April 28, 2025
Yi Heng Sung
This project uses the stories of historical scientists to highlight the essence of scientific inquiry—observation, reasoning, and experimentation—encouraging Taiwanese middle school students to view the world through a scientific lens. In this article, we introduce the work of Swedish chemist Jöns Jacob Berzelius, who combined keen observation, logical thinking, and imaginative reasoning to discover that the way atoms bond can alter the form and properties of matter. He went on to propose the concepts of isomers, allotropes, and polymers. Through his contributions to organic chemistry, we aim to inspire students to see science not merely as a subject of calculations, but as a discipline rooted in logic and imagination—where conclusions are reached through constant questioning, testing, and reflection.
This article recounts how Jöns Jacob Berzelius observed that silver fulminate and silver cyanate share the same atomic composition but exhibit completely different chemical properties. Through scientific reasoning and imagination, he proposed the theory of isomerism, laying the foundation for the fields of organic and stereochemistry. The article also introduces the concepts of allotropes and polymers, helping students understand the relationship between molecular structure and chemical function in organic chemistry.
By sharing how Berzelius derived new concepts from what were once considered “anomalies,” this article also teaches students the true spirit of science: to question, explore, and continuously revise one's understanding through logical reasoning and creative thinking.
In this science history project, I was responsible for academic research and article writing. I consulted multiple international journals and professional publications in the field of science history to accurately reconstruct the historical context of Berzelius’s work. I restructured complex chemical concepts into a logically coherent and highly readable science history article, translating scientific knowledge into content suitable for middle school students.
I also focused on character profiling, drawing from Berzelius’s autobiographical writings to portray his personal life and background beyond his scientific achievements. This provided valuable material for the scriptwriters to depict his personality more vividly, allowing viewers to feel a deeper connection with the scientist behind the discoveries.
This article helped students understand the origins of key concepts such as isomers, allotropes, and polymers, while introducing the fundamental idea that molecular structure determines chemical properties. Through Berzelius’s logical reasoning and creative thinking, students came to see that chemistry is not just about memorization—it is a process driven by observation, inference, and imagination.
The article also highlighted how Berzelius responded to skepticism from the scientific community. By relying on experimental evidence and critical thinking, he gradually developed new theories. This allowed students to gain insight into the mindset and perseverance of scientists, inspiring them to view science as an evolving journey that constantly challenges existing knowledge.
After its release, the article and accompanying video received enthusiastic feedback. Viewers commented that they learned concepts they had never encountered before. One student wrote, “The amount of useful information in this episode is incredible! I really love this kind of science history content ❤,” while a teacher shared, “I've been teaching chemistry for over a decade, yet I never knew the origins of isomers and allotropes—this reminds me that there's always more to learn.”
These responses show that the project not only benefited students but also encouraged knowledge-sharing across different levels of expertise. Others remarked, “You made chemistry so fun!” and “Watching movies to learn chemistry—amazing!” proving that the project successfully transformed complex chemistry topics into an engaging and inspiring learning experience.
