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 Italian scientist Amedeo Avogadro, who boldly proposed the molecular hypothesis at a time when his ideas were largely misunderstood or ignored by the scientific community. Through his story, we aim not only to help students grasp the concept of molecules, but also to convey the deeper spirit of research: to hypothesize boldly and verify carefully—to imagine and reason fearlessly, to stay true to one's convictions, even when unseen or moving against the tide.
This article introduces how Avogadro developed the concept of the molecule. It begins with his observation that the volume of ammonia gas produced in chemical reactions conflicted with existing scientific ideas—namely Gay-Lussac’s law of combining gas volumes and Dalton’s theory of indivisible atoms. Through his imagination and reasoning, Avogadro offered a new explanation that bridged the gap between these two theories. He proposed that while atoms may be indivisible, the smallest unit of a substance might not be the atom itself, but rather a molecule. This groundbreaking idea laid the foundation for the later development of the mole concept and Avogadro’s constant.
Beyond the scientific content, the article also highlights Avogadro’s personal story, showing students that truly valuable ideas do not lose their brilliance just because they are overlooked in the short term. Although his theory was not recognized during his lifetime, it eventually became a cornerstone of modern chemistry. Through his journey, we hope students come to understand that the spirit of science is not just about mastering formulas or calculations—it is also about questioning, verifying, and imagining. To hypothesize boldly, to experimenting carefully, and to have the courage to voice original ideas.
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 Avogadro’s work. I translated the abstract chemical concept of molecules into a logically structured and story-driven narrative, helping students understand how Avogadro developed his hypothesis through critical thinking and reasoning.
Beyond knowledge translation, I also created scientific illustrations to visually convey molecular concepts and support students in building a clearer understanding of abstract ideas. Additionally, I focused on portraying Avogadro’s personal life, presenting him not only as a pioneer in chemistry but also as a role model for perseverance—someone who held firm to his beliefs and continued his work even in the face of loneliness and misunderstanding.
This article helped students understand the concept of molecules and their historical origins from a scientific and historical perspective. By clearly distinguishing between atoms and molecules, the article laid a foundational understanding of the concept of particles in chemistry. It also illustrated how Avogadro encountered contradictions between experimental results and existing theories, and how his imagination enabled him to resolve these conflicts and propose a groundbreaking new idea.
Beyond the academic content, the story also resonated on an emotional level. Avogadro’s lack of recognition during his lifetime made his perseverance and creativity even more admirable. Students were inspired by his unwavering belief in science and in himself, learning that even in adversity, one can choose to stay true to their scientific convictions.
Following the release of the video, the project received overwhelmingly positive feedback. One student wrote, “We’ll always remember Avogadro’s constant—none of this was in vain,” showing deep respect for the scientist. Another commented, “I found my blind spot thanks to this video,” proving its effectiveness in resolving learning challenges. A third shared, “Our science teacher always watches your videos and recommends them to us,” reflecting teachers’ trust in the educational quality. Viewers also praised the storytelling, with one saying, “It was so engaging—I was totally immersed,” highlighting how strong character development supports science learning. Even parents chimed in, such as one who wrote, “My second grader loves your channel!”—showing that the project extended beyond its target audience, successfully sparking scientific curiosity in younger children as well.
