臺灣化學教育

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）
譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

譯者序

這本書源於Michael Faraday（麥可‧法拉第，1791─1867）在英國皇家學院的一系列演講，該書於1861年首次出版。法拉第出身卑微，靠著自學而成為科學的歷史上一位傳奇的人物。他在電磁學、化學各領域都有卓越的貢獻。

在這本書中，法拉第藉著一系列的實驗，闡述蠟燭燃燒時所牽涉到的現象。法拉第分析了燭火的溫度，告訴我們燭火最亮之處其實是碳粒造成的。蠟燭及許多物質的燃燒都會產生二氧化碳和水，二氧化碳的碳和水的氫來自蠟燭，而氧來自大氣；水包含二體積的氫氣和一體積的氧氣。法拉第也將蠟燭燃燒和呼吸作用做比較，告訴我們二者都是藉氧化反應釋放能量，並排出二氧化碳的化學反應。

今人閱讀這本書，仍不免讚嘆法拉第設計的精采實驗。藉著逐步的推理、論說、與驗證，法拉第成功地教育年輕人科學如何藉著發問、推想、設計實驗、並驗證結果來獲得知識。除了介紹蠟燭，這本書的另一個重要貢獻是告訴我們:「如何從事科學研究」、「甚麼是科學」。

這本書很適合年輕學生閱讀，若能重複書中描述的實驗，讀者將會更為受益。在書中，譯者盡量將所涉化學反應呈現出來，以利於讀者學習。原書圖繪由彰化師範大學美術系李婷歡重繪，謹此致謝。在譯者之前，中央大學倪簡白教授已經出版了譯本《法拉第的蠟燭科學》（商務書局出版）。台灣大學張文亮教授的作品：《電學之父─法拉第的故事》（文經社出版）對於法拉第的生平有詳盡的介紹。

（圖片來源：Michael Faraday, Wikipedia）

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）
譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

第一章　蠟燭的製造、燃燒及火焰

各位來到皇家學院，參與我們舉辦的一系列演講，我感到非常地榮幸，為此我將講述蠟燭的化學歷史。先前我已經處理過這個主題了，如果您不介意，我希望每年都來演講這個主題；因為這主題本身相當有趣，為許多科學領域帶來精妙豐富的結果。所有主宰宇宙的定律，都參與且觸及了我們即將觀察的現象。要進入自然哲學的研究，沒有比從蠟燭的物理現象入手更好的方法了。因此我有信心，我選擇蠟燭、而非其它較新穎的主題不會讓您失望；較新穎的題材，即使它並不差，不一定會比較好。

開始之前容我說明一下：雖然我們的主題很好，而且我們對這主題懷抱真誠、嚴謹與哲學式的思維態度，我將在演講中忽略那些較年長的人。我希望能以對年輕人聊天的口吻來演講。在之前的幾場演講中，我已經這樣做了，如果您不介意，我仍將使用相同的方式。雖然我在這裡傳達的知識屬於所有人，但這並不妨礙我在這個場合，用類似之前的方式來演講。

n  蠟燭的製造方式

現在，男孩和女孩們，首先我要說明：蠟燭是用甚麼做的。有些製造蠟燭的材料是相當奇特的。這裡有些木材和樹枝，特別適合燃燒。你看到這塊奇怪的材料，來自愛爾蘭的沼澤，叫做「蠟燭木」；這是種堅實、強硬、相當好的木材，非常適合作為支撐的材料，而且它們很容易燒起來，在蠟燭木的的原產地它被製作成燃燒用的木屑；蠟燭木也能用來做火炬，它燒起來就像蠟燭，能放出明亮的光芒。這塊木頭本身就是蠟燭本質的最完美的例子，或許這就是我能呈現給你的。這塊小小的木頭不只提供燃料，還能藉著燃燒演示化學作用、利用持續穩定供應的空氣顯現出光和熱；事實上，它就是一根天然的蠟燭。

我們必須先談商業製造的蠟燭。這邊有幾根蠟燭，通常稱為「浸製蠟燭」（dips）。製造方式為：把一團棉花纏成一個環，將環浸入融化的動物脂肪，拿出來陰乾後，再浸入脂肪；如此反覆動作，直到棉花上累積了一團動物脂肪。我手上的這些蠟燭會讓你對蠟燭的特性有些瞭解……它們實在又小又奇特。這些怪東西是以前礦工在煤礦坑裡用的蠟燭。古早的時候，礦工必須自己準備蠟燭，他們覺得小蠟燭在礦坑中比大蠟燭不容易引發爆炸；基於這個原因，以及經濟上的考量，礦工們做出不同重量的蠟燭……每磅有20、30、40或60支。之後蠟燭先是被一種叫做「鋼鐵廠」的燈所取代，然後又被戴維安全燈[1] 取代，接著還有其它類的安全燈。我手上有一支蠟燭，貝斯理上校跟我說是從皇家喬治號沈船上拿下來的。這根蠟燭沉在海中多年，受到鹽水的作用。但你看到這支蠟燭保存良好；即使它可能折損、斷裂得很嚴重，但點燃後還是可以正常燃燒，一旦蠟燭開始熔化，脂肪就重回它的自然狀態。

蘭貝斯（譯註：Lambeth，英國地名）的費爾德先生給了我很多漂亮的蠟燭圖片和材料；所以現在就來說說它們。首先，這是牛脂——牛的脂肪，它可以被製造成放在這兒的美麗物質，也就是硬脂蠟燭。這種方法是給呂薩克，[2]或是某個將方法告知給呂薩克的人所發明的。硬脂蠟燭不像一般油膩膩的牛油燭，它倒是蠻乾淨的；此外你還可以刮下、弄碎蠟燭滴下的東西，這些滴下的蠟也不會弄髒任何東西。給呂薩克製造蠟燭的過程如下：先將石灰加入脂肪後煮沸、將油脂做成肥皂，然後用硫酸移除石灰，並分解肥皂，就會留下脂肪重組過後的硬脂肪酸，同時也產生甘油。[3]甘油，是一種糖或類似糖的物質——從動物脂肪經過化學變化而產生，然後油從其中被擠壓出來。

你看到這裡有一堆壓製的塊狀物，顯示在持續增加壓力的情況下，雜質被漂亮地從脂肪混合物中移出，最後你會得到融化的物質，將它鑄造成我所演示的蠟燭。我手中拿著的是硬脂蠟燭，是我曾經告訴你的，從動物油得到的硬脂肪酸所製造而成的。這邊有根鯨魚油蠟燭，則是用抹香鯨油純化做成的。我還有一些黃蜜蠟和精製蜜蠟，都可以用來做蠟燭。另外還有一種奇特的材料，叫做「石蠟」，以及一些石蠟蠟燭，是用愛爾蘭沼澤裡的石蠟做的。我們還有來自更為偏遠地帶的材料呢，我這邊還有從日本帶來的蠟，有位朋友慷慨地送給我，這種蠟是製造蠟燭的一種新材料。

這些蠟燭是如何做的呢？我已經跟你說過浸製蠟燭，接著我將呈現模具是怎樣做的。讓我們想像蠟燭是由可塑材料做的。「可塑！」，「此話怎講？蠟燭會融化，如果你能融化蠟燭，那當然是可塑的東西。」事實並非如此。在製造蠟燭的過程中，為了讓成品具有所需性質所做的努力，已經使得製造蠟燭這件事發生始料未及的結果。蠟燭並不總是可塑的。純蠟的蠟燭無法被塑形，而需要某種特殊的方法；雖然我能在一兩分鐘內說完，但我不打算在這邊花太多時間。蠟燭中的蠟是易燃、易融化的，因此不容易被塑形。然而，我們拿個能塑形的材料過來。這兒有一個框架，上面綁著幾個模型。首先把燭蕊穿過這些模型。辮子形狀的燭蕊由紗布支撐，這種燭蕊不需要重複剪蕊。這條線穿到底端，就栓在底部固定；用小栓子拉緊棉花並堵住孔隙，如此液體就不會流出來。在頂端橫過一根小棒子，這根棒子拉張棉花且將棉線固定在模型裡面。然後，動物脂肪融化後流入模子裡。一定時間後，待模型冷卻，從一角倒出多餘的動物脂肪，清理一下，再剪掉燭蕊的尾巴。現在模型裡面只剩下蠟燭，再來你只須把它倒過來，像我這樣做，蠟燭就會滾出來，因為蠟燭是做成圓錐形的，上面比下面小；因為它的形狀，只要輕輕搖晃，蠟燭就會掉出來了。硬脂肪酸和石蠟的蠟燭也是依同樣的方法製造的。

蠟燭的製造方法很奇特。就像你在這邊看到的，框架上掛著很多棉花，末端覆蓋金屬物，避免棉花在這些地方被蠟蓋住。將這些東西放在裝著融化的蠟的容器上方。你看，框架可以翻過來；而當它們翻過來時，我們就拿一桶蠟澆灌第一個框架，接著澆灌下一個，再下一個，依此繼續。當製造蠟燭的師傅倒完一輪後，如果較早被澆灌的框架中的蠟已經冷卻，他便從頭再澆覆框架第二層蠟，如此進行，直到每個框架上的蠟都累積了足夠的厚度。當框架依此方法被蠟覆蓋、填滿到足夠的厚實程度時，便將它們取下並移到其它位置擺放。感謝費爾德先生慷慨提供，我這邊有幾個這類蠟燭的樣本，這些是半成品。覆蓋蠟的框架被取下之後，放在石板上捲起，用適當形狀的管子模塑出蠟燭的尖椎端，切平底部並整理乾淨。這道手續做得好，工人就可以用這個方法精確地做出4磅、6磅或其它重量的蠟燭。

然而我們不能在製造過程耽擱太多時間，我們必須進入正題研究蠟燭這個物質。我還沒跟你說到蠟燭豐美的視覺享受（因為在蠟燭世界裡真的有精品般的東西）。看哪，這些顏色多麼美麗，你看到偏紫的紅色、偏紅的紫色，以及最近發明的化學顏色都能在蠟燭裡見到。這裡有根精工雕刻，像是希臘石柱的蠟燭；我也帶來一些裴叟先生給我的蠟燭，這些蠟燭經過設計和裝飾，而當我點燃它時，你看到上方浮著一輪閃耀的太陽，下面像是一束捧花。然而，這些精緻漂亮的東西並不實用。希臘石柱型的蠟燭美則美矣，卻不好用；因為外型的緣故使得它們不好用。儘管如此，我還是讓你看看朋友送我的、不同種類的蠟燭，你就曉得現在的蠟燭可以做到甚麼程度，還可能做出哪些不同的成品；雖然，如我所說的，精緻的修飾會犧牲掉事物的本質。

n  觀察蠟燭的燃燒

現在來談蠟燭的光。我們將點燃一、兩支蠟燭，並讓它們持續燃燒，展現它們應有的功能。你觀察到蠟燭和油燈相當不同。使用油燈的時候，你把油注滿底盤，放進些許製備的棉花，接著點燃棉花的上端。當火焰往下燒到與油接觸時，火會熄滅，但是上頭會繼續燃燒。你一定會問說：為什麼油本身不燃燒，但卻會在棉花上端燃燒呢？我們現在就來檢視這個問題，不過蠟燭燃燒是一件更為神奇的事。現在有個沒有容器盛裝的固態物體；這個東西要如何爬上火焰燃燒的地方呢？這個固體要如何到達燃燒的位置，但又不會變成液體呢？或者說當它變成液體時，要如何維持在一起的狀態且不分散呢？這就是蠟燭神奇的地方了。