Copyright: LIS 情境科學教材
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「把一個物體一直對切下去，最後會長什麼樣子？」這個問題看似簡單，但這其實是歷經將近兩千多年才釐清的議題：原子論。原子的概念歷史相當悠久，古希臘的哲學家們認為，將一個物體不停地分割下去，最後無法分割下去的就是原子。原子論的概念雖然在中世紀因為宗教因素而被遺忘了千年，直到 15 世紀科學革命才慢慢地又回到大家的視線中。隨著原子的觀念慢慢被世人接受，認為物質的特性和其元素的組成有關。有相同原子組成的物質會有相同的性質；不同原子組成的物質則會有不同的性質。
永斯·雅各布·貝吉里斯 (Jöns Jacob Berzelius，1779-1848，文中簡稱貝吉里斯 ) 出生於瑞典東南方的一個小鎮 Väversunda。貝吉里斯雖然生於一個受過良好教育的家庭，但是因為父母早逝，他沒有機會像其他孩子一樣在父母的溫暖陪伴與教導下長大。貝吉里斯雖然後來被親戚收留，但是在求學的過程中仍需半工半讀來養活自己。然而也因為在這樣的逆境中長大，培養了貝吉里斯不輕易放棄的特質，即使環境再怎麼惡劣也會咬緊牙關撐過去。
圖│永斯·雅各布·貝吉里斯 (Jöns Jacob Berzelius)
貝吉里斯對於自然科學的興趣在中學的時候慢慢萌芽。他除了在學校的自然課程表現卓越外，貝吉里斯相當著迷於瑞典生物學家林奈的書，因此有空的時候他會自主的去大自然收集花花草草、昆蟲或是鳥類來觀察。出於對生物的熱愛，貝吉里斯於 1796 年從中學畢業，進入烏普薩拉大學學習醫學。進入大學後除了主要的醫學課程外，貝吉里斯也修了化學課做了許多化學實驗，他對化學實驗越來越感興趣，即使實驗失敗很多次也只會讓他越挫越勇，直到達成他的目標決不放棄。貝吉里斯為了成功複製 Scheele 的氧氣製造實驗 ( 非常困難的實驗，連他的教授都無法完成 )，他用自己的課餘時間到實驗室不斷重複進行氧氣實驗並改善自己的實驗技巧，最後成功製造出氧氣讓他的同學與老師都對他刮目相看。
1801 年，貝吉里斯大學畢業後短暫的到 Medevi 擔任醫生，為貧窮的居民治病。為了診治病人，貝吉里斯進行了當地泉水的水質調查，和製作伏打堆 (voltaic pile)。貝吉里斯雖然開始做研究是為了臨床目的，但是在臨床與研究這兩個終極選項中，他選擇了學術研究，明知前路艱難，但仍要勇往直前。貝吉里斯將這兩個研究整理成論文，於隔年成功獲得博士學位，正式展開他的學術研究生涯。
圖│伏打堆(voltaic pile)
1802 年，剛獲得博士學位的貝吉里斯移居斯德哥爾摩，深知生活大不易的他雖然決心從事學術工作，但是在可以靠研究吃飯之前，他還是先用自己的醫學專業來養活自己，直到他生命中的貴人 Hisinger 出現。Wilhelm von Hisinger 出生於瑞典當地有名的礦產地主一家，家境相當優渥。自從他繼承家業後，除了維護祖業外他也不忘他對於自然科學的熱情，也致力投入於化學研究。Hisinger 從貝吉里斯先前發表的論文中，十分欣賞他的化學分析能力，因此打造幾間研究室來讓貝吉里斯做化學研究使用。兩人的出身、家境大不相同，但是都對科學研究有相當高的熱情，他們於 1803 年先後研究了伏打堆的化學反應，後來還發現了新元素鈰 (Cerium)。雖然伏打堆的研究雖然當時不引人注目，但是 16 年後法國科學研究院 (French Academy of Sciences) 還特地表揚了貝吉里斯的研究成果。
圖│Wilhelm von Hisinger
Hisinger 雖然提供貝吉里斯可以做研究的地方，但是他的貧困狀態仍需改善。貝吉里斯可能命中沒有「錢」，他將他辛辛苦苦累積的財產拿來做商業投資，結果投資失利被宵小之徒騙走他的為數不多的財產，導致他還在銀行有巨額欠款。在貝吉里斯的自傳中提到：「我的固定年收入只有 66 塔勒左右，但是我欠了銀行大概有 1000 塔勒……在接下來的十年中，我只能把我賺到的所有錢在扣掉最基本的生活開銷之後，全部都上繳給銀行」。
