氢和氧都是看不见摸不着的气体，如何形成能碰能观的水？ 这个问题的答案跟氢气的发现有关。
如今一般咸认英国科学家卡文狄西（Henry Cavendish, 1731-1810 AD）是氢元素的发现者；然而他却不是史上第一位发现、製备氢气的人。西元16世纪的瑞士医生帕拉塞斯（Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD）曾在将铁屑溶于稀硫酸的过程中，发现有气体（也就是氢）释出，他描述那情形：「空气上升而像风一样溢散。」
一个世纪后，旅居英法的瑞士籍医生梅耶（Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD）重複帕拉塞斯的实验时，发现氢气「可燃」的性质。西元1670年间，英国科学家波以耳（Robert Boyle, 1627-1691 AD）尝试收集氢气，并进一步发现氢气只有和其他空气混合时才可燃。
排水集气
虽然科学家早懂得製备氢气，在18世纪以前，却没有科学家能对氢气的性质作精确的描述与分析。为其带来曙光的，正是英国贵族科学家亨利．卡文狄西。西元1766年，卡文狄西将铁、锌、锡等金属分别与盐酸与硫酸反应，发现都有气体释出。为了研究这些实验所释放出来的气体性质，卡文狄西尝试以「排水集气法」收集它们。他发现，这三种金属与足量的各种酸作用，产生的气体性质相同；不仅如此，使用某种金属实验时，只要用量固定，且酸供量足够，收集到的气体量便相同，与酸的种类、浓度无关。
卡文狄西估计出此气体密度仅为空气的9%，这就是现在我们熟知的氢气。从这些定量与定性的结果来看，卡文狄西推断「从不同种类金属与酸製备出的可燃气体应为同一种物质。」不过因为卡文狄西信仰当时流行的「燃素说」，对于「可燃气体从何而来」并未能够进一步解释。什么是燃素说呢？十七世纪前后的人们大多认为：「燃烧是一种分解过程，物质燃烧时会释放出燃素。金属里当然也含有燃素，透过燃烧而释放出来。」卡文狄西于是认定这可燃的奇妙气体是锌、铁、锡的基本成分，在加入酸时被释放出来；甚至一度认定氢气即为当时所讨论的燃素。只是，经由精确实验测定，发现氢气虽轻，却仍具备正质量，这与当时对「燃素质量」的认知不完全一致，也让他对氢气的研究陷入胶着。
氧气加入
对于气体的研究，在当时社会蔚为风潮。其中包括氧的製备与研究，普里斯特利（Joseph Priestley, 1733-1804 AD）将氧命名为「脱去燃素的空气」。西元1781年，普里斯特利与其助手瓦尔提尔（John Warltire, 1725/6-1810 AD）利用电火花引爆空气和氢气，发现反应后在瓶壁上有露珠形成，且大量释出热；若秤量反应后质量，则较反应前为少。他们认为质量的减轻乃因反应后热的溢失所致。这个实验引起了卡文狄西的兴趣，他认为实验结果得到质量的减轻应为实验误差，因为他并不相信热具备质量。
在好奇心与实事求是的精神驱使下，卡文狄西除了重複普里斯特利的实验，更进一步以氧气取代空气，进行相同的实验，并精确记录各成分体积与重量的变化。他发现如果将壁上露珠也列入计算，反应前后的质量便相同。经由仔细的确认，他发现这些露珠即是「水」。并经由精密量化实验，卡文狄西确认当氢与氧体积为二比一时，能得到最大量的水。
前面提到，在卡文迪西的时代，人们还相信水是四大元素之一，也相信有燃素存在。因此，卡文迪西迁就「燃素」与「水是元素」这两个观念，而对实验结果做出如下诠释：「可燃气体由燃素与水组成，『脱去燃素的空气』盗取水元素后，水自燃素中脱离而释出。」
聪明的瓦特
不过在这同时，蒸气机的发明者瓦特（James Watt, 1736-1819 AD）早已猜想到「水在足够热量下，应会转换成其他气体」。普里斯特利得知卡文狄西的实验结果后，再重複相同实验，结果与卡文狄西一致，纳闷之余找瓦特切磋讨论。瓦特结合过去自己合理的怀疑，提供这相同的实验结果截然不同的注解：「水由『脱去燃素空气』与『可燃气体』所组成。」
1782年，拉瓦节（Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794 AD）再度进行此实验，并进一步将水蒸汽分解成氢与氧，再根据他提出的新化学观念，判断「水不是元素，而是氢和氧结合的化合物」。拉瓦节并将过去称为「可燃空气」的氢气，更名为「Hydrogen」，意思是「生成水的」。这才终结两千多年来，人们把水视为元素的迷思。
事后观之，究竟谁才配得这顶「揭示真理」的桂冠？是做出美丽实验，却扼腕于无法提出有新意之解释的卡文狄西？还是仅以创意脱颖而出的瓦特？抑或是集此系列实验于大成的拉瓦节？直到如今，这仍是一个颇具争议性的问题。这未曾停止辩论的议题，一方面启迪了我们：先锋者的竞争固然促成知识的演进，但真理终能全然被阐明，却不仅归功于个人的智慧，也应考虑整个时代科学家的努力累积。另一方面，卡文狄西的实验也的确展现了化学的美学典範之一：观察详实，计量精确。
回顾这段科学史，可以发现人们最初对世界万物的假设，或许会在下一刻被推翻，但却不会仅因如此，而让过去的努力变得毫无价值。卡文迪西未能跨越燃素说，对自己的实验提出符合新科学潮流的解释，但他的实验却是将亚里斯多德的四元素论送进棺墓，钉上了最后一根钉子。从那里拉瓦节看见了帷幕揭开的一角，与新世代化学的微光。
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参考资料：
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6. Miller, D. “'Distributing Discovery' between Watt and Cavendish: A Reassessment of the Nineteenth-Century 'Water Controversy'” Ann. Sci., 2002, 59(2), 149-179.
延伸阅读：饮水思「元」话「氢」情
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| 文字提供自台湾大学科学教育发展中心，本文亦刊登于《科学研习月刊》2011年1月号。 系列文章介绍的实验名单灵感来自英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry）2005选出的十大美丽化学实验。 |