現在有些風，風對我們說明這個示範實驗可能有幫助，但我們也可能被燭火戲弄了；為了讓我們的演示不受干擾，也為了簡化整個過程，我需要一個穩定的燭火；在研究過程中假如出現預期外的干擾，我們就無法好好地做研究。週六晚上在菜市場可以看到賣菜、馬鈴薯或賣魚的小販，他們用一個很好的東西來避免蠟燭被吹熄。我頗為欣賞這個器具，他們在蠟燭周圍蓋上燈罩，上面有道滑軌支撐並鉤住燈罩，使用者可以就需要將燈罩滑上滑下。依照同樣方法使用燈罩，我們便能擁有穩定的火源，你可以看著、仔細檢視這穩定的蠟燭燃燒，我希望你在家裡也能這樣試試看。

首先，一個美麗的杯狀凹槽形成了。當空氣接近蠟燭時，蠟燭產生的熱氣流把空氣往上推，這股空氣冷卻了蠟、脂肪或燃料的外圍，讓外部邊緣溫度比內部中央低；火焰盡可能地沿著燭蕊向下燃燒，同時融化內部，但是外部並不會融化。假如我在一個地方施予氣流，蠟燭凹槽的壁將在另一側下垂，融化的液體就會流出來；因為萬有引力——讓這個世界得以聚合的力量——使液體保持水平，如果凹槽不是水平的，液體便會沿著溝槽流下。因此你曉得，這個凹槽的形成歸功於那美妙的、規則的上升氣流，它同時也使蠟蠋外部保持冷涼。沒有這個杯狀凹槽，其它燃料無法作成蠟燭；愛爾蘭沼澤的木頭是個例外，因為木材本身就像海綿，可以吸收燃料。

如果點燃我先前演示的漂亮蠟燭，你就曉得為什麼結果很糟糕；這些漂亮蠟燭形狀不規則、表面不連續，因此沒辦法好好形成凹槽的邊緣，而凹槽是蠟燭最棒的地方。現在我希望你能了解，一道程序的完美結局，就是他的實用性，是這整個過程中最美好的。普通的蠟燭並不漂亮，但是卻運作良好，也是對我們最有用的。美麗的蠟燭燃燒起來並不順利，在蠟燭壁上會出現溝槽，因為氣流不規律，隨之形成的凹槽也不好用。當蠟燭壁上淌下融化的蠟使某處變厚時，你會看到不穩定的上升氣流（我相信你會看到這些）。隨著蠟燭持續燃燒，在壁上形成突出的細柱，因為這根細柱高出旁邊的蠟或其它種燃料，空氣在這裡流動得更好，這邊的溫度會比較低，進而阻擋周邊的熱。一如其它事理，人類對於蠟燭的重大誤解將教導我們那些如果沒有實際經歷，便無從獲得的知識。我們聚在這裡，希望成為思想者，我希望你永遠記得，無論何時你看到一個結果，特別是新的結果時，你應該要問：「這是甚麼原因造成的？為什麼它會發生呢？」經過一段時間推敲之後，你就會找到原因。

我們還能從另一個點切入，回答關於蠟燭的問題，也就是研究蠟油從凹槽流出，由燭蕊往上到達燃燒位置的方式。用蜜蠟、硬脂肪酸或鯨油做成的蠟燭，燭蕊燃燒的火焰不會往下跑到蠟或其它地方，將整支蠟燭融化，而會保持在恰當的位置。火焰被下方的液體阻攔，不會侵毀凹槽的周圍。我想不出更完美的例子了，在此燃燒過程中，蠟燭的各個部分相輔相成。像蠟燭這種可燃物會漸漸燃燒殆盡，但又不會被火焰從外部入侵，是很棒的景象，尤其在你知道旺盛的火直接燒到蠟上的時候，蠟會被火焰催毀，當火靠得太近時，蠟也會被火焰變形。

n  燭蕊藉毛細作用，持續地將蠟燭融化並傳送到火焰

但火焰是如何取得蠟油以作為燃料的呢？這裡有個很棒的觀點——毛細作用。「毛細作用！」，或「毛髮間的吸引」，在我們還沒好好了解它真正的作用之前，不用太在意名稱；這是前人取的名字。因為毛細吸引的作用，作為燃料的蠟油被運輸、存放在燃燒進行的地方，這個過程不是任意的，而是被巧妙地安置在燃燒作用發生的中心。現在我要給你一、兩個毛細吸引的例子。這個動作或吸引力使兩個互不溶解的東西聚在一起。例如，洗手時你弄濕雙手、抹上肥皂，使皂液附著得更好，然後你發現手還是濕漉漉的。這就是待會兒我要說的那種吸引力。如果你的手沒弄髒（因為日常生活中，雙手通常是髒的），將指頭伸入溫水，水會些微地從手指頭向上爬升——很可能你以前還沒有注意過這件事情呢。

我有一個多孔的物質——一支鹽柱（圖1），然後我在盤子底部注入看起來像水但不是水的液體；這是飽和的鹽水，無法再溶解更多的鹽，所以你看到的作用並非溶解的緣故。我們將盤子想像成蠟燭，鹽柱當成燭蕊，鹽水則是融化的蠟。（我事先將鹽水染成藍色，好讓你看清楚作用過程。）現在我把液體倒進去，如果鹽柱不倒下的話，液體會升高、漸漸爬上鹽柱，越來越高；液體會爬到頂端，。如果這藍色的液體是可燃的，而且我們把一條燭蕊放到鹽柱頂端，當液體滲入燭蕊時就可以燃燒。觀察這種作用以及相關的細節是很有趣的。洗完手時，你拿毛巾擦乾雙手；因為這種濕潤的方式，水會沾上毛巾，蠟燭燃燒時，融化的蠟會爬上燭蕊。我認識一些不拘小節的男孩和女孩們（當然謹慎的人也會這樣做），把擦過手的毛巾丟在臉盆旁邊，沒有多久臉盆裡所有的水就被毛巾吸乾，滴得地上溼答答的，因為它剛好被丟在有水的臉盆，水因為毛細作用被吸引而滴到外面的地上。

圖1

我手上有個網紗做成的管子，裡面裝滿水，在這個過程中，就某方面來說，你可以把這容器視為棉花，或從另一個角度觀之，將它視為棉布。事實上，有時候燭蕊是用網紗做的。你會發現這管子是個可滲透的東西；因此我從上端倒水進去，會從底下流出來。以下問題可能讓你思索好一會兒，如果我問你：這管子的情形怎樣？裡面是甚麼？為什麼它會在那裡面？這根管子注滿水，但同時你也看到水進進出出，好像管子是空的。為了證明給你看，我只好將它倒出來。原因是這樣子的：網子一直是濕的，篩孔很小，以至於液體從這端被強力吸引到另一頭，所以管子裡一直有水，即使管子是有開口的。利用相似的方法，融化的動物脂肪粒子爬上棉花並到達頂端；其它粒子因為相互吸引的作用跟隨在後，當它們到達火焰燃燒的地方時，也加入燃燒。

接下來也是同樣的原理。看看這根樹枝。我在路上看過一些男生把樹枝點火，假裝是雪茄，學大人的樣子抽菸。他們能這樣做，是因為樹枝單向的可滲透性，也是因為毛細管現象。如果我把這根樹枝放在盛有樟腦精的盤子（大體而言，樟腦精的性質和石蠟類似），一如前面藍色液體滲入鹽柱的道理，樟腦精會滲入這根樹枝。因為旁邊沒有毛孔，所以液體無法往那方向去，但是一定會流經整根樹枝。液體已經流到樹枝頂端了；現在我可以點燃它，就跟蠟燭一樣。因為樹枝的毛細現象，液體會往上爬升，就像在蠟燭裡面的棉花一樣。

為什麼蠟燭不會把燭蕊周圍都燒掉呢？唯一的解釋是：融化的動物脂肪把火滅掉了。你知道，如果把蠟燭倒過來，想讓作為燃料的蠟油流到燭蕊，蠟燭反而熄滅了。原因在於火焰來不及加熱蠟油到足夠的溫度好燃燒起來，在前面成功燃燒的例子中，只有少數蠟油被帶到燭蕊，並且在燭蕊上還有熱。

n   重新點燃熄滅的蠟燭

關於蠟燭，還有一個現象可以讓你理解蠟燭運作的原理，也就是蠟油作為燃料燃燒後，產生煙霧的情形。為了讓你了解，我來演示一個很棒，但也很平常的實驗。如果你迅速地吹熄蠟燭，會看到餘煙裊裊升起。我知道你經常聞到蠟燭熄滅的煙味，不太好聞；如果你能靈巧地吹熄，便能清楚看到煙霧中有轉變過的固體物質。我接下來要吹熄這些蠟燭，不讓我連續的呼吸擾亂蠟燭周圍的空氣；而現在，如果我拿一根點火棒，距離燭蕊大約5公分遠，你會看到一串火苗沿著煙霧爬上蠟燭（圖2）。我最好手腳俐落些，如果我的動作太慢，煙霧就有時間冷卻進而凝結為液體或固體，可燃物質的流動就會受到妨礙。

圖2

n  氣流對火焰形狀的影響

接下來，我們要談到火焰的形狀或形態。也就是蠟燭中的物質爬上燭蕊後所產生的，只有燃燒或火焰那無可比擬的美和亮光。黃金、白銀耀眼迷人，紅寶石、鑽石、珠寶更是光彩奪目；但它們都不如火焰出色動人。哪顆鑽石能閃耀如火呢？夜裡鑽石的光輝尚須向火焰借光。火焰在暗夜裡閃耀，除非火焰照上鑽石，它才得以展豔。蠟燭只為自己、依靠自己發亮，或是為那準備蠟燭的人工作。現在我們來觀察玻璃燈罩裡火焰的形狀，它的形狀穩定且均勻。其形狀如圖3所示，火焰的外形隨著氣流擾動變化，也依據蠟燭大小而變。

圖3

這是個光亮的橢圓形，上面比下面亮，燭蕊在中間；除了燭蕊比較暗之外，在底部還有更暗的部份，這部份的燃燒不像上面那麼完全。我這裡有張圖，幾年前由虎克[4]所繪製的，那時他正在做這方面的研究。這張圖畫的是油燈的火焰，但也適用於蠟燭的火焰。蠟燭的凹槽就如同盛放的器皿或檯座；融化的鯨油則可視為燃油；而蠟燭和油燈都有燈蕊。在燈蕊上點起小小的火苗，然後發生了一件事：有些你看不到的物質從火焰升起，假如你沒有聽到前面的演講或不熟悉這主題，你就不知道有這些物質。

