可逆反應現象影片－柏瑟列如何透過實驗知道濃度會影響反應方向並提出可逆反應？│科學史第二季

可逆反應是什麼？

可逆反應是一種動態平衡，正向反應與逆向反應的速率相等，當增加產物的濃度，反應可以逆回去。

可逆反應的重點

1. 化學反應的方向，不只會受到元素間的親和力影響，也會受到濃度影響
   

   影片 09:34 中提到，化學反應的方向，不只會受到元素間的親和力影響，也會受到濃度影響。
   例如：碳酸鈉＋氯化鈣→碳酸鈣＋氯化鈉，其中碳酸和鈣的親和力大於碳酸和鈉的親和力。但當氯化鈉濃度很高時，可以讓反應逆轉。

2. 可逆反應是一種動態平衡

   影片 11:07 中，柏瑟列發現碳酸鈉加氯化鈣的反應，在反應停止後反應並非靜止，而是正向反應的速度等於逆向反應的速度，而這就是一種動態平衡。
   

你所不知道的可逆反應

影片 05:11 處，柏瑟列發現碳酸鈣跟氯化鈉竟然逆回來生成碳酸鈉，他開始思考是什麼原因造成這個化學反應的方向逆轉？這時，柏瑟列注意到鹽湖的研究資料中紀錄的氯化鈉濃度比他在實驗室裡的氯化鈉濃度還要高很多，這代表濃度可能是影響反應方向的關鍵。於是柏瑟列認為影響反應進行的方向，除了元素間的親和力外，應該還有濃度。這就像一群人要進行躲避球比賽時，會從原本的一組分出一半，變成第二組；但如果又有一堆人加入第二組，原本的公平性就會被破壞，而為了讓兩邊的隊伍人數可以平均分配，於是，第二組就會有些人回到第一組，反應方向看起來就像逆回去了。這代表鹽湖中過高的氯化鈉濃度，可能會導致反應逆轉的情況。影片 08:52 中，柏瑟列認為只要把硫酸鉀加氫氧化鋇，變成硫酸鋇和氫氧化鉀的反應，增加氫氧化鉀的濃度，再看看反應有沒有逆回去，就能驗證濃度會不會影響反應的方向了。於是柏瑟列就在含有硫酸鋇和氫氧化鉀的溶液中，加入了大量的氫氧化鉀，讓氫氧化鉀的濃度變高，接著他就看到硫酸鋇和氫氧化鉀漸漸變少，代表反應方向真的逆回去了。

可逆反應影片重點

• 05:12 濃度會影響化學反應方向
• 05:49 概念解釋：濃度影響反應方向
• 08:31 硫酸鉀+氫氧化鋇 ↔ 硫酸鋇+氫氧化鉀反應可逆
  
• 09:26 可逆反應定義
• 09:34 影響可逆反應的因素
• 11:12 可逆反應是動態平衡

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作者：宋怡衡

18 世紀歐洲的元素親和力

人與人的連結總是奇妙，有時候很喜歡一個人很久很久，但最終卻卻無法修成正果；而有時候卻只是一張照片在交友軟體一閃而過，那個人最後卻成為走入生活，成為互相扶持與依靠的伴侶。用比較科學的說法，和什麼樣的人相遇是機率，只是在眾多可能中的其中一個「偶然」。但我們比較熟悉的說法，是「百年修得同船渡，千年修得共枕眠」，和什麼人相遇、和什麼人結合都是緣分，是前世的因果，是「必然」。如同席慕容《回眸》中，「前世的五百次回眸，換得今生的一次擦肩而過，我用一千次回眸，換得今生在你面前的駐足停留」，在中華文化圈中，我們傾向相信今生的所有連結，在前世都已決定好，因為前世的因果，早已注定了我們此生有所交集的人、事、物。人與人的連結不是隨機發生，背後有複雜的機制與規律，我們稱之為「緣分」。但，那物質與物質之間的結合呢？