Copyright: LIS 情境科學教材
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從西元 16 世紀開始，歐洲經歷了從科學革命一路到啟蒙運動的巨變，奠定了當代科學的發展與社會的樣貌。距今 500 年前，歐洲的人們仍普遍相信地球是宇宙的中心，人類是由上帝直接創造出來的生物，並非演化而來的。這些舊觀念在這 500 年間逐一被推翻，透過歐洲各地的科學家們努力以理性的方式了解世界，持續進行科學辯證與研究，不斷修正有誤的舊思想後，進一步建構新的科學觀概念。
19 世紀初，英國科學家道爾頓以理性的方式思考物質的組成，於 1808 年發表包含原子說的《化學哲學新體系》，在舊的世界觀被推翻後，成為當代的科學家看待世界的新方式。道爾頓認為元素是由原子所組成，具有不可分割性，而不同元素的原子有不同體積、質量與性質。道爾頓也認為，所有的純元素都是以單原子的方式組成 (例如：每一份氧氣就是一顆氧原子)，而不同元素的原子互相結合後就可會產生新的化合物。但是長江後浪推前浪，道爾頓身為推翻舊觀念、成立新學說的科學家，也終將面臨自己的理論被挑戰的狀況，而這位不畏強權而提出疑問的人士，是常常出現在化學課本上，大家耳熟能詳的科學家：阿密迪歐·亞佛加厥。
圖│提出原子說的道爾頓
1776 年，阿密迪歐·亞佛加厥 (Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro，17761856，文中簡稱亞佛加厥 ) 這位後世認為的偉大科學家，出生於義大利半島北部薩丁尼亞王國內，一個當地相當知名的法律世家。亞佛加厥的爸爸除了擁有伯爵的頭銜，更曾任當地的參議院院長，是個在當地相當有名氣、威望的法學家。亞弗加厥從小過著相當優渥的生活，中學以前他不需要去學校，因為家裡請老師來家裡特別給他上課。1787 年，因為兄長的離世，亞弗加厥在 11 歲時繼承兄長的爵位，小小年紀就成為伯爵。
圖│阿密迪歐·亞佛加厥
亞佛加厥在當地讀完中學後選擇繼承家業，進入杜林大學的法學院，並於 1795 年獲得法學的博士學位。畢業後，亞佛加厥投身法律界，作為法學專家在不同的法學機構工作。亞佛加厥就這樣走著家裡給他鋪好的路，平淡的上班、平淡的下班。直到 1800 年，同為義大利半島北部的科學家伏打所發明的伏打堆，深深吸引了亞佛加厥的目光，激起了他對科學深深的熱情。因此亞佛加厥決定成為斜槓青年，積極去旁聽大學的科學課程，並在自己的空閒時間盡可能的大量閱讀科學書籍。在他三十而立的年紀，於 1806 年亞佛加厥正式脫離法律界，而他的科學生涯從成為當地一間中學的科學教師開始。在教書的期間，亞佛加厥從未遺忘當初深深吸引他的伏打堆，因此在電學上做了許多研究，而最後他所發表電學論文，於 1804 年幫他贏得了杜林皇家科學院院士的位置。亞佛加厥的學術表現備受當地學界的肯定，而他的科學之路也走得越來順利，於 1809 年亞佛加厥成為韋爾切利皇家學院 (Royal College of Vercelli) 的數學與物理學教授。
圖│發明伏打堆的亞歷山卓·伏打
亞弗加厥和其他的正規科學家不一樣，並未接受過正式的科學教育，雖然可能導致了他的實驗技巧上並非特別突出，但是也因此他能夠不像其他傳統科學家，思考方式不受傳統制約，讓他擁有別於其他傳統科學家的獨立思考能力。1809 年，法國科學家給呂薩克經過實驗發現當氣體化合時，所需的氣體體積會呈現簡單的數值比例；如果有產生新的氣體，那麼新生成的氣體體積也會和原始氣體體積成簡單的比例。例如一體積的氮氣會剛好和三體積的氫氣進行化學反應，產生出來的氨氣會剛好是兩體積，呈現 1：3：2 這樣數值非常簡單的比例。給呂薩克想到道爾頓在原子說中也提到，化學反應中的原子應該以簡單的數目產生反應，這個和他在實驗中發現的簡單整數比可能有什麼關聯。因此他進一步假設，認為在同溫同壓的情況下，相同體積的氣體中所含的原子數是相同的，例如一體積的氫氣內的氫原子和一體積的氧氣內的氧原子的數量是一樣的。