虎克描繪出火焰周圍非常關鍵、無時不在的氣流。我們的蠟燭有股氣流成形並拉長火焰；你所見的火焰被拉得很高，就像虎克在圖上畫的氣流延展的形貌。你可以把點燃的蠟燭拿到陽光下，讓它的陰影投射到一張紙上，或許就能看到我所說的樣子。這是多麼神奇呀，自身亮得足以使其它東西產生陰影的，也會在紙上被投出陰影（圖4），如此你就能確實看到周圍不屬於火焰本身的氣流，而這氣流上升並拉高火焰。現在我要把電池裝上電燈，好模擬太陽光。你現在看到我們的太陽和它的亮光；在光源和屏幕中間放置蠟燭，就得到了火焰的影子。你觀察到蠟燭和燭蕊的陰影；接下來是如圖所示（圖4）的一片微暗的區域，還有一塊較遠的區域。挺神奇的是，從影子觀察到火焰最暗的地方，實際上是最亮之處；這邊你看到熱空氣往上流，一如虎克畫的那樣，這股氣流拉長火焰、供應空氣並冷卻融蠟的凹槽圍牆。

圖4

我再更進一步演示，讓你們看看火焰如何因為氣流而上升和下降。我這裡有一具火焰——這不是燭火——但無疑地，它和燭火所受的影響是一樣的。我現在要做的是將上升的氣流改變為下降氣流。我可以藉由面前這個裝置輕易做到（圖5）。

圖5

如我剛才所說，這火不是燭火，而是酒精燃燒的火，所以不會產生很多煙。我也用某種物質為酒精染色，如此你才好追蹤它的軌跡；假如沒有染色，你就看不清楚，也就難以追蹤其軌跡。點燃酒精，我們製造出火焰，接著你觀察到，把火焰舉在空中，它自然會上升。你相當瞭解為什麼在一般環境下火焰會往上升：是因為這股協助燃燒的空氣的流動造成的。但是現在我把火焰向下吹，你看，我讓火焰往下進入這個小煙囪，氣流的方向被改變了。在這堂演講結束前，我們應該讓你看看一種燈，它的火焰往上升，但煙霧卻向下降，或是火焰下降但煙霧上升。我們可以改變火焰的方向。

我得提醒你幾件事。大部分你看到的火焰，其形狀受到周圍不同走向的氣流所影響；如果需要的話，我們可以控制火焰，這樣它們看起來像是固定的，而且我們可以對它照相——實際上我們有必要照下它們——這樣它們才能固定，好讓我們得到所有關於火焰的知識。不過，這不是唯一我想提醒你的。如果我升起一團大火，它的形狀便不會這麼一定、這麼齊整，但它的火焰卻迸發出相當的活力。我將援用另一種燃料，也可以如實地代表蠟燭中的蠟油。我有一大團棉花，用來作為燭蕊。將這團棉花浸入酒精液體並點燃之後，它和普通蠟燭有甚麼不同呢？啊，它們差異可大了，這東西燃燒時生氣勃勃且充滿活力，它的美、它的生命在在不同於燭光。你看到那些美妙的火舌升起。這團火從下到上均勻地燃燒，除此之外，它還擁有引人注目的、迸發的火舌，這是蠟燭燃燒看不到的。

為什麼有如此不同呢？我得向你解釋，完全理解之後，你就可以更順利地與我繼續接下來的課題。我猜在座已經有人嘗試過我要演示的「吞龍」[5]實驗了。要瞭解火焰的原理以及燃燒的歷史，我想不出比吞龍更好的方法了。首先，這裡有個盤子；在玩吞龍時，你應該先有個溫過的盤子；還有溫的葡萄乾和溫的白蘭地。當你將酒注入盤子，你就有了凹槽和燃料；葡萄乾的作用，不就像是燭蕊嗎？現在我把葡萄乾丟入盛著酒的淺盤，點火使之燃燒，你會看到我所說的漂亮火舌。空氣從盤子邊緣流入，形成這些火舌。為什麼呢？因為氣流的力量和火焰運動的不規則，空氣無法均勻地流入火焰。因為氣流流動不規則，本來應該是單一的火焰，被分成了各自獨立的火焰。事實上，我們可以將它看作好多根蠟燭。你看見盤子裡同時長出好幾道火舌，每道火焰形狀不一，我們不應該因為它們同時出現，便將其視為同一道火焰。絕對不會有一道火焰，它的形狀像是從盤中升起的那個樣子。這團火由許多獨立火焰組成，此起彼落相當迅速，肉眼無法區別，這張圖（圖6）演示火焰組成中的不同部分。很可惜，我們才玩過吞龍的遊戲，這堂課就要結束了；但在任何情況下我都不能耽擱您的時間。將來我該學習，多把時間用在探索事物的原理，避免在這些演示上佔用太多的時間。

[1] 戴維安全燈（Davy-lamp），19世紀英國科學家戴維爵士（Sir Humphry Davy, 1778-1829）發明；可在漫佈甲烷等可燃氣體的礦坑中使用，是專為礦坑照明安全而發明的照明器具。戴維爵士為19世紀英國科學家，因為電氣化學的實驗和戴維安全燈的發明而聞名，1803年成為英國皇家學會的一員。

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）
譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
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第二章　蠟燭火焰的組成，蠟燭燃燒需要空氣 

[6]我現在把它改造得像蠟燭（塞住空氣進入火焰中央的通道）；這裡有棉花吸引油上升，產生錐形的火焰。它的燃燒較為微弱，因為有部分空氣受到限制、進不來。我不讓空氣進到裡面，保留外層火焰，因而使燃燒不很順利。我不讓更多外面的空氣進來，因為燈蕊頗大；如果像圓筒心燈的發明人亞干先生那樣聰明的話，我們從火焰的中心開一條路，讓空氣直通中心，你會看見，它燃燒得比之前漂亮多了。如果我停止供應空氣，請你觀察它如何冒煙；為什麼會這樣冒煙呢？

現在我們來觀察幾個有趣的現象：包括蠟燭的燃燒、蠟燭因為缺乏空氣而熄滅、還有蠟燭的不完全燃燒等等。這是相當有趣的，所以我希望你盡可能地瞭解這些現象。現在我將製造一團大的火焰，因為我們需要一個又大又炫的實例。這裡有個比較大的燭蕊（在一團棉花上燃燒松節油），這些東西和蠟燭一樣。如果燭蕊比較大，就需要供應較多空氣，否則燃燒作用就會不太完全。現在看好了，上升的黑色物質沒入空氣；它是一股規律的氣流。我已經用方法去掉燃燒不完全的地方，以免那些東西干擾你。注意那些飛過火焰的煤灰；因為得不到足夠的空氣，你能從此觀察到所謂的「不完全燃燒」。發生了甚麼事呢？因為有些蠟燭燃燒必須的東西不見了，接著很糟糕的結果就發生了；但我們知道，蠟燭在純粹、適合的空氣中是怎麼燃燒的。剛才我給你看過火焰在紙張留下的燒焦痕跡，我應該也給你看看，在紙張的另一面，蠟燭燃燒一樣產生了煤灰，或者說是木炭或碳。

n  碳粒讓燃燒更為明亮

在我進一演示之前，讓我先向你解釋，這點很關鍵，雖然我用了一根蠟燭演示燃燒的結果；我們必須自問：燃燒作用是否總是經過這種方式呢？或者，火焰還有其它的表現形式？我們很快會發現，的確還有其它形式的火焰，而且非常重要。我認為，呈現出不同形式的火焰的強烈對比，或許是向你們這些年輕人說明這件事的最好方法。這裡有些火藥，你知道火藥燃燒會產生火焰；我們可以中肯地稱之為火焰。它的成分是碳粒和其它物質，這些成分使得火藥燃燒時產生火焰。而這裡有些鐵粉，或者說鐵屑。現在我故意把這兩種東西放在一起燃燒。我會用小研缽把它們混在一塊。（在我進行這實驗之前，我希望你們之中不會有人因為好玩，在重複這個實驗時受到傷害。如果你小心操作，我們可以善加利用這些材料，但如果一不留神的話，可能會造成嚴重的傷害。）我把火藥放在木頭容器底部，然後和鐵粉混合；混合它們的目的是，要利用火藥點燃鐵屑，讓混合物在空氣中燃燒，如此就可以呈現出，「有火焰」與「沒有火焰」這兩種燃燒的差別。這些便是它們的混合物了；當我點燃火藥時，你一定要注意看著，你會發現這裡發生兩種燃燒作用。火藥將燃燒產生火焰，接著鐵屑被點著。鐵屑也會燃燒，但是不產生火焰。它們分別各自地燃燒。（演講者點燃混合物）。火藥的燃燒會產生火焰，不過鐵屑進行的燃燒作用並不一樣。燃燒方式的差異影響燃燒的用途，包括供於照明之用的火焰。當我們用油、氣體或蠟燭來照明時，不同類型的燃燒決定了它們的用途。

火焰有這麼多令人好奇的狀態，需要聰明、機敏的分辨能力來區別各種燃燒的種類。例如，這裡有種很容易燃燒的粉末，由許多不同的粒子組成。這東西叫做石松，裡面每顆粒子都能產生蒸氣和火焰；但要看它們燃燒的話，你得想像它們集合為一股火焰。現在我將升起一團大火，你就能看到它的效果。我們看到的一團火，明顯地是一個個體，但是燃燒時出現的嘈雜的聲音證明了這不是連續或規律的燃燒。這就像是無聲的閃電，還真是蠻像的。（法拉第將玻璃管裡的石松粉吹到火上，並且重覆了兩次。）可這並不是先前我談到的鐵屑燃燒，現在我們回到鐵屑。

假設我拿起一根蠟燭，以肉眼來檢查最亮的地方。那裡有從火焰中得到的黑色粒狀物，你之前已看過很多次了，而現在我打算用不同的方式來取得。我將把蠟燭壁上，因氣流形成的溝槽清乾淨；如果我現在把玻璃管伸進火焰，就像我們之前一個實驗所做的，不過管口比剛剛高一點，只碰到最明亮那部分的上端，你看到結果了。現在管子另一端冒出來的不是剛才的白煙，而是黑煙。喔，它冒出來了，像墨汁一樣的黑煙。這顯然與白煙很不一樣；當我們用火苗去點時會發現點不著，火反而被弄熄了。就像我剛剛所說的，這些粒狀物就是蠟燭的煙；這讓我想到一個蠟燭的古老用處：史衛福特牧師[7]曾經推薦給傭人的娛樂，就是用蠟燭在房間天花板上寫字。不過，那些黑色物質是甚麼呢？啊，這和蠟燭裡面的碳是一樣的東西。為什麼它從蠟燭裡跑出來了呢？很明顯的是，碳存在蠟燭裡面，否則它就不會出現在這裡了。請你聽清楚了；你或許很難想像，那些在倫敦上空飛揚的煤灰和黑點，就是火焰燃燒的產物。這裡有片石棉心網，火焰過不去，你很快會看見，當我把石棉心網放低，碰到火焰原本很亮的地方，火焰馬上被壓下並且熄滅，然後冒出一團煙。

