水是H2O？

二十年前，也就是我第一次在法蘭克福一所中學給九年級學生上實驗課時，我認為講授水的方程式很合適。還有什麼化學式比H2O更加有名呢？水並非元素，而是一種化合物，這一發現是現代自然科學最特別的一項成就。整個實驗過程相對簡單，因為基本不需要額外什麼東西。粗略來說，就是讓兩桶氫氣和一桶氧氣發生化學反應。反應過程比較劇烈，伴隨有響亮的爆炸聲。爆炸是這個化學課堂的出發點。我想向學生展示，要想從現象推匯出水的化學方程式是一件多麼困難的事，儘管它如今人盡皆知。一次化學實驗往往可以有多種不同解釋。每種物質和每次變化對化學家來說都是謎團。人們看到東西嘶嘶作響，噼啪爆裂，知道有事發生，但不知道到底發生了什麼。人們也看不出來是簡單物質還是複合物質，是元素還是化合物。透過思考和新實驗人們揭開了謎底，但往往隨之又會產生新的謎團。我講述這些內容，不是為灌輸知識，而是為傳遞一種觀念。

兩桶氫氣加一桶氧氣——水就產生了。這個容積比很準確，二比一，既不會多也不會少。有可能純屬偶然，但在氣體領域裡很多化學反應都擁有簡單的整數的容積比，總是一對一，二對一，或者三對二等等。這是由天才的義大利自然科學家阿莫迪歐·阿伏伽德羅（1776—1856）首先想到的，他宣稱同樣體積的氣體裡含有同等數量的微粒。這不是一種漫無邊際的即興猜想，而是一次嘗試，不然人們不可能有朝一日猜測到原子世界的秘密。

也就是說，一桶氫氣裡，含有和一桶氧氣數量相當的顆粒。由此可知，氫氣和氧氣發生化學反應時的比例是2∶1，最後得到一桶水蒸氣。然後我們有了這個化學分子式H2O，這個課時的學習任務就算完成了。實踐的這一天到來了，我從可愛的器材負責人那裡拿到一個一米長的裝置，這是包括玻璃注射器、反應管和氣瓶的一整套裝置。我開始做實驗，而結果出來了：得到的不是一份，而是兩份水蒸氣。學生們開始還估計是不是出了什麼差錯。但是當我們重複實驗，得出的結果仍然一樣：兩份氫氣和一份氧氣發生反應後，最終得到兩份水蒸氣。這正是我所期待的時刻。我一向認為科學課堂絕不是儘快給學生灌輸當前的自然科學新知，而更應該展示出，針對一種現象，人們至少可以得到兩個甚至無窮無盡個對它進行解釋的方法。於是我在課堂上說：“原子世界可能發生了什麼呢？你們在小冊子上寫幾個符合實驗的化學分子式吧！”一陣沉寂後學生們先後給出建議，它們非常有創意：一個學生認為氧氣實際上由兩倍的四處亂飛的極小部分構成，因此正確的化學分子式應該是2H加上O-O，最後得到2HO。我等的正是這個，於是立即解釋道，十九世紀化學家們同樣對這個化學分子式深信不疑，並且還有著充分理由，因為這是人們對該化學反應能想出的最簡單的分子式。

其他人還認為：H-H加上O-O-O-O，於是得出HHOOOO（也就是兩個H，四個O，用現在的寫法是H2O4）。另外一人說：2H-H加上O-O，於是得到HHO（也就是2個H和O，寫成H2O）。

我很興奮，覺得全班同學都理解到我想要表達的內容。一位女學生舉手問：“所有這些化學分子式中到底哪個正確呢？”我不假思索地說：“都是正確的，水是HO，H2O4或者H2O！這每一個化學分子式都適用於我們的實驗。”這時我覺得場面有點失控了，所有人都坐不住開始叫嚷起來：“不可能，只有一個分子式是正確的，如果我們考試中寫了其他分子式，您肯定會因為它是錯的而把它劃掉！”其他人也高聲說：“您這樣說完全把人弄得糊里糊塗，我們到底該信哪個呢？”我正想挽回這個局面，說我不只要讓他們記住什麼，更重要的是讓他們能理解科學研究該如何進行，可就在這當兒下課鈴響了。學生們興高采烈地收拾好東西，飛快地跑向學校操場。

我的“實驗課”失敗了嗎？我告訴自己，不管怎麼說，學生現在對這個問題的困惑和十九世紀的化學家們一樣，但後者可不只是花費了一節課時間，為了想出水的正確分子式他們花費了整整四十年。據說波士頓一家精神病院裡曾寄出一封非正式書信，1860年它被刊登在《化學新聞》雜誌上，信中一位化學家承認水的分子式問題令他絞盡腦汁，以至於最後瘋瘋癲癲，甚至大腦全部軟化了。這篇文章的標題叫做《一則悲傷的故事》。

直到十九世紀後半葉，化學家們才終於對“正確”的水的化學分子式取得了一致意見。

今天，水的分子式H2O成了永恆的化學知識。化學上一個簡單的分子式，確實相當於一次哥白尼式的轉變。哥白尼當時對抗的是老派思想家想當然的知識，甚至包括對抗傳授太陽圍繞地球旋轉的《聖經》。類似的，化學家們證明水其實並不像上千年來所認為和傳授的那樣是一種元素，而是一種化合物。現代科學知識顛覆了一些傳統理論，同時奠定了自己的基礎。伴隨著化學家們新發現的物質，謎團接踵而至，它們必須透過進一步實驗和藉助其他物質來解謎。對於化學家們來說，化學分子式首先揭開了一個謎底，回答了物質構成的問題。

然而對於門外漢來說，分子式本身就是一個謎，它究竟意味著什麼？

因為它就好比烹飪配方：一旦人們掌握化學分子式，至少在理論上就知道如何製作相應物質。比如用來給牛仔褲上色的藍色顏料靛藍，只要人們知道了其化學分子式，就可以透過人工方法合成。但對於水來說，這個了不起的認知作用不大。是的，人們能用氫氣和氧氣合成水，但如果你口乾舌燥走在大草原上，掌握這些知識又有何用？

換句話說，因為化學分子式能在化學反應的網路中定位一種物質，並能解釋該如何從其他物質中合成該物質，對於自然科學的確意義重大。化學分子式對這類問題給出答案，對一個研究物質轉化的專業人士來說幫助很大。它的作用很顯著，也能加深人們對於水的理解。儘管如此，人們也不能過高評價化學分子式。它不是水這個“物質”本身，更多隻是對一個大多數人從來不會提出的問題的一種回答而已。

參考文獻

火焰中的秘密：從鍊金術到現代化學 作者 【德】延斯·森特根