亞弗加厥進一步在計算用氫氣和氮氣合成氨氣的反應時，他已經發現一體積的氮氣和三體積的氫氣反應後，可以產生兩體積的氨氣。根據相同體積的氣體，裡面會有一樣數量的道理，而意味著每一個氮氣可以和三個氫氣反應產生出兩個氨氣，並不符合道爾頓原子論中提到的「原子不可分割」的特性。
因為根據道爾頓的原子論，原子是最基本的粒子不能被分割，而且純元素物質都是由單原子組成的，表示每一個氮氣都只有一個氮原子，而每一個氫氣都只有一個氫原子。
也就是說，當我們把一個氮氣和三個氫氣進行化學反應，產生氨氣時。我們加進去的一個氮氣裡面會有一個氮原子，而三個氫氣裡面的有三個氫原子，組合在一起氨氣，在原子不能被分割的狀況下，氨氣的結合方式只能是一個氮原子搭配三個氫原子，也就是只能產生出一個氨氣。
圖│一體積的氮氣與三體積的氫氣反應，理論上應該只能產生一個氨氣 ( 自製 )
但是在實際的化學反應中，實際觀察到的卻是產生出兩個氨氣，如果要符合這個狀況的話，那麼每一個氨氣就會變成只能夠各分到半個氮原子，加上一個半的氫原子(如下圖)，跟道爾頓說原子不能再被分割的想法衝突。
圖│一體積的氮氣與三體積的氫氣反應，實際上卻產生了兩個氨氣 ( 自製 )
亞弗加厥聯想到，當將一顆蘋果被分成兩份時，蘋果本身一定需要被切一半，無法保持完整。但是如果是一串葡萄的話，因為裡面一串裡面不只一顆葡萄可能有偶數顆葡萄，那麼即使要將這一串分成兩等分，裡面的每一顆葡萄也可以保持完整。如果一個氮氣是一顆原子，那麼當這一個氮氣要被分一半時，因為裡面只有一顆氮原子，所以這個氮原子就會像蘋果被一刀兩斷。但是如果這一個氮氣不是一顆蘋果，而是一串葡萄的話，表示一個氮氣裡面有複數的氮原子。那麼只要在一個氮裡面有至少兩個以上的複數原子，就可以被平分成兩份，而且也可以保持葡萄串裡面的每一顆葡萄的完整，也就是氮原子的完整性。這個也代表，一個氮氣可能含不只有一個氮原子，而是至少有兩個氮原子 ( 且為偶數 )。( 上述為杜撰 )
而且，亞弗加厥聯想到，氣體裡面物質的距離非常大，這代表即使每一個氮氣含有不只一顆、而是複數顆的氮原子，使得整個原子團的體積變大，也並不會影響從巨觀來看的整個氮氣氣體的體積。
圖│一顆完整的蘋果如果被分成兩份，就必須從中間切開
圖│一串葡萄裡面不只一顆，所以即使分成兩份也不會需要將一顆葡萄切一半
因此，亞弗加厥認為因為一個氮氣可能含有至少兩個以上的氮原子 ( 且為偶數 )，而且氮氣氣體的體積並不會因此而改變，所以當一體積的氮氣和三體積的氫氣發生反應時，一個氮氣中因具有偶數的氮原子，被平分成兩等分後和分別氫原子結合，最後形成兩個氨氣，讓每一個氨氣裡具有一樣數量而且完整的氮原子。
同時，亞弗加厥進一步認為純元素的氣體，可能是以好幾個原子結合在一起的方式存在，表示每一個氣體可能是像化合物一樣是複數原子所組成的原子團。亞弗加厥為了區分單顆原子和原子團的概念，他用「分子」一詞來形容不同種類的原子所組合成的化合物原子團 ( 例如：NH3)，或是相同種類的原子所組成的純元素原子團 (N2)。
補充資訊
在製造氨氣化學反應中，除了一個氮氣會參與反應之外還有三個氫氣。由於三無法被二整除，表示如果每一個氫氣都只有一個氫原子，也會遇到像氮氣一樣的狀況而不能被平均分給兩個氮氣。所以亞弗加厥也認為，除了氮氣以外，每一個氫氣應該也由至少含有兩個以上的偶數原子組成。這也表示，氮氣並不是特殊案例，氫氣和其他純元素的氣體，都有可能是以多原子的形式存在。
圖│亞弗加厥假設一個氮氣是由複數原子組成的，如此一來一體積的氮氣形成兩體積的氨氣時就不會面臨第二個氨氣裡沒有氮原子的問題，也不會產生原子需要被切割的問題 ( 自製 )