早在許久以前，人們就觀察到物質之間也有一種「必然」。例如上班族下班最喜歡來一杯的啤酒，是世界上最古早的酒精飲品，早在西元前人類就會用穀物來釀造啤酒，他們雖然不知道為什麼，但知道穀物只要經過一定的處理，加入一定的物質，就必然會變成啤酒。後來隨著科學逐漸發展，人們認識了更多的物質與化學反應；18 世紀時拉瓦節重新定義了物質的組成和元素的定義，所以科學家們也認識到世界萬物是由數種元素所組成，而物質與物質的結合研究上升到了元素的層次。當時科學家們相信無風不起浪，事出必有因，元素之間的分離與結合的背後一定有原因，有一套決定元素傾向和什麼元素結合的系統。「元素親和力」的系統在 18 世紀歐洲的科學圈中相當流行，多數科學家認為元素之間的親和力 ( 吸引力 ) 決定了結合或是分離，就像是已婚男性遇到比自己太太更有吸引力的人時就瞬間和太太離婚，飛奔到另一個人身邊，元素之間的親和力大會傾向結合，而親和力小會傾向分開。例如當時實驗室就會做的碳酸鈣合成實驗，在容器中只要放入足量的碳酸鈉加上足量的氯化鈣，就會生成碳酸鈣和氯化鈉 (CaCl₂ + Na₂CO₃→CaCO₃ + 2NaCl)。若以當時的親和力理論來解釋，氯和鈉會結合是因為兩者的親和度比較高，所以才會和原本結合的鈣和碳酸分離，並結合在一起。

圖｜拉瓦節 (Antoine-Laurent de Lavoisier) 

柏瑟列的經歷

同一時間，1748 年 12 月 9 日，在現今法國、義大利、瑞士邊界附近有一戶法裔家庭，有一位和化學之緣分匪淺的男孩誕生了，他是克勞德·路易·柏瑟列 (Claude Louis Berthollet，1748 - 1822，文中簡稱柏瑟列 )。柏瑟列出生於一個法裔天主教家庭，他的祖先為了躲避多前年在法國境內發生的宗教戰爭 ( 基督新教 vs 天主教 )，而舉家逃離法國來到義大利附近的薩伏依。柏瑟列一家從以前就是知識分子，還沒搬離法國前他的祖先就已經是當地的長袍貴族 (Nobles of the Robe)。即使經歷戰亂與遷徙，柏瑟列一家的好學基因仍傳承了來，讓柏瑟列從小就勤奮好學。順利完成基礎教育後進入大學，但柏瑟列並不是選擇學習化學，而是選擇醫學作為本科。在通過學習無數的科目，並進入醫院實習後，1770 年柏瑟列終於從都靈大學畢業，成為合格的醫學學士。

圖｜克勞德·路易·柏瑟列 (Claude Louis Berthollet)

但是，柏瑟列在當地執業兩年後，發現他血液中對於求知的渴望正在怒吼，如果繼續在這個小地方當醫生，可能可以拯救很多人於水火，但是卻無法實現對於學習新知的願望，因此柏瑟列決定前往當時既先進又繁華的巴黎進修。但是在巴黎，柏瑟列既沒錢又沒身分 ( 法國國籍 )，也沒有法國的醫師執照，找工作甚是艱難。好在柏瑟列上輩子燒香念佛，有幸得到貴人幫助，舉薦他到奧爾良公爵 (Duke of Orleans) 一家當私人醫生。柏瑟列看似注定往醫學的道路邁進，但他與化學的緣分未了，化學又再次進入他的生命中。奧爾良公爵一家長期以來都特別支持科學發展，也實質資助科學家做研究，特別是在化學方面。醫學與化學本同源，柏瑟列受到環境的薰陶與公爵的協助，開始在公爵自己設立的實驗室開始進行許多化學實驗。柏瑟列越研究越有心得，發表多篇研究成果，最終於 1780 年受到肯定，成為當時科學院的院士，成為當時赫赫有名的化學家 - 拉瓦節的同事。

圖｜18 世紀的巴黎

圖｜奧爾良公爵 (路易-菲利普一世，Louis-Philippe I)

當柏瑟列作為化學家的發展蒸蒸日上時，巴黎的社會卻是越來越不穩定。當時不合理的稅務制度、持續擴大的貧富差距、天災導致的農作物欠收，諸多原因混和在一起最終導致了法國大革命。為了躲避戰亂，柏瑟列和自己的祖先一樣選擇了離開自己的居住地，到鄉下暫時避避風頭，而這個選擇保住了他的性命，讓他可以繼續做自己熱愛的科學研究，迴避了和拉瓦節一樣可惜的結局。當恐怖政治稍微趨緩，柏瑟列相當收到當時聲望極高的拿破崙將軍 (Napoléon Bonaparte) 青睞，1798 年被拿破崙提拔成為埃及遠征軍的隨行科學家，和大軍一起遠赴埃及。