以下希望你注意：每當物質燃燒，例如被火藥點燃的鐵屑，不一定要處於蒸氣態（無論它變為液態或仍維持固態），它一樣可以大放光明。我刻意利用蠟燭舉出幾個例子，好向你說明這一點；這個結論其實適用於所有物質，無論它們是否正在燃燒——是否放出火焰，只要是固態，它們就會非常明亮。蠟燭火焰就是從這個固態粒子來的。

這裡有條白金線，它不會因為熱而反應。我在火焰中加熱這條金屬線，看它變得多亮啊！我讓火焰稍微變弱，讓亮度減弱；雖然火焰只給金屬線一點點熱，但你看見了，從火焰來的熱讓白金線變得更加光輝燦爛。這道火焰內含有碳粒，但接下來我要取得一種沒有碳粒的火焰。這個容器裡有一種氣態燃料，這種燃料不含固體粒子；我使用這個材料是因為它燃燒的火焰中沒有固體。但如果我把手上這種固體物質放進這種燃料中，就會產生大量的熱，並且使固體發光發亮。我們用這根管子傳遞這種叫做「氫」的氣體，我們下次碰面時，你就會瞭解了。另外這裡還有一種物質：叫做「氧」，「氫」因為「氧」而燃燒；我們藉由氫和氧燃燒製造出的熱比從蠟燭得到的更多，但是氫氧混合並不會產生很亮的光。

如果我讓固體物質加入氫氧混合的作用，我們就能製造出強光。如果我把這塊石灰固體——這東西不會燃燒，也不會因為熱而蒸發（也因為它不蒸發，所以總是保持固態，處於加熱的狀態），你很快就可以觀察到：放光的時候發生了甚麼事？我們讓氫和氧接觸，製造出非常強烈的熱；但是這樣的火光很小——這並不是因為缺乏熱，而是因為固態的粒子不夠。我把這塊石灰放入正在氧氣中燃燒的氫氣火焰中，看哪，火焰變得好亮！石灰的耀眼光芒可以媲美電燈，幾乎等同日光。我這邊還有一塊木炭，它們可以燃燒，也會散發出同樣的光芒，好像蠟燭燃燒一樣。蠟燭火焰裡面的熱分解了蠟蒸氣，釋放出碳粒；被加熱的碳粒上升並放出光芒，最後逸失在空氣中。但是這些燒盡的碳粒離開蠟燭後，不再是碳的形式。它們變成看不見的物質，這個我們以後就會學到。

這個過程不是很美嗎？一塊又黑又髒的木炭變得如此光彩奪目！從此你得到一個結論，就是所有明亮的火焰都含有固體粒子；無論是像蠟燭那樣，在燃燒中製造固體粒子，或像火藥和鐵粉那樣，在燃燒之後產生固體粒子，都帶給了我們輝煌美麗的光芒。

我們再來演示一些實驗（圖9）。這裡有一塊磷，它燃燒會產生明亮的火焰。很好，現在我們可以推論：磷在燃燒中或是燃燒後都會製造出固體粒子。這是點燃的磷，我用玻璃罩蓋住它，好把所有製造出來的東西關在裡面。這些煙是甚麼樣的東西呢？這些煙裡面含有磷燃燒產生的粒子。其次，這裡有兩種物質：氯酸鉀和硫化銻。[8]我把這兩種東西混合，待會兒就能用各種方法來點燃它們。為了呈現這個化學反應，我將滴入少許硫酸，馬上它們就會燒起來（演講者用硫酸點燃混合物）。現在從外表來看，你能自己判斷它們燃燒時是否產生固體物質。我已經教導了你一連串的推理，讓你可以回答這個問：除了飛散的固體粒子之外，這道明亮的火焰裡還有甚麼？

圖9

安德森先生在火爐裡面放了個很熱的坩鍋。我打算把一些鋅粉放進坩鍋裡，它們會燒起來、產生火焰，就像火藥的燃燒。我選擇做這個實驗，是因為你在家也能如法炮製。現在我想要你來看看：鋅經過燃燒作用會出現怎樣的結果？喔，它燒起來了——燒得好漂亮，像蠟燭的燃燒一樣。然而那些白煙是甚麼東西呢？那些羊毛般的雲朵又是啥玩意兒？如果你無法上前來看，我們會把它傳到你的面前，這東西就是所謂的「魔法羊毛」，[9]而坩鍋中也留下了這絨毛般的東西。我會拿一點鋅，再做一些更仔細的實驗。不過你現在就能看到一樣的實驗了。這是一塊鋅；那是火爐（指向氫氣噴射器），然後我們開始燃燒這塊金屬。你看到了，它發光發熱，有燃燒現象，還有燃燒產生的白色物質。所以呢，如果我將氫燃燒的火焰視為蠟燭，用它來點燃鋅，讓你看看，像鋅這樣的物質在火焰中如何燃燒；你會發現，只有在燃燒時、當它一直是熱的時候，這種物質才發出如此強烈的光芒。再者，如果我把鋅產生的白色物質放進氫焰——看啊，它多麼光彩炫目！因為它是固體，被燒起來時才能如此光芒四射。

現在我要用和剛才一樣的火焰，從中釋放出碳粒。這裡有些樟腦精，燒起來會產生煙；但如果我用管子把煙裡面的碳粒送進氫的火焰中，你會看到碳粒燃燒起來並大放光明，因為我們在此進行了第二次加熱。你看，這就是二度燃燒的碳粒。你只要拿一張紙擺在後面，就能看到這些碳粒；它們於火焰中產生，被燃燒產生的熱點燃，而當它們這樣燃燒時，便放出亮光。如果碳粒沒有被分離出來，就不會產生這個亮光。燃燒煤氣的火焰會放出亮光，也是因為在燃燒作用中，碳粒被預先分離開來的緣故，這些碳粒和蠟燭裡面的碳粒是一樣的。

我可以輕易地改變這種燃燒方式。舉例來說吧，這是煤氣燃燒所產生的火焰。如果我注入很多的空氣到火焰中，使得碳粒在還沒釋放之前就完全燃燒，此時的燃燒就不會有亮光。我可以這樣做：我把鐵網放在煤氣噴嘴上方，然後在鐵網上方點火。煤氣在鐵網上方燒起來了，我們看到了火焰，但這火焰沒有光芒。因為煤氣在燃燒前就已經混合了足夠的空氣；而如果我把鐵網拿高一點，你會看到煤氣噴嘴和鐵網之間沒有火焰。氣體裡原有很多的碳粒；但在燃燒之前，空氣就碰到碳粒並混在一起了，因而使得火焰呈現淡藍色。此外，如果我朝著明亮的煤氣火焰吹氣，使得碳粒在尚未到達放光的位置之前就被燒完，火焰也會變成藍色（法拉第對著煤氣燈送氣，演示他所說的現象）。為什麼在我向煤氣燈的火焰送氣之後，沒有產生亮光呢？唯一的理由便是因為碳粒在從煤氣中分離，被釋放到火焰之前，它就接觸到足夠的空氣而燒光了。燃燒時能否產生亮光的關鍵便在於，固體粒子有沒有在煤氣完全燃燒之前被分離出來。

n  蠟燭燃燒的產物

你發現有些煤氣燃燒的產物很像蠟燭燃燒的產物，其中有一部分可能被認為是碳，或煤灰；那些碳之後進行燃燒，又產生了其它產物；這讓我們很想弄清楚，後來的這些產物是甚麼？我們已經證明有些東西跑走了；我希望你能了解，其中有多少產物是上升並且進入空氣中的？為了這個目的，我們將進行較大規模的燃燒作用。藉著蠟燭上升的熱氣和兩、三個實驗，將讓你看到上升的氣流；但為了給你這些上升物質「量」方面的概念，我將試著把一些燃燒作用的產物封存起來。為此，我在這裡用上你們男孩子玩的熱氣球（圖10）；熱氣球只是用來衡量燃燒結果的手段；我會用相當簡單、合用的方法來製造火焰。我們這麼說吧，底下的平盤就像是蠟燭的「凹槽」，裝在裡面的液體就是燃油，接著我把煙囪放上去；這樣做會比讓氣體隨處亂飄要來的有效。安德森先生現在會點燃液體，而就在煙囪頂端，我們會得到燃燒的產物。一般而言，這根管子上面的東西，和你從蠟燭燃燒得到的東西一模一樣；可是這次燃燒的火焰並不明亮，因為我們使用的物質的含碳量比較少。

圖10

我要把熱氣球放上去了——這可不是要表演，因為這不是今天的目的——而是要讓你看看，那些從蠟燭升起的產物，當它們在這裡、從火爐裡上升時，它們的動作產生怎樣的影響。（熱氣球蓋住煙囪，裡面馬上充滿了氣體。）喔！你看它不由自主地上昇了！但我們不能讓它飄起來，因為它飛起來後可能碰到天花板上的煤氣燈，那就麻煩了。（法拉第請人關掉煤氣燈，然後放手讓熱氣球上昇。）這不是讓你親眼看到了嗎，有大量的物質被釋放出來。（用一根大玻璃管圈住蠟燭）現在蠟燭的產物正通過這根管子，你就會看到玻璃變得不透明。我想再拿一根蠟燭，把它放在玻璃罐底下，在另一邊也點燃一根蠟燭，讓你看看發生了甚麼事？你看看，玻璃罐的壁變成霧濛濛的，燭光也變得微弱而黯淡。你曉得，就是這物質，使燭光黯淡；也同樣是這東西，使玻璃變得霧濛濛。你回家後拿一根暴露在冷空氣中的湯匙，把它提在蠟燭上方——小心別把湯匙燻黑——你會發現湯匙變成霧霧的，就像玻璃罐那樣。如果你有銀盤或其它銀製品，會得到更好的實驗效果。現在，為了讓你持續思考，到我們下次見面；我先透露，是「水」造成了霧濛濛的效果。下次見面時我會演示給你看，我們可以輕易地製造出液態的水。

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle 

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）
譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

第三章　蠟燭燃燒產生水、水中的氫

n  蠟燭燃燒產生水

我想你還記得，上次演講結束的時候我們談到蠟燭燃燒的「產物」；只要在燃燒蠟燭時適當地操作，我們就能從蠟燭的燃燒過程中得到各式各樣的產物。有的產物在蠟燭燃燒不完全時產生，例如碳或煙；有的產物來自火焰，但並不像煙，而是以其它型態隨著氣流上升後，變成看不見的東西，接著逸散成為大氣的一部分。還有別的產物值得一提。你記得的，從蠟燭上升氣流的研究中，我們發現氣流中的一部分接觸冷湯匙、乾淨盤子或其它冷的東西時會凝結；但是有的部分卻不會凝結。