亞弗加厥認為給呂薩克提到的同體積內數量相同是正確的，但是這個數量不是原子數而是分子數。純元素氣體以分子的形式存在的話，既可以解釋給呂薩克所觀察到的「參與反應氣體的簡單整數比」，也符合道爾頓的「原子不可分割性」。這樣看似完美的假說，在當時卻沒有引起許多迴響。亞弗加厥的所在地薩丁尼亞王國並非位於歐洲科學研究中心，因此當時他將這個假說以法文撰寫並在法國的期刊上發表。可惜亞弗加厥的法文程度有待加強，許多的語法錯誤造成他的論文讓人非常難以理解。另外，亞弗加厥的假說其中一個很大的問題是缺乏科學實證。19 世紀的科學界和現在一樣，相當重視實證，但是亞弗加厥的假說並沒有科學實證的支持，加上和當代大科學家道爾頓的觀念有衝突 ( 道爾頓認為純元素的物質都是以單原子的形式存在 )，使這個世紀假說就這麼被忽視了半個世紀，直到 1860 年於德國召開的卡爾斯魯厄會議。
自從 19 世紀初，道爾頓提出原子說開始，科學界對於原子、原子量、化學式等等議題沒有一個共識。在學界中從在著許多的流派，每一個流派都有自己不同的意見，例如貝吉里斯一派認為一般的金屬氧化物的化學式應該是 MO，而其他認為應該是 M2O；又或者同一個化學式竟然可以代表不同物質，H2O2 到底應該是水，還是過氧化氫。為了解決這樣混亂的狀況，當時著名的德國化學家 August Kekulé ( 結構化學的創始者 ) 認為必須讓各地的化學家都齊聚一堂，一起把這些混亂的議題討論清楚，讓化學界更有共識。因此，首次的國際化學大會 - 卡爾斯魯厄會議於 1860 年在德國卡爾斯魯厄正式招開，召集了 140 多位各地的化學家，開始了 3 天的大論戰。到了會議的最後一天仍沒有什麼共識，就在大家束手無策之際，義大利化學家 Stanislao Cannizzaro 分享了兩年前，他使用同為義大利科學家的亞弗加厥假說，來解釋當時很多有爭議的化學反應或是物質組成，解決了原子量和化學式的混亂狀況，證明亞弗加厥假說的正確性。Cannizzaro 也明確的定義原子為元素的最小單位，明確區分了原子與分子的定義，因此解決了長年困擾科學家已久的議題。
補充資訊
現在我們對於原子的定義是「化學變化中最小的粒子，也是元素保持其化學性質的最小單位」；分子則是指「能表現純物質化學性質的最小單位」，代表不只先前提到的複數原子組成的純元素氣體 (例如：氮氣 N2) 的最小單位是分子，氨氣 (NH3) 或是氫氧化鈉 (NaCl) 這些化合物，也都是以分子的形式存在。為了可以準確描述分子裡的原子組成，科學家們在分子式中的每一個元素符號的右下角，加上數字表示這個分子內包含了幾個這類的原子。例如氨氣的分子式 NH3，代表一個氨氣分子裡包含了一個氮原子和三個氫原子 (如果只有一個原子的話則省略標示數字 1)。
圖│Stanislao Cannizzaro
圖│在正確的氨氣製造反應的化學式中，分子的表示方式與原子的區隔 ( 自製 )
Cannizzaro 在卡爾斯魯厄會議的分享，讓科學界重新把目光放在亞弗加厥的假說上，驚覺原來這些年的混亂，其實在原子說提出的幾年後就有解答，但可惜亞弗加厥於大會召開的 4 年前已去世，無緣看到自己的想法被認可的一天。然而，當亞弗加厥仍在世時，即使沒有人認同自己的假說，他仍對大自然抱持好奇心與興趣，持續進行不同的科學研究，包含氣體的比熱、水蒸氣與電的關係、汞加熱時的膨脹狀況等主題。亞弗加厥的一生，其實就是歐洲啟蒙運動的精神「Sapere aude，敢於求知」最好的體現。雖然從後世的角度來看，可能會覺得亞弗加厥是孤獨的先知、眾人皆醉他獨醒，但說不定對於亞弗加厥來說，研究大自然奧秘的過程就讓他感到十分愉悅，是否被他人認可反而都是其次，而這個假說不過只是他的眾多研究之一罷了。
參考資料
圖片參考資料整理
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