圖｜1796年在阿爾科萊戰役中指揮的拿破崙

柏瑟列發現鹽湖中的化學反應沒有遵守親和力的原理

大軍駐紮在埃及時，同行的科學家們不負責打仗，而是在當地成立埃及研究所，進行各種環境與科學研究。柏瑟列意外發現當地的一個鹽湖邊不斷有新的碳酸鈉生成，因當時的法國工業需要大量的碳酸鈉，因此他決定來研究這個鹽湖是如何製造碳酸鈉。柏瑟列透過觀察當地的環境來分析可能的反應物與可能的反應式，他認為這個碳酸鈉生成的化學式應為碳酸鈣 + 氯化鈉 = 氯化鈣 + 碳酸鈉 (CaCO₃ + 2NaCl → CaCl₂ + Na₂CO₃)。但是這個結果卻讓柏瑟列疑惑，他發現湖邊的碳酸鈉是由氯化鈉和碳酸鈣合成而來的，這個現象不符合他所知的化學反應中親和力的理論。因為根據元素親和力的原理，鈉和氯的親和力比較高，所以理論上氯跟鈉應該不會分開 (CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaCl)，過去在實驗室中也都是出現這樣的結果。但現在鈉卻和親和力較低的碳酸根結合成為碳酸鈉 (CaCO₃ + 2NaCl → CaCl₂ + Na₂CO₃)。

圖｜開羅以西，錫瓦綠洲的鹽湖

圖｜碳酸鈣 (CaCO₃)

圖｜氯化鈉 (NaCl)

圖｜氯化鈣 (CaCl₂)

圖｜碳酸鈉 (Na₂CO₃)

柏瑟列認為濃度也會影響反應方向

柏瑟列感到疑惑，明明在實驗室中氯化鈣 (CaCl₂) 應該會和碳酸鈉 (Na₂CO₃) 反應成碳酸鈣 (CaCO₃) 和氯化鈉 (NaCl)，現在卻反過來了，讓他百思不得其解。柏瑟列持續觀察這個現象，他聯想到平日煮開水時，水滾之後會變成水蒸氣，但水蒸氣在遇到像鍋蓋這樣溫度較冷的東西，又會凝結成水滴。這表示物質即使因別的因素產生了變化，還是可以在特定的環境條件中，變回原本的樣子。

如果環境可能是讓這個反應式反著跑的原因，那這個鹽湖和平常實驗室的環境有什麼不一樣？因此柏瑟列開始觀察與思考。柏瑟列聯想到，在這個鹽湖裡有大量的氯化鈉，而平常做實驗時都是只放適量的反應物，反應物的量很不一樣。這代表極高的氯化鈉濃度，可能是造成這個化學反應和平常的反應不一樣的原因之一。

根據元素親合力的理論，元素之間的親和力就像人和人之間的吸引力一樣，元素們喜歡和更有「吸引力」的元素在一起，而影響元素之間是否結合的因素就只有親和力。但是透過生活經驗柏瑟列聯想到了，影響餐廳排隊人數多寡的因素，除了店家的吸引力外，排隊人數也會影響民眾排隊的意願。當排隊人數只有一點點時，人們會因為這家店很有吸引力而來排隊；但當排隊人數太多時，即使這家店再怎麼有魅力，就會出現被店家吸引但卻被人潮嚇走顧客。這代表影響物質結合的因素可能不只有親和力，物質量的多寡也可能會影響。

所以柏瑟列認為影響元素結合的因素可能不只有元素親和力，可能還有物質的多寡 (濃度)，只要物質的濃度增加，物質之間就更容易產生反應，產量也就會提升。所以在鹽湖中的鈉和氯雖然親和力比較高，在一般情況下確實容易結合在一起成氯化鈉，但鹽湖裡中氯化鈉極高的濃度，也會影響到反應的方向，使得出現不結合的氯和鈉，逆回去和原本結合的物質再結合 ( 鈉 + 碳酸；氯 + 鈣 ) 。