我們先來研究、檢視會凝結的部分吧。嗯，很妙的是，我們發現這些凝結的產物就是水，沒有別的，就是水！上回我偶然間提到水，只是要說水也是蠟燭燃燒作用產生的；但今天我想把你的注意力拉向水，特別是從和我們的主題有關的角度，好好地檢查水這個物質，我們也將討論在地球表面的一般的水。

先前我們做過一個實驗：從蠟燭的產物凝結出水，現在就讓你看看這些水。要一次在這麼多人面前呈現水，最好的方法是演示有關水的顯而易見的作用，然後藉這作用來檢測我們在容器底部蒐集到的液體。我手上有個戴維爵士發現的化學物質，這個東西會和水發生很活躍的反應，我打算用它來測試水的存在。它叫做鉀，來自碳酸鉀——如果我拿一小塊丟進水槽，只要裡面有水，鉀就會劇烈燃燒、急速漂動，並產生激烈的火焰。現在，我要把碗底下燃燒的蠟燭移開（圖11），碗裡面盛著冰和鹽，你看到碗底下懸著一滴水——蠟燭凝結的產物。鉀與這滴液體發生的反應和我們剛才做的小實驗一樣，把鉀丟入水槽。你看！它著火了，而且燃燒的方式一樣。我把碗底下的液體滴到這個玻璃板上，然後把鉀丟進液體，它馬上燒起來，證明這裡有水，也證明了水是蠟燭燃燒產生的。

圖11

同樣的方法，如果我把油燈放在玻璃罐下方，很快地，玻璃罐子會變得潮濕，有小水珠附在玻璃上——這些小水珠就是燃燒作用的產物；我會讓油燈繼續燃燒，然後看看我們能蒐集到多少水。這樣，如果我把某種冷卻裝置放在煤氣燈上方，也會得到水，這些水也是氣體燃燒的產物。在這個瓶子裡有些水，是相當精純、經過蒸餾的水，來自煤氣燈的燃燒作用——和你從河水、海水或泉水蒸餾出來的水沒有一丁點兒不同。水是種單一物質；它不會改變。我們可以細心控制，收集更多的水，或者把水移開，從中取得其它物質；但是水就是水，永遠是一樣的，無論處於固態、液態或氣態。這瓶（手上拿著一瓶液體）也是油燈燃燒製造出來的水。要是燃燒完全的話，一公升的油燃燒後會產生多於一公升的水。這罐也是水，取自蠟燭長時間的燃燒作用。我們將會知道，幾乎所有的可燃物，它們的燃燒都產生水。你可以在家自己動手做這個實驗：火鉗的前端挺適合拿來試試，只要它可以在蠟燭上面維持一段涼的時間，那麼火鉗上面就會出現凝結的水珠；一隻湯匙、勺子或其它東西，都可以拿來試試看，只要材料是乾淨的、可以耐熱，你就能得到凝結的水。

從「可燃物的燃燒」進入「水的製造」這神奇的過程之前，首先我要讓你曉得，水可能在不同的條件下存在。雖然你已經熟悉它存在的所有形態，但我們還是要把注意力放到「水」上；這樣我們就可以理解，儘管水變化多端，[10]水絕對還是同樣的東西，無論它來自蠟燭、來自燃燒作用或來自河流海洋。

首先，水在很冷的情況下會成為冰。現在，我們科學家[11]（希望我們都能被歸類為這種人）認為水就是水，無論它是固態、液態或氣態——在化學上我們都稱之為「水」。水是兩種元素的化合物，其中一種可以從蠟燭得到，另一種則要從別處取得。[12]水可能以「冰」的樣子出現，今天你就看到了好些次。冰變成水（上星期天發生在我家裡的慘劇）就是冰的融化。當溫度上升，冰就變回水；溫度更高的話，水就變成水蒸氣。我們面前的這杯水正處於密度最大的狀態；即使它改變重量、狀態、形態或其它性質，它還是水；我們降溫、把水變成冰，或加熱變成水蒸氣，都會增加體積——聽起來很吸引人又很厲害吧，這同時又是非常、非常奇妙的現象。舉個例，我現在將水注入錫罐裡，你看我倒進多少水，並預測看看水會到多高：現在水大約距離底部約5公分。然後我把水轉化為水蒸氣，好讓你看看水在液態和氣態時的體積會如何地大不相同。

n  水變成冰時體積會增加

讓我們來看看水變成冰的例子：鹽和碎冰的混合物可以降溫，[13]進而把水變成冰。這樣做做實驗可以讓你看到，水發生變化時體積膨脹的情形。這些罐子（手上捧著一個）用堅硬的鐵鑄成（圖12），又厚又硬——它的厚度大概有1公分；我小心地將罐子裝滿水，好排出所有空氣，然後把蓋子旋緊。我們將會看到：當水在這些容器裡結凍時，因為罐子裝不下結凍的冰，膨脹的體積會把罐子撐破，最後變成這樣子碎的東西（指向一些碎片）——它們曾經是個鐵罐，就跟我手上的一模一樣。我要把這兩個裝滿水的鐵罐放進鹽和碎冰的混合物，好演示給你們看：當水變成冰時，體積的變化是相當驚人的。

圖12

在罐子裡的水還沒結成冰的時候，我們來看看另一頭的實驗：當我們把水加熱時發生了甚麼變化？它逐漸失去液體的形態。你可以從另外幾種狀況中發現到這個變化。燒瓶裡的水正在沸騰，我在瓶口蓋上錶玻璃。你發現了嗎？這瓶子不太穩定、嘎嘎地響，像是吵個不停的活塞；因為滾水產生的蒸氣鼓得活塞跑上跑下，有些蒸氣還趁機衝了出去，所以才這樣撞來撞去、嘎啦嘎啦響。這原理並不難懂，原因在於燒瓶充滿了蒸氣，不然蒸氣也就不會衝出來了。你還看到，燒瓶裡的蒸氣比原本的水還多，因此蒸氣一次又一次的充滿整個燒瓶，然後散逸到空氣中；但同時你沒有感覺水消失了很多，這表示當水變成蒸氣時，水蒸氣膨脹造成體積大量地增加。

剛才我已經把裝水的鐵罐放入冰和鹽的混合物，現在你們可以：看看發生了甚麼事。就像你看到的，罐子裡的水和罐子外面的冰是分開的，它們之間沒有物質交換。不過它們之間卻有熱的傳導；如果我們成功的話……今天，實驗進行得有點匆忙。一旦罐子和裡面裝的東西變成冰的時候，我想你會聽到罐子迸出「啪」的一聲；而當我們來檢查這些罐子時，會發現裡面的液體已經聚成一塊塊的冰。因為水變成冰時，體積會膨脹，原本裝滿水的鐵便罐顯得小了，裝不下這些冰。如你所知，冰會漂在水面上；在河流結冰的季節，如果小男孩從冰洞掉進水裡，他可以攀住一片冰，好浮回水上。為什麼冰會漂在水上呢？想一想這個問題，然後分析看看。這是因為水結冰後體積變大，相較之下冰比較輕，而水則是較重的。

n  水蒸氣的體積遠遠大於水的體積

我們現在回到加熱水的動作。看看從錫罐冒出來的蒸氣。你仔細看，我們一定製造了很多水蒸氣，才會冒出這麼多來。水加熱後轉變為蒸氣，反過來，我們也能冷卻蒸氣，把氣體變回液態的水。假如蒸氣上方有個玻璃杯或其它冷的東西，過不了多久玻璃表面就會濕濕的：蒸氣持續凝結，直到玻璃杯變成溫的，蒸氣凝結為水附著在杯壁上，現在……水沿著杯壁流下來了。我手邊還有個實驗，用來呈現水從氣態凝結為液態的過程，就像蒸氣（也是蠟燭的產物）凝結成水附著在盤子底部。為了讓你完整如實地看見這些變化發生，我要用這個充滿蒸氣的錫瓶子，然後把頂端的開口蓋上。當冰水淋上錫瓶時（圖12），裡面的水、或者說水蒸氣，會變回液態。我們來試試，看看會發生甚麼事？（法拉第把冰水淋上錫瓶，瓶子馬上塌陷下去。）你看發生了甚麼事！如果我關住栓塞，然後繼續加熱，蒸氣會爆破瓶子；相反地，當蒸氣變回水的時候，瓶子塌陷下去，因為蒸氣凝結造成容器內成為真空狀態。我做這些實驗的目的是指出：在這些變化中，水沒有被任何東西變成其它東西，水一直都是水。在水蒸氣冷卻的過程中，罐子向內塌陷；而在持續加熱下，容器則往外膨脹。

當水處於氣體狀態時，你覺得它的體積有多大呢？這個立方體的水蒸氣（指向一個長寬高約10公分的立方體）（圖13），來自於旁邊這個1公分立方體的水，它們倆的形狀一模一樣。一點點水就可以膨脹為這麼多的蒸氣；相反地當我們降溫時，這麼多的蒸氣會收縮成一丁點兒水（此時有個結凍的鐵罐破裂）。啊！我們的罐子破了，你看這邊，有道小裂痕（另一個罐子也破了，把冰鹽混合物弄得四處飛散）。這裡也是，這個罐子也破了；雖然鐵罐的厚度有1公分，但是結凍的冰還是把它弄破了。水的變化總在發生，不一定要借助人為的方式才會發生變化；這裡我們用人為的方式降溫，因為我們只需要在小瓶子周圍製造冷氣，而不需要嚴寒的隆冬。如果你到加拿大或北方，你會發現，屋外的溫度就可以得到和我們用冰鹽混合物一樣的效果。

圖13

n  水的兩種成分，一種來自蠟燭，一種來自大氣

讓我們靜下來弄清楚這些現象，以後遇到水的各式變化時，我們就不會再感到迷惑。水在哪裡都是一樣的，無論它來自海洋或蠟燭的火焰。那麼，我們從蠟燭得到的水是從哪兒來的呢？水的一部分顯然來自蠟燭；但是水本來就在蠟燭裡面了嗎？不是，水不在蠟燭裡，也不在蠟燭周圍燃燒所需的空氣中。它既不在蠟燭、也不在空氣中，而是來自兩種元素的結合，其中一種來自蠟燭，另一種來自空氣；現在我們要來追蹤這個問題，這樣子當蠟燭在你的桌上燃燒時，我們才能完全了解蠟燭的化學歷史。這個問題要如何研究呢？我自己知道很多方法，但是我希望你能從我告訴你的訊息當中，自己吸收理解進而得到答案。