貝吉里斯雖然命中可能沒有「錢」，但是他命中有「科學」。即使負債累累，貝吉里斯的學術能力還是備受科學界的肯定，讓他的科學之路和投資之路呈反比，勢不可擋，1806 年他成為 Carlberg Military Academy 的化學講師後，1807 年被任命為 School of Surgery ( 卡羅琳學院的前身 ) 的醫學與藥學教授，並於 1808 年獲選為瑞典研究院的成員。貝吉里斯為了讓他的學生可以更了解化學，因此他先後出版了 Chemistry of Animals 和 Textbook of Chemistry。在撰寫教科書的過程中，為了可以讓學生更清楚和正確的學習化學現象，貝吉里斯越來越專注於研究和釐清許多化學現象的細節。貝吉里斯的著名學生 Friedrich Wöhler 都在讀完這些教科書後，都不禁被這本書內大量且鉅細靡遺的化學現象與個人觀察記錄震懾，更是佩服自己的老師貝吉里斯在化學領域的非凡成就。
圖│弗里德里希·維勒 (Friedrich Wöhler)
貝吉里斯不僅影響自己的學生或是當時的學術界，他的成就更是深深影響著 21 世紀的我們。1811 年，貝吉里斯為了更方便的做實驗，他決定來制定一套元素表示的系統。因為當時提出原子論的道爾吞以符號來表示不同元素，這樣的系統對當時的科學家來說接受度不高。貝吉里斯想到童年時最喜歡的偶像生物學家林奈，他當時用在學界具有權威性的拉丁文來命名各個物種，因此貝吉里斯將每個元素的拉丁文名字，第一個字母的大寫作為化學符號，如果遇到重複的則加上一個小寫字母來區別 ( 銅，Cu；拉丁文為 cuprum) 。這個元素符號的表示方是沿用至今，成為我們在元素週期表上面看到的元素符號。
圖│道爾吞以符號來表示原子
1823 年，在貝吉里斯充實的實驗生活中，他實驗室迎來一位剛獲得博士學位的德國年輕科學家，這位科學家如彗星般的出現，並在未來對貝吉里斯產生巨大的衝擊，他的名字叫弗里德里希．維勒 (Friedrich Wöhler)。
1820 年代，德國科學家李比希和他的老師法國科學家給呂薩克，為了瞭解雷酸銀 (silver fulminate) 這種具有爆炸性物質的元素組成，進行了雷酸銀的燃燒實驗。在對雷酸銀加熱後產生的物質與氣體進行測量後，發現雷酸銀是由碳、氮、氧和銀組成的，實驗式為 AgCNO。巧的是，幾乎在同一年，另一位德國的科學家，貝吉里斯的學生維勒分析了氰酸銀 (silver cyanate) 的元素組成，得出來元素組成竟然也是 AgCNO。貝吉里斯發現雷酸銀具有爆炸性，但是氰酸銀並沒有，這樣性質迥異的兩個物質，分析出來的成分組成竟然是一樣的。貝吉里斯認為這並不符合物質的組成與特性的之間關係。因為根據物質的組成與特性的之間關係，雷酸銀和氰酸銀的性質並不相同，分析出來的元素組成應該會不一樣，但是經過多次分析後，這兩個物質的組成卻完全一樣。
圖│雷酸銀 (Silver fulminate)，外觀呈白色針狀固體
圖│氰酸銀 (Silver cyanate)，外觀呈米灰色的粉末
歷史小故事
當遠在巴黎的李比希發現自己雷酸銀，和維勒所分析的氰酸銀竟然具有一樣的實驗式時，性情火爆的李比希馬上表示，維勒的實驗結果應該有誤，這兩種物質不可能有一樣的組成的。而維勒也不是省油的燈，他對自己的實驗方法充滿信心，認為自己有辦法找到李比希實驗中的錯誤，來證明自己的實驗結果才是正確的。於 1826 年，兩人筆戰了一段時間後，終於首次見面，決定一起做實驗來看這場看到底是誰有理。他們對雷酸銀和氰酸銀進行了許多比較和分析，李比希也用維勒建議的實驗方法來分析，最後得出的共識是：兩者在元素組成上完全一模一樣。李比希與維勒不打不相識，從此以後他們成為彼此畢生的摯友，書信往返 1000 多封信。李比希更表示：「我們深信我們之間的友情不會因為一些意見上的衝突就改變。我們曾有過爭執但是我們挺過來了，我相信未來即使有所爭執也可以挺得過來」。