柏瑟列驗證反應的方向可能改變

如果柏瑟列的假設成立，化學反應中的物質多寡真的可以影響反應的話，那麼只要大幅提高反應式中其中一個物質的數量，這個物質就會容易與其他物質產生反應。因此在一個 A 和 B 容易產生反應產生 C 和 D 的反應式中 (A+B→C+D)，如果大幅增加 C 的數量，化學反應式的方向就會因此逆向，變成 C 和 D 合成 A 和 B，所以可以用這個原理來生成更多原本不易生成的物質 A 和 B。柏瑟列決定用硫酸鋇 (BaSO₄) 固體來進行實驗，在正常情況下，硫酸鉀 (K₂SO₄) 溶液和氫氧化鋇 (Ba(OH)₂) 溶液會進行反應，生成硫酸鋇固體和氫氧化鉀 (KOH) 溶液 (K₂SO₄ + Ba(OH)₂ → BaSO₄ + 2KOH)，而硫酸鋇固體和氫氧化鉀溶液在正常情況下並不會產生明顯反應，也不會生成硫酸鉀和氫氧化鋇。

柏瑟列先將硫酸鋇放置於氫氧化鉀水溶液中，起初並無觀察到任何反應，硫酸鋇也並沒有和氫氧化鉀反應。但當柏瑟列在容器中加入大量的氫氧化鉀後，他觀察到硫酸鋇固體慢慢減少，逐漸反應成硫酸鉀和氫氧化鋇溶液，最後硫酸鋇固體幾乎全部被反應掉，變回硫酸鉀溶液和氫氧化鋇溶液。也就是說，因為硫酸鋇濃度的改變，使原本不易反應的硫酸鋇和氫氧化鉀產生反應，變成硫酸鉀和氫氧化鋇。這個實驗結果，證實了元素之間的結合與否並不是只單純受到親和力影響，還有其他因素會影響元素的結合，例如物質的數量 ( 濃度 )。 

圖｜硫酸鉀 (K₂SO₄)

圖｜氫氧化鋇 (Ba(OH)₂)

圖｜硫酸鋇 (BaSO₄)

圖｜氫氧化鉀 (KOH)

依照實驗結果與假設，柏瑟列認為因為元素之間的結合除了受元素之間的親和力影響之外，參與反應物質的多寡 ( 濃度 ) 也會影響物質的結合與否，所以當改變參與反應物質的量 ( 濃度 ) 時，也可能可以改變反應的方向。

可喜可賀、可喜可賀，柏瑟列發現了除了元素之間的親和力外，參與反應的物質多寡也會影響元素的結合，更可能改變反應的方向。這些反應不管是正向走，還是因為其他因素逆著走，當時的人們認為，當整個容器內都沒有新的東西生成，或是沒有既有的物質被分解，那麼就表示反應結束、停止了。就像是在水中加入大量砂糖後，開始攪拌後砂糖會慢慢的被溶解，可以看到的砂糖就越來越少；但當繼續攪拌但溶液已達飽和，怎麼攪拌都不會溶解更多砂糖時，就表示砂糖在水中的溶解已經停止，水已經不繼續溶解砂糖了。 

柏瑟列發現反應完成後不會停止 ( 演義 )

柏瑟列在埃及的時候，為了近一步研究鹽湖的生態環境，特別採集了鹽湖的湖水和石灰岩。其中一塊經過測量的石灰石不小心掉進收集湖水的容器，但柏瑟列當時很忙碌，決定以後有空再把石頭拿出來就好。過了一段時間後，柏瑟列想到了這顆在湖水中的石灰石，決定去把這顆石灰石從水中取出時，卻發現有原本是完整一塊的石灰石 ( 碳酸鈣 ) 在浸泡在湖水 ( 氯化鈉水溶液 ) 放置一陣子後，竟然變成容器中細細的沉澱。經過測量後，這些細細的沉澱的成分竟然是和石灰石一樣的碳酸鈣，而且重量和原本的石頭相似，這個與當時生活經驗不相符。因為就像是砂糖溶於水的經驗，當容器內兩者已經反應完畢後，整個反應就會停止，不會再有其他的變動。而碳酸鈣和氯化鈉作為碳酸鈉與氯化鈣反應之後的產物 (CaCl₂ + Na₂CO₃→CaCO₃ + 2NaCl)，當碳酸鈉與氯化鈣反應完成後整個化學反應就停止了，也不會再有新的碳酸鈣和氯化鈉生成，這也表示碳酸鈣和氯化鈉不應該產生反應，所以碳酸鈣的形狀應該不會改變。但現在氯化鈉溶液中的碳酸鈣固體形狀，卻在反應停止的這段時間內形狀改變了。

圖｜開羅附近的石灰岩(碳酸鈣) (參考)