在這個方向上，我想你看出了一些端倪。我們剛剛看過戴維爵士發現的物質——鉀，遇到水的反應；現在我要在平盤上做另一個實驗，好喚起你的記憶。我們要很小心地處理這個東西；就像你看到的，只要有一點點水濺到這東西，接觸到水的地方就會起火；如果正好它又暴露在空氣中，那整塊金屬都會燒起來！這是一塊漂亮的、閃耀著光芒的金屬——它在空氣中可以迅速地發生反應，你知道，它也會在水中迅速出現變化。我把一小塊鉀放到水面上，你看見它把水當作空氣，美麗地燃燒起來，好像漂浮的水燈。如果我們把鐵屑放入水中，它們也會發生某種變化。雖然鐵屑的變化不像鉀那麼激烈，它們的變化也有幾分雷同；雖然鐵會生銹，也會和水有所反應，鐵屑與水的反應方式大致上和鉀一樣，但鐵屑反應的激烈程度和這漂亮的金屬大為不同。我希望你把這些事實和證據都放在心上。這裡還有一種金屬（鋅），我們要檢查它燃燒產生的固體物質，一併觀察它的燃燒；我想，如果我把一小條鋅放在蠟燭上，你會看到某種反應，其反應激烈程度介於鉀和鐵和水的反應之間——你發現這裡正在進行燃燒作用。而在它燃燒殆盡後，將留下白色的灰燼或殘渣；這裡，我們也發現這種金屬與水有某種程度的反應。

我們逐漸學到如何控制不同物質的變化，好讓它們說出我們想知道的事情。首先，我要使用鐵。在所有化學反應中，無論這反應的結果為何，我們經常發現化學反應的速度會因為熱而變快；如果我們要仔細地檢查物質之間的反應，便會使用加熱的手段。我相信你注意到，鐵屑在空氣中會完全地燃燒。但現在我要做的是另一個實驗，關於鐵和水的反應，這個實驗會讓你對於我打算告訴你的事情留下深刻的印象。如果我把一道火焰弄成中空，為什麼要這樣做呢？因為我要把空氣灌到中央，接著丟入一些鐵屑；你看，這些鐵屑燒得多旺。就在我們點燃這些粒子的時候，所引發的化學反應就是燃燒作用。接著，我們來嘗試探索，當鐵遇上水的時候會發生甚麼事？這個過程將會逐步地、規律地道出一個美妙的故事，我相信你會非常喜歡這個故事。

n  用水製造氫

這兒有一個火爐（圖14），有根導管像槍管般穿過它；我在管內填滿鐵屑，讓管子穿過火焰，這樣它就會被燒得火紅。我們可以從導管的右邊送入空氣，讓空氣與鐵接觸，也可以用燒瓶將水蒸氣送進去。在熱水器和火爐的連接處有個活栓，如果我們需要蒸氣進去，就把活栓打開。另一邊的水槽中有幾個裝水的玻璃瓶，我把水染成藍色，方便你觀察發生的變化。如你所知，所有我送入的蒸氣在經過管子、又經過冷水之後，它們會凝結；當蒸氣的溫度下降時，它將會凝結成水，所以無法保持氣態。在這裡，你就看到了（指向剛剛破裂的錫罐），錫罐自己劇烈收縮、變成一小團東西，造成罐子破裂。因此，如果我輸送的蒸氣經過的導管是冷的，蒸氣就會凝結、收縮，進而使得導管變形；這就是為什麼我要在這裡用火爐加熱導管，因為這樣才能讓實驗順利進行。我會一點一點地讓蒸氣通過導管，當你看到有東西從管子另一端冒出來時，試著自己判斷：它們還是蒸氣嗎？蒸氣可以凝結為水，當你降低蒸氣的溫度時，它便轉換回液態的水；我讓蒸氣通過熱的導管後，讓氣體流經過水後才進入玻璃罐，但即便蒸氣的溫度下降，流出的氣體並沒有變回水。

圖14

我將進行另一個實驗來測試這邊的氣體。（我把罐子倒過來免得裡面的物質飛散掉。）如果我試著在罐子口引火，它會被點燃，並發出微弱的聲音。這表示裡面裝的不是蒸氣；蒸氣並不會燃燒，反而會讓火熄滅，但你看到這個罐子裡的氣體會燃燒。這種氣體可以來自蠟燭燃燒產生的水，或任何來源的水。[14]當我們從鐵和水蒸氣的作用得到這種物質時，作用過後的鐵就很像鐵屑燒過之後的狀態。鐵變得比之前重。如果鐵一直在管子裡加熱，而且是在隔絕空氣或水的情況下被再次冷卻，那麼鐵的重量就不會改變；但如果有蒸氣通過鐵，那麼它的重量就會比先前重。鐵從蒸氣中拿了某些東西，但也讓其它的東西通過，也就是我們在玻璃瓶裡所看到的氣體。

現在我們又有一個裝滿氣體的玻璃瓶，我要讓你看個很有趣的事情。這是一種可以燃燒的氣體，我可以點燃罐子裡的氣體來證明它是可燃的，但是我打算更進一步。這個氣體也是種很輕的物質。蒸氣會凝結；這種氣體會上升到大氣之中，但卻不會凝結。假設我將一個點燃的燈蕊丟入一個只有空氣的玻璃罐，不會發生甚麼特別的事。現在我要使用裝滿這種氣體的玻璃罐，好像裡面真的是某種很輕的氣體一樣。我將一個普通玻璃罐子倒過來，將裝滿這種氣體的玻璃罐翻過來放在下方（圖15），讓兩個罐子口對口；其中一個罐子，裡面原本裝著水蒸氣產生的氣體，現在它裝的是甚麼？可是……你看！這是種可燃的氣體（拿起另一個罐子），我已經把它從下面的罐子倒進上面的罐子了。它仍然保持著原本的特性、狀態和獨立性——這是一個和蠟燭燃燒一樣，很值得我們思考的現象。

圖15

這是鐵和水蒸氣反應產生的物質；我們也可以用其它方法，和水反應取得這個物質。如果我們取一塊鉀，和水作用後便可以製造出這種氣體；但是如果我們用鋅來做實驗，我們會發現鋅並不能像其它金屬那樣，持續不斷地與水反應。仔細觀察後你會發現，這是因為水和鋅反應時，鋅的外表會形成一層保護膜。如果容器裡只有鋅和水，它們自己並不會有太大的反應。如果我用一點點酸溶掉並去除這層光滑的保護膜；鋅與水的反應就跟常溫下鐵與水的反應一樣。酸只是和氧化鋅結合，本身並沒有改變。我現在把酸倒入玻璃杯，反應就好像水在沸騰一樣。有氣體大量從鋅冒出來（圖16），但不是水蒸氣。現在罐子裡裝滿了這種氣體，而當我把罐子倒過來，你發現留在容器裡的是種可燃物質，和剛剛用鐵管製造出來的氣體完全一樣。

圖16

現在讓我們來分別研究這兩者之間的關聯。這是「氫」——化學上我們稱之為元素的東西，這麼稱它是因為無法再從中分離出任何東西。蠟燭不是元素，因為我們還能從中分離出碳；我們也可以從蠟燭燃燒產生的水中分離出氫。這種氣體被稱為「氫」（hydrogen）[15]，從字面意思來說是「產生水」的元素。安德森先生現在蒐集了兩、三罐的氫，我們就用來進行幾個實驗，我會用最合適的方式來操做實驗，呈現在你眼前。我不怕你看到或學我這樣做，因為我希望你自己也能動手做實驗，只要你小心進行，而且取得旁人的同意。當我們研究化學時，不可避免地會處理到較具傷害性的物質，例如我們用到的酸性物質和可燃物，還有進行加熱的時候，如果操作不當，就可能對人造成傷害。

如果你想製造氫，可以把一小塊鋅放入硫酸或鹽酸。以前這東西被叫做「煉金術士的魔法蠟燭」（philosopher’s candle）（圖17）；它是個小玻璃瓶，瓶口塞著軟木塞，有根管子穿過軟木塞的中央。現在我把一些鋅填進瓶子裡。這個小巧的裝置很適合我們的演示，我想讓你知道，你可以自己在家裡製造氫，並且隨你高興地做些實驗。我小心地填充鋅，罐子實際上並沒有裝滿。我這樣做是因為——就像你看到的，反應釋放出來的氣體很容易燒起來——這氣體和空氣混合後具有爆炸性；如果水面上方的空氣還沒完全抽離，你就在管口點火，可是會讓人受傷的！我現在要把硫酸倒進去。我放的鋅很少，而用比較多的硫酸和水，因為這樣可以延緩作用，讓反應持續進行一段時間。我謹慎地調整這些成分的比例，如此便能不快、不慢——穩定地供應氣體。現在我把一個玻璃杯蓋在管子上方；因為氫氣很輕，我想它會留在玻璃杯裡面一會兒。

n  氫氣是極輕的氣體，其燃燒的唯一產物是水

我們來檢驗看看是否有氫氣在這個玻璃瓶裡面——我敢說，我們已經蒐集到一些氫氣了（點火）。就在這兒，你看！我在管口點火。這是燃燒中的氫氣，也就是煉金術士的魔法蠟燭。氫燃燒的火焰又小又弱，但感覺起來相當地燙，很少有普通的火焰可以釋出這麼多的熱。它穩定地持續燃燒；我打算讓火焰在某種裝置下繼續燃燒，這樣我們就能好好檢查它的結果，利用這個實驗帶來有用的知識。既然蠟燭燃燒產生水，而氫氣來自蠟燭製造的水，那麼當這種氣體在空氣中燒著，進行著和蠟燭一樣的燃燒作用時，讓我們來看看，這整件事教了我們甚麼。我會把燃燒中的「魔法蠟燭」放在這個器材下方（圖17），好讓瓶子裡所產生的所有氣體，都順利地進入玻璃圓筒中凝結。不久你就會看見，潮濕的水氣附著在玻璃圓筒的內壁，水珠沿著玻壁流下；如果我們把這些從氫焰得到的水，拿來進行先前對水做過的實驗，在同樣的程序下，我們會得到相同的反應，如同前面的例子。

圖17

氫是很美的物質。它是如此的輕盈，比空氣還輕，可以將東西往上帶；而且我會利用實驗證明給你看。如果你夠聰明，你們之中或許有人能再現我的實驗。這是我們的氫氣產生器，而這些是肥皂水。我把橡膠[16]管的一端接上氫氣產生器，另一端接著菸斗；再把菸斗插進肥皂水裡，這樣就能用氫氣吹肥皂泡泡。你要仔細觀察喔！當我用嘴巴呼出的暖空氣吹肥皂泡泡時，泡泡會往下沉；但當我用氫氣吹泡泡時，結果就不一樣了。（法拉第用氫氣吹出泡泡，泡泡往上飛，一直飛到教室的屋頂。）

這樣你就看見了，氫氣是多麼地輕；它不只帶著泡泡往上飄，連附著在泡泡底端的肥皂水滴，也一塊兒被帶走了。我有更好的方式能表現這種氣體有多輕盈，就算是更大的泡泡，也會被氫氣往上帶；事實上，以前氣球裡填充的就是氫氣。安德森先生會幫忙把橡膠管固定在氫氣產生器，這樣我們就能把這股氫氣灌到火綿膠[17]做的氣球裡面。我並不需要過度仔細地將氣球內的空氣趕出來，因為灌進去的氫氣就足以讓氣球上升了。（有兩個氣球膨脹起來、往上飄，其中一個綁著線。）這裡還有個比較大的、皮比較薄的氣球，我們也會把它灌氫氣然後升空；你會發現，這些氣球將一直飄在空中，直到氫氣漏光為止。