圖│李比希與給呂薩克分析雷酸銀的儀器與步驟
Fig.1 把 AgCNO 放在碗 (g) 中，並用左方的空氣幫浦 (p) 把空氣打入含有 CaCl2 的管子 (b)，使空氣中的水份被吸收掉成為乾燥空氣，最後在把空氣導入放在加熱器內的試管 (d)，使乾燥空氣變熱，最後吹到碗中來乾燥 AgCNO。
Fig. 2 在試管 (m) 中放入 AgCNO 與 CuO 的混合物，並放在爐子上加熱，最後再透過右方倒插入汞中的試管，以排汞集氣法 ( 因 CO2 易溶於水，故以汞代替水以免 CO2 被水吸收掉）收集產生的 CO2 以及 N2。其他實驗裝置，主要是李比希做的其他嘗試，但與本實驗找出 AgCNO 的比例較無關係。
貝吉里斯聯想到兩間使用相同磚頭數量所蓋出來的房子，外觀有可能是長方形、正方形，或是圓形。房子的外觀除了和磚頭數量有關以外，也和整個房子的結構有關。這個代表除了原子種類和數量外，原子的排列結構也可能會影響物質的性質。即使相同的原子種類、相同的原子數量，只要原子組合的方式不一樣就有可能造成最後呈現的性質不一樣。
因此，貝吉里斯認為，因為不同原子的排列組合可能影響物質最後呈現的性質，所以雷酸銀和氰酸銀雖然元素的組成完全相同 ( 種類相同、數量相同 )，但是可能因為物質內部的原子組合方式不同，造成兩個物質的性質大有不同。而貝吉里斯將這樣元素組成完全相同，但是性質卻不同的現象為同分異構現象 (isomerism)，而雷酸銀和氰酸銀互為彼此的同分異構物 (isomer)。
1820 到 1830 年間，貝吉里斯觀察到更多的同分異構現象，例如維勒意外合成出來的尿素 CO(NH2)2 和氰酸銨 (NH4OCN) 的組成完全一樣。1833 年，貝吉里斯回想起 1811 年給呂薩克進行有機分析時，他發現糖和澱粉的組成比例相同，但是兩者性質不同 。因此貝吉里斯認為除了原子總數相同的分子，像這種雖然原子總數不相同但是原子種類與比例相同，也是異構現象的一種。因此他進一步分析這種原子組成比例相同，但是原子數不同的例子，並將這種現象歸納於異構現象的一種，稱為聚合現象 (polymerism)，而澱粉為糖的聚合物 (polymer)。
歷史小故事
貝吉里斯當時所定義的聚合物為，只要兩個物質的元素組成種類相同、比例相同，但是原子總數不同，那個分子量較大的物質就是分子量小的物質的聚合物 (例如：葡萄糖 C6H12O6 就是甲醛 CH2O 的聚合物)。但是現在對於對於聚合物的定義是，單體分子由共價鍵連接在一起成一個分子量非常大的分子 ( 例如：澱粉 ((C6H10O5)n) 是葡萄糖 (C6H12O6) 的聚合物)。
1808 年，英國科學家道爾吞提出撼動科學界的原子論。他也提出，原子之間會以最簡單的方式結合在一起，稱為最簡法則 (例：水分子是 HO 而不是 H2O)。而因此根據最簡法則，純元素的物質中的原子不會互相連結，所以當時的科學家認為純元素的物質不以分子型態存在，而是以單原子的形式存在 (例：氧氣是 O 不是 O2)。
同一個年代，雖然科學家相信相同組成的物質，性質也應該會一樣，但是卻陸續觀察到純元素物質具有不同性質的現象。1807 年，兩位英國科學家 Allen 和 Pepys 透過燃燒實驗證實，鑽石、木炭、石墨的元素組成相同，都是由純碳組成。雖然觀察到現象了，但是當時科學家對這個現象感到百思不得其解。而事隔 30 幾年，1841 年貝吉里斯在 Frankenheim 發表的論文中讀到，純硫物質會因為熱而改變形狀與性質，而 Frankenheim 稱之為貝吉里斯先前提出的異構現象。
