電學實驗研究·第七輯
化學變化,由電量來計量。
讓電流穿過一種化學物,它就會分解——而法拉第發現,究竟分解出多少,竟精確到毫克,全由你送進去多少電來決定。
核心想法
讓電流穿過一種含有溶解化合物的液體,化合物便會裂開,碎片聚到浸在其中的兩片金屬上——一把便宜的叉子鍍上一層真銀,靠的正是這個。法拉第的發現是:這個過程並不含糊,而是精確的——電量加倍,得到的金屬就恰好加倍。析出的量,與流過的總電荷成正比。
他還發現了第二條規則。同一份電量析出的不同元素,其質量按各自的「當量」成比例。銀——它每需一份電荷都很「重」——在同一電流下析出的質量,遠多於輕盈的鋁。電荷,就此成了化學家能夠稱量的東西。
它是如何誕生的
1830 年代初,法拉第——曾是裝訂學徒,那時已是倫敦皇家研究院的明星實驗家——正在理清:來自電池、火花機、磁鐵與電魚的電,是不是同一回事。他造了一些小電池,用它們析出的金屬之重、或產生的氣體之量,來記錄通過了多少電。
一只接一只,一種溶液接一種溶液,只有一條規則始終成立:化學變化只隨電荷而變,別無其他。為了描述所見,他需要舊理論尚未佔有的詞,於是寫信給劍橋學者威廉·休厄爾,請他造詞——離子、陽極、陰極、電極、電解質——這些詞如今在每一堂化學課上都被說起。
它為何重要
它讓電可以用化學家的天平來測量,把電鍍、金屬精煉與電池製造,從憑經驗的猜測變成精確的工藝。而那份奇異的精確——每一「當量」物質對應一份固定的電——是一個早期的暗示:電本身也是按可數的單位出現的。幾十年後,這個暗示,化作了電子。
一個可以想像的畫面
把它想成一台「原子自動販賣機」。每一枚硬幣,是一份電荷,由一個電子攜帶。釋放一個銀離子要一枚硬幣,一個銅離子要兩枚,一個鋁離子要三枚。投進固定數目的硬幣,你便能預先準確說出:每種金屬會掉出多少個原子——而因為不同元素的原子輕重不同,同樣的硬幣,買到的質量大不相同。法拉第定律,就是這台機器精確的價目表。
它的位置
伏打 1800 年的電池讓穩定電流成為可能,戴維曾用它把化合物撕開、分離出鈉和鉀。法拉第——戴維當年的助手——把這種定性的本領變成了一條定律。他那份固定的「每當量對應的電荷」,向前指向斯托尼與湯姆森的電子,也指向能斯特(1889),後者將為這些同樣的離子所產生的電壓標上數字——而法拉第所造的詞,至今仍在標注你手中每一節電池的陽極、陰極與電解質。
…the chemical power of a current of electricity is in direct proportion to the absolute quantity of electricity which passes.
I propose to distinguish these bodies by calling those anions which go to the anode of the decomposing body; and those passing to the cathode, cations; and when I have occasion to speak of these together, I shall call them ions.