柏瑟列的聯想與假設可逆反應為動態平衡

柏瑟列聯想到當存款都沒有增加時，不一定是都沒花錢也都沒賺錢，可能是花的錢和賺的錢一樣多，所以存款的數字看起來沒有變化。這代表一個外表看起來已經停止的化學反應，不代表裡面沒有在反應，而可能是生成的數量和分解的數量相等並互相抵消，導致從巨觀來看反應很像是停止了。

 

圖｜法國當時的通用貨幣里弗爾

因此柏瑟列認為因為化學反應即使看起來停止了，可能只是合成與分解的速率相等。所以當碳酸鈣放置在氯化鈉的溶液中，碳酸鈣其實一直和氯化鈉反應，生成氯化鈣和碳酸鈉；而此同時氯化鈣和碳酸鈉也一直在生成碳酸鈣和氯化鈉。當兩者反應速率相同時，生成的速率等於分解的速率，從巨觀來看會誤以為反應已經停止，但其實只是達到平衡了 。因此，柏瑟列觀察到氯化鈉液體中碳酸鈣固體的形狀改變，可能是因為碳酸鈣固體的一部份正在分解，而在碳酸鈣固體的另外一處也同時正在生成新的碳酸鈣固體，導致經過一段時間後的碳酸鈣固體形狀和原本的不一樣。 

柏瑟列提出「可逆反應」造成的影響

物質為什麼會結合？又為什麼會跟特定的元素結合？對於 18 世紀的科學家來說，這是一個相當困擾他們的問題，當時得出的解答是元素之間具有親和力，親和力越大越容易結合。而柏瑟列的發現直接破解過去被許多科學家認同的親和力理論，元素的結合除了會受到元素的本性 ( 親和力 )，也會受到別的因素影響。柏瑟列發現其中一個因素就是物質的數量，當物質的數量越多，會讓原本傾向結合的物質反而分開，讓化學的反應逆性行駛，這個現象現在稱為「可逆反應」，其中一個方向的反應稱為「正反應」，另一個方向則為「逆反應」。而當正反應與逆反應的速率一樣時，生成與分解的速率相同，即使從外界看起來像是停止其實是達到一個平衡，稱為「化學平衡」。

柏瑟列的研究促使了化學動力學的發展更前進一步，科學家們對於化學反應的好奇心被點燃，除了想知道親和力和數量的力量誰比較大，數量要多到多少才會影響親和力；也想知道是否還有其他因素會影響元素之間的結合。1864 年，受到柏瑟列的研究所啟發的兩位挪威科學家瓦格 (Peter Waage) 和古德貝格 (Cato Maximilian Guldberg)，在執行了約三百個和反應速率相關的實驗後，得出化學反應中物質的濃度與反應速度成正比，並得出一套結合親和力與濃度的反應速率計算公式，這個公式可以通過計算反應物與生成物的濃度，來算出正反應與逆反應的反應速率比例，讓科學家更能準確找到化學反應式中的平衡。這個公式的問世，使科學家更能掌握化學反應，讓化學反應的結果不是完全只能參照過去的經驗，而是可以事先預測化學反應的速率與走向。幾乎同一時間，1862 年法國的科學家貝特羅 (Marcellin Berthelot) 和聖吉爾 (Pean de St. Gilles) 在酯化的實驗中發現，除了參與反應的物質質量外，溫度也會影響元素之間的結合。因為溫度的改變會改變化學反應速率，進而系統內的化學平衡也會改變，貝特羅和聖吉爾經過上百個實驗後，發現不同的溫度下雖然內部的反應速率會改變，但最終仍會達到一個平衡。

圖｜古德貝格 (Cato Maximilian Guldberg) 與瓦格 (Peter Waage) 

圖｜貝特洛 (Marcellin Berthelot)

柏瑟列的這個發現看似只是了解化學反應的一小部分，但其實大大影響了現今的科學與工業發展。當科學家更了解影響化學反應中原子結合因素甚至結合的原理，不只可以更準確預測可能的產物，也可以更自由的操縱化學反應的方向與產率。透過完全掌握影響化學反應的因素，在工業上可以大量提升各種物質的生產效率，而人們的生活因為物質的豐富和變得更便利，生活品質也隨之提高。

原本從事醫學工作的柏瑟列，卻在別的領域獲得了莫大成就，世人可能遺忘他曾是一名醫師，卻永遠記得他在化學的貢獻。人生中會遇什麼事物，會產生什麼樣的改變都是未知，可能是上天決定也可能隨機出現，但像柏瑟列這樣盡人事聽天命的生活態度，既不執著也不輕易放棄，說不定就是他成功留名青史的秘訣。

參考資料

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