貝吉里斯發現 Frankenheim 論文中提到的這個純硫物質 ( 斜方硫 ) 加熱後就會改變性質 ( 單斜硫 ) 的現象，並不符合過去觀察到的現象所歸納出來的異構現象。因為根據道耳頓的最簡法則，純元素物質內的原子是單獨存在，並不會有互相連結，而異構現象是因為原子的組合方式不同所造成的，因此純硫物質應該不具有異構現象，現在卻觀察到兩個純硫物質卻有不同的性質的異構現象。
圖│斜方硫 (rhombic sulfur)
圖│單斜硫 (monoclinic sulfur)
貝吉里斯聯想到冰塊和水其實也都是一樣的物質，當冰塊融化就會變成水，而當氣溫低於冰點水就會凝結成冰塊，相同的物質也會因為環境而造成性質上的改變。這代表純元素物質可能也會因為環境改變，造成內部原子的組成方式產生改變。因此貝吉里斯認為，因為純元素物質可能會因為環境改變，而造成內部原子組成方式的改變。所以當純硫物質遇熱後，內部原子可能因為環境改變而造成組成方式改變，導致異構現象，並稱這種由相同單一元素組成的物質，但具有不同性質為同素異形體 (allotropy)。
貝吉里斯雖然提出了同素異形體的概念來解釋兩個純元素物質但性質不一樣的現象，可是當時科學家們仍普遍相信道爾吞的原子論，認為純元素物質內的原子之間不會有連結，因此不了解純元素物質中的原子們到底發生什麼事，以至於產生異構現象。直到 1860 年，於德國招開的卡爾斯魯厄會議，義大利科學家亞佛加厥的分子說讓科學家認識到，純元素物質也能以分子型態存在，這也表示純元素物質的原子之間也有連結。隨著亞佛加厥的分子說的普及，科學家也了解了同素異形體的形成原因和同分異構物一樣，都是物質內部的原子以不同方式所組合在一起所造成。
由於異構物的發現，讓科學家注意到物質的性質除了和元素種類和原子數量有關，也受原子的排列結構影響。貝吉里斯認為傳統的實驗式 (empirical formula) 不利於科學家清楚的表示化合物的結構，因此發明了可以將化合物結構在書面上表示清楚的示性式 (rational formula)。舉例來說，乙醇和甲醚互為同分異構物，但是兩者原子結構相當不同。如果用實驗式來表示則都是C2H6O，就無法表示出差異；但如果用示性式來表示，乙醇為 C2H5OH、甲醚為 CH3OCH3，就可以看出兩者的結構差異，進而推測出物質的性質。
圖│乙醇的結構式
圖│甲醚的結構式
從 19 世紀初開始慢慢浮上檯面的異構現象，幫助科學家了解成千上萬種的有機化合物，也開啟了結構化學這個全新的領域。隨著科學家對原子之間的鍵結原則和原子結構越來越了解，異構現象也越來越複雜，不再是最初提到的原子排列順序而己。後來科學家發現原子之間的鍵結是有固定角度的，表示原子結構不只受平面的排列順序影響，而是整個立體的分子結構。分子中原子的相對位置除了原本的「前、後、左、右」之外，加上了「上」與「下」關係，因此出現了立體異構物，讓有機化合物的豐富度增加一個維度。分子的立體結構除了能應用在化學上，也幫助了生物學家更了解生命是怎麼運作的。蛋白質為生物體中分子量高達上萬的有機化合物，主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成。透過蛋白質分子內的元素排列組合和立體結構的差異，產生千萬種的蛋白質在生物體裡維持各種身體機能，例如紅血球內負責與氧氣結合的蛋白質血紅素、免疫反應中重要的抗體，甚至儲存大量遺傳訊息的 DNA 也是蛋白質的一種。
圖│去氧核糖核酸 (DNA) 的結構，組成元素為氫 ( 白色 )、氧 ( 紅色 )、氮 ( 藍色 )、碳 ( 灰色 ) 和磷 ( 黃色 )。
自然科學深受經驗主義的影響，而貝吉里斯作為一名經驗主義者，相信自己所觀察到的事實，雖然這個事實不符合當時的常理，但深入探究這個衝突背後的原因與真相，才是科學研究最重要的精神。貝吉里斯提出的一些理論雖然現在來看不一定正確，但是他的科學精神仍是相當值得我們學習的範本。
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