那麼，氫氣的相對重量是多少呢？1公升的氫重量為0.09公克，1公升的水蒸氣重量為0.8公克。而水呢，1公升的水重量為1000公克。從這個比較你知道，1公升的水和1公升的氫氣，它們的重量差別非常大。

氫氣在燃燒中或燃燒後，都不會產生固體。氫氣燃燒時就只會產生水；如果我們把一個冷的玻璃杯蓋在氫焰上方，玻璃表面將變得潮濕，而且你馬上就會得到水。除了水（和蠟燭燃燒製造的水一樣）之外，氫氣燃燒沒有產生任何其它東西。你得把這個概念記起來，因為這很重要：自然界中唯有氫，其燃燒的唯一產物是水。

現在我們要盡力找出水的一般性質和組成；為了這個目的，我可能把你們留在課堂久一點，這樣下次見面時我們就對這個主題有較充足的準備。先前你看到了，我們有能力控制鋅，藉著酸使鋅和水產生反應；運用類似的控制，我們可以讓能量在我們需要的地方釋放出來。我背後有個伏打電堆，[18]在這堂講課結束前，我會演示它的特性和力量；這樣你或許猜得到，下次見面時我們要講甚麼？我手上抓著電線兩端，電線傳遞伏特電池的力量，我將用電池的力量讓水產生反應。

先前我們見識過鉀、鋅或鐵屑燃燒的力量，但其中沒有一個展現出這樣的能量。（演講者把電線兩端接上，隨即出現一道耀眼的光芒。）實際上產生這道光的能量，相當於40個鋅盤的作用。藉著這些電線，我可以隨心所欲地在手中傳遞這股能量；可如果使用不當，我會立刻被毀滅，因為這是極強的力量。在你數到五的時候（接觸電線兩端，演示電發出的光），它發出的能量就如同雷電的力量！這股力量就是這麼強。這樣或許能讓你知道這能量多麼強大：我能用這兩條傳送電池能量的電線，讓眼前這根鐵絲燒起來。這是種化學能量，在下次我們見面時，我會讓它和水反應，看看我們可以得到甚麼結果。

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）

譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

第四章　蠟燭中的氫變成水、水中的氧

 我發現你們還沒對蠟燭厭煩，否則你們就不會對我們現在研究的東西還如此感到興趣。蠟燭燃燒時，我們發現蠟燭燃燒製造的水就跟周遭的水一樣。對水更進一步地檢驗時，我們發現了奇妙的「氫」——我們的罐子裡就裝著這輕盈的物質。接著還見識到「氫」燃燒的力量，以及氫氣燃燒所製造的水。我也簡單地介紹了一個裝置，這個裝置使用化學的力量、或說能量；裝置上的電線為我們傳遞這股化學力量。我還談到，我會運用這股能量來分解水，看看水裡面，除了氫還有甚麼。你還記得，在水通過鐵管後，雖然我們製造了很多的氣體，我們不可能得到一樣重的水蒸氣。

n  通電析出溶液中的鉛或銅

現在我們要來看看水裡面另一個物質是甚麼？你將會了解這個裝置的特性和用途，就讓我們來做點實驗吧！首先，我把一些已知的物質放在一起，看看這個裝置如何影響它們。這裡有銅（觀察它可能經歷的變化），而這裡有硝酸；你將發現它是很強的化學試劑——當我把硝酸淋上銅的時候，將出現很強的反應。[19]現在放出美麗的紅色蒸氣，但我們其實不需要這種氣體，[20]安德森先生會在出煙口捂住蒸氣一會兒，這樣我們就可以在不被干擾的情況下來進行實驗。我把銅放進燒瓶，它溶解在液體中，使得酸和水變成藍色的液體。這液體裡面有銅以及其它東西，而且我打算讓你這種液體在伏特電池如何作用。同時，我會做另一個實驗，讓你曉得它擁有的能量。對我們而言，這是種像水的物質——也就是說它包含了我們還不知道的部分，就像水包含了我們不知道的物質。

現在我把醋酸鉛溶液倒到紙上並均勻塗開來，然後把電力加到它上面，觀察會發生甚麼事？說不定會出現幾件對我們有用的事情呢。我把這張被溶液浸濕的紙放到錫箔上；錫箔很好用，因為它能讓實驗桌保持乾淨，也有利於導電。而且啊，你看看，這劑溶液完全不受影響，無論是底下的錫箔或任何與之接觸的東西；因此，我們能放心地使用我們的裝置。首先呢，先來確認我們的裝置是否就定位了。電線就在這裡。讓我們檢查一下，看看它的狀態是不是和上次一樣。我們有辦法能夠很快地判別出來。當我把它們接在一塊兒時，沒有電流通過，因為電極尚未接通；現在安德森先生給我打了個信號（電線末端突然出現閃光），這表示電路通了。我請安德森先生暫時中斷電池的電路，然後我用鉑線連接電池的兩極；如果我能讓這一大段金屬線燒起來，我們就能安全地進行實驗。現在你將見識這股力量。（電路連接，鉑線變得又熱又紅。）電力美妙地流過金屬線，我刻意使用細的導線，好讓給你看到這強大的力量，我們將藉著這股電力來檢視水。

在我手上有兩片鉑，如果我把它們放在這張紙上（在錫箔上含醋酸鉛溶液的紙），不會起任何反應；當我把鉑再拿起來，一樣沒有反應。如果我把電池兩極的任何一端分別放在鉑片上，沒有發生任何事；它們各自分開沒有反應；如果我同時把兩極都接上鉑片，你看發生了什麼事！（在電池兩極底下分別出現了棕色的點）。[21]看看這動作造成的結果，觀察我如何從那白色的鉑片弄出棕色的東西。無疑地，如果我仔細計畫、安排，把接上錫箔的電極接觸紙——哈！在紙上有好棒的結果，我來看看能不能用這東西在紙上寫字——如果你想叫它「電」訊也可以，（演講者用電線的一端在紙上寫下「年輕人」。）[22]你看，我們得到的結果多麼漂亮。

從這個溶液中，我們得到一些原本不知道的東西。現在，讓我們從安德森先生手上把燒瓶拿過來，看看我們能從中取得什麼。在進行實驗時，我們也從銅和硝酸製造出這些液體。雖然我做實驗顯得有點趕、有點混亂，但是我還是比較喜歡讓你現場看到這是怎麼完成，而不是我自己預先做好的。

現在看看發生了什麼事。這兩塊鉑片便是裝置兩端的電極（或者我也能立刻製造出來）；我要把電極接觸溶液，就像我們剛剛在紙上做的那樣。無論溶液是抹在紙上或裝在玻璃罐裡，都沒有關係，只要電極和溶液有接觸就行。如果我單單把鉑片放入溶液，它們被拿出來的樣子就跟剛進去一樣——白白淨淨（在沒有連接電池時，把鉑片放入溶液）；但當我們通上電力（鉑片和電池連接，再次浸入溶液），你看看這個（演示其中一片鉑），它馬上變成銅了！就跟以前一樣。它變得像一片銅，可是另一邊的鉑（演示另一片鉑）還是乾乾淨淨的。如果我交換這兩片鉑的位置，銅會離開右邊、跑到左邊；現在附著銅的鉑片會變乾淨，而原本乾淨的鉑片則被附上一層銅。因此你曉得，我們溶入液體的銅可以利用這個裝置再取出來。

n  水電解後產生的氣體，以萊頓瓶通電後又變回水

先把溶液擱在旁邊，讓我們先來看看這個裝置（圖18）對水產生的影響。這裡有兩片鉑，我打算用來做為電池的兩極。（C）這個容器做成這種形狀，好讓我把裝置分解成各個部分，方便你觀察它的構造。我在（A）和（B）這兩個小杯子裡倒入汞，汞接觸連接鉑片的電線。往（C）容器倒入含有一點酸的溶液（放入含酸的溶液只是為了促進反應進行，反應過程中含酸溶液本身並不會發生變化），然後在（C）容器的頂端接一根玻璃彎管（D）——這根管子可能讓你想起上一堂課的實驗，那根穿過火爐的導管，像個鐵槍管；玻璃管彎（D）從下方進入罐子（F）。

圖18

現在我已經組裝好這個裝置，我們要用不同方式來讓水反應。上次我讓水通過燒得火紅的鐵管，現在我要讓電流通過容器裡面的溶液。水可能被煮滾，如果水真的滾了，我們就會得到水蒸氣；你也知道，水蒸氣遇冷會凝結——你已經曉得了這個道理，無論我是否把水煮滾。可是呢，水也可能不會被煮滾，而是出現其它的結果。你總要做實驗，而且要觀察才會知道。我在（A）和（B）這兩端分別接上電線，很快就會發現有沒有干擾產生？很好，水好像滾起來了，但它真的是「滾」了嗎？

讓我們來檢驗看看冒出來的氣體，這是不是水蒸氣？如果冒出來的東西是蒸氣，我想你很快就會看到（F）罐子內充滿了水蒸氣。但它真的是水蒸氣嗎？喔喔，這一定不是水蒸氣，你看見了，它沒有發生蒸氣該有的變化。它維持在水面上，所以不可能是水蒸氣；但這一定是某種氣體。這是甚麼呢？是氫嗎，或其它東西呢？就讓我們來檢查看看吧。如果是氫氣，那它就會燃燒（法拉第引燃部分蒐集到的氣體，氣體燃燒起來且發出爆炸聲）。

這絕對是可燃的氣體，但燃燒的方式不像氫氣，氫氣燃燒沒有這樣的雜音；但它進行燃燒時，火光的顏色和氫氣很像；不過，它能在不接觸空氣的狀態下燃燒。這就是為什麼我選用了另一個裝置，好指出來讓你看到：實驗中這個氣體的特殊之處。我用一個密閉的容器代換原本的開放容器（我們的電池如此活躍，不只讓水銀滾了起來，也使一切運作良好——沒錯，而且是活跳跳地好極了）；我將呈現給你看，這種氣體能在沒有空氣的狀態下燃燒，雖然不知道它是甚麼東西；它所進行的燃燒作用不同於蠟燭，蠟燭要有空氣才能燃燒。做這個實驗的方法如下：玻璃瓶（G）的兩旁接著可以運送電力的鉑線（I）和（K）。把玻璃瓶（G）接上幫浦，我們就可以把容器裡抽真空。抽完空氣之後把這組東西接在（F）罐子上，並把接口旋緊，讓剛才伏特電池作用產生的氣體——伏特電池與水作用產生的氣體，也就是水變成的氣體——進入容器（G）。[23]

我敢說，我們的氣體真的是從水變成的。我們不只改變了水的狀態，也確實把它變成了氣態的物質。我把剛才已經連接的（G）和（H），再接上另一個（H），同樣旋緊接口、把管道接好；當我打開活栓時（H H H），觀察（F）罐中的水面，我們看到氣體上升。現在我把活栓組關起來，因為氣體已經裝滿了容器，成功地把氣體送入（G）。我用萊頓瓶（L）[24]送進閃電，到時原本乾淨透明的容器，就會變得黯沉。可是呢，你並不會聽到爆炸聲，因為容器（G）很堅固，不會讓爆炸聲傳出來。（瓶中閃過一道火光，點燃爆炸性混合物。）你看到那耀眼的光芒了嗎？如果我再次把容器（G）接上罐子（F），然後打開活栓組，氣體也會再次上升。（打開活栓組。）那些氣體（指先前進入容器（G）的氣體，也就是剛剛被電力引燃而爆炸的氣體）消失了，就像你在這裡看到的，它們騰下空間，新的氣體就湧了進來。水就是從那些氣體形成的；如果重覆剛才的操作（再次進行剛才的實驗），從水上升的動作，我們得知容器內再次成為真空的狀態。在爆炸之後，容器內成為真空，因為我們電解水產生的氣體在火光下發生爆炸，然後變回水；你看到，上面的容器（F）裡面有涓滴水流沿著瓶身匯聚在瓶底。

剛才我們只討論水，沒有理會空氣的部分。蠟燭在空氣的幫助下才產生水；但在剛才的實驗中，水不需要空氣就可以被製造出來。因此水應該含有蠟燭從空氣中取得的物質，這種物質能和氫混合、製造出水來。

n  電解水的產物是二倍體積的氫氣和一倍體積的氧氣

你剛剛看到，電池的一端抓住了銅，從裝著藍色溶液的容器裡把銅取出來。這就是電線所造成的影響；我們真的能說，如果電池對於金屬溶液有這樣的力量，這不就表示：我們也可能分解出水的成分，然後把這些成分保存下來嗎？我要用這兩個電極，也就是電池的兩端來做實驗，看看這個裝置（圖19）裡的水會起怎樣的變化？在這個裝置裡，電線的兩端，A端和B端離得遠遠的。兩邊各有個小小的、鑽洞的層架，電池的兩極可以放在層架上。這樣的裝置分開兩邊通電後產生的氣體；好讓你看清楚，水在這裡不是變成了水蒸氣，而是純氣體。電線現在和裝水的容器恰到好處地完美連接，你看到泡泡冒上來；我們把這些泡泡蒐集起來，看看它們究竟是甚麼？我把玻璃圓筒（O）注滿水，蓋在電池的（A）端，另一邊（B）端也蓋上一個玻璃圓筒（H）。所以現在我們有一對裝置，兩邊都會產生氣體，兩個玻璃筒也都會被氣體充滿。開始囉！右邊（H）瓶內很快充滿了氣體，左邊的（O）瓶則比較慢；雖然有一些氣泡跑走了，但是反應仍然穩定地進行。而且啊，如果兩個瓶子一樣大，其中一瓶的氣體體積是另一瓶的兩倍。外觀上它們都一樣，都是無色的氣體，留在水面上方沒有發生凝結作用。我們可以做實驗來辨別這兩種氣體。我們得到不少的氣體，我們可以輕易地用實驗來檢查它們。我先來檢驗（H）罐內的東西，希望你準備好辨別出其實它就是氫。

圖19

回想一下氫的性質，它很輕，在倒過來的瓶子裡不會下沉而且逸散，在廣口瓶瓶口燒起來時有蒼白的火焰；現在來看看，這氣體是不是完全符合氫反應的狀況？如果這氣體是氫，當我把廣口瓶倒過來時，它還是會留在罐子裡。（點火，氫燃燒起來。）在另一個瓶子裡面的，是甚麼東西呢？你曉得了，這兩種東西混合後會形成一種爆炸性物質。我們發現這氣體是水的成分之一，也是讓氫燃燒的物質，但它究竟是甚麼呢？容器裡的水由兩種東西組成，我們發現其中之一是氫；那麼，在電解實驗前，水的另外一個成分、也就是我們現在得到的氣體，到底是甚麼呢？這種氣體本身不會燃燒，但會讓木屑燒起來。（演講者點燃木屑的尾端，投入裝著氣體的罐子。）你看，它如何激化木屑的燃燒，它讓木屑燒得比在空氣中還激烈。你看到它這個樣子，這氣體是水裡面的另外一種物質，我們也知道蠟燭燃燒產生水，那麼它一定是取自於空氣。它叫甚麼名字呢，A、B或C？我們叫它O，也就是「氧」（oxygen），這名字很好，也很響亮。這就是水裡的氧，氧佔了水的一大部分。

n  氧比氫重8倍，佔了水重量的8/9

現在我們漸漸明瞭我們的實驗和研究；在檢驗過這些結果之後，我們很快就會知道蠟燭如何在空氣中燃燒。當我們這樣分析水的時候——也就是說，從中分離或電解出水的成分時，我們得到兩倍體積的氫，以及一倍體積的氧，氧能讓氫燃燒。從這張表格我們可以發現，相較於氫，氧是很重的氣體。氧就是氫之外，水的另一個成分。

n  用氯酸鉀和氧化錳製造氧氣

介紹過如何把氧從水中分解出來之後，我最好現在就告訴你——這麼大量的氧是如何得到的。你馬上想像得到——氧存在空氣中；沒有氧的話，蠟燭能燃燒產生水嗎？絕對不會有這種事發生！就化學來講，蠟燭燃燒產生水的過程，不可能沒有氧的參與。我們能從空氣取出氧嗎？我們能從空氣中得到它，但過程既複雜且困難；不過我這裡有個好方法。這種物質稱為「黑色氧化錳」，是種很黑也很好用的礦物（圖20）；把它燒得火紅，就會產生氧氣。這個鐵罐裡裝著一些黑色氧化錳，罐子上接著一根鐵彎管。

圖20

這兒升好了一堆火，安德森先生會把鐵罐插入火中，這裝置是鐵做的，可以耐高溫。這是叫做「氯酸鉀」的鹽類，大量製造用於漂白、化學和醫藥，也用來做煙火或其它用途。把一些氯酸鉀和氧化錳混合（氧化銅或氧化鐵也都可以）後放入鐵瓶，不用等到它們燒成火紅，混合物就會釋放出充足的氧氣。[25]我並不打算製造出太多的氧氣，只要夠用就可以了。如果加熱太慢的話，最先產生的氣體會和原本就在鐵瓶內的氣體混合，被稀釋掉了。你會發現，普通酒精燈的熱就足以製造出足夠的氧氣。你看看，從那麼少量的混合物中冒出了這麼多的氣體。我們會檢驗並觀察這種氣體的性質。用這個方法製造出來的物質，就像電池實驗產生的氣體，透明、不溶於水，看起來就像周遭的空氣。這個瓶子內裝著空氣，混合實驗製造出來的氧氣。我們把第一批混合物捨棄，這樣我們才能得到穩定的實驗結果。在電解水實驗時，我們從水中得到氧氣，氧很能促進木頭、蠟或其它東西的燃燒，我們或許可以期待這些氣體也有相同的性質。

n  氧氣會助燃

我們來試試看吧！你看到蠟燭在空氣中燃燒，而蠟燭在我們製造出來的氣體中是這樣燃燒的（把蠟燭放低、放入充滿氣體的瓶子）（圖21）。你看，它燒起來又亮又美！你還可以進一步觀察：這是一種「重」的氣體；氫氣會像氣球般往上飄，假如沒有包覆氣體的載具，也就是氣球的話，氫氣甚至會上升得更快。雖然我們從水得到的氫，在體積上是氧的兩倍；但在重量上，氫並不是氧的兩倍，因為其中之一比較重，而另一者比較輕。我們有測量氣體或空氣重量的方法；但我不想離題，就讓我直接告訴你它們的重量。1公升的氫，重量約為0.09公克；而相同體積的氧，其重量卻有1.24公克，它們的重量差別非常大。所以，我們或許可以像用天平秤重一樣，論斤論兩的求得氣體的重量，你馬上就會看到了。

圖21

氧會助燃，我們就可以用助燃的特性來比較氧和空氣比較。我拿一段蠟燭簡單地做個簡單的實驗。這根蠟燭正在空氣中燃燒，它在氧氣中會是甚麼狀況呢？我把整瓶氧氣蓋在蠟燭上方，好讓你比較燭火在氧氣和空氣裡的反應。喔，看看這個！看起來就好像電池電極冒出來的火花。它的反應非常活潑，而且我們沒有製造出新的物質。當我們用這氣體取代空氣，一樣地會產生水，和蠟燭在空氣中燃燒的結果是一樣的。

現在我們得到了關於這種新物質的知識，我們更深入研究，讓我們對這個蠟燭產物有更完整的了解。這種物質支持燃燒作用的力量非常了不起。例如這個構造簡單的燈，是我們現在許多燈具的前身，像是燈塔、顯微照明等等。如果這個燈的目的是讓火燒得更亮，你可能會說：「如果蠟燭在氧氣中燃燒得更好，油燈不也會這樣嗎？」嗯，是這樣子沒錯。安德森先生從氧氣儲備庫接出一根管子，我把這管子放進不完全燃燒的火焰中（圖22）。氧氣進來了，你看火燒得好旺啊！但如果我停止氧氣進入，燈會變成怎樣呢？（氧氣氣流被阻斷，油燈回復原先黯淡的模樣）。

圖22

多麼神奇啊，我們用氧氣加速了燃燒。它不只影響氫氣、碳或蠟燭的燃燒，也加強所有東西的燃燒作用。我們用鐵來作例子，鐵在空氣中只會稍微燃燒。這裡有瓶氧氣和一小段鐵線，即使這條鐵線和我的手腕一樣粗，它的燃燒狀況也是一樣的。首先，我把一小塊木頭放上鐵線，然後把木頭點火，讓它們一起落入瓶中。現在木頭著火了，就是在氧氣裡應有的燃燒程度，接著火焰會迅速地傳到鐵。鐵線現在燒得亮晃晃的，而且會持續一段時間。只要我們提供氧氣，就能讓氧繼續燃燒，直到鐵消耗殆盡（圖23）。

圖23

現在把這放在一旁，來處理其它物質；因為時間有限，我們只能做有限的實驗。我們把一塊硫磺放入氧氣中，你會發現任何能在空氣中燃燒的，在氧氣裡會燒得更激烈；這讓你聯想到，空氣中協助物質燃燒的力量，應該是空氣中有氧的緣故。硫磺在氧氣裡靜靜地燃燒，但你可不要搞錯了，雖然它悶不吭聲地燒著，相對於在空氣中的燃燒，這個反應可是相當活躍的。

我現在給你看看另一種物質，磷的燃燒。磷是一種非常易燃的物質，如果它在空氣中就燒成這樣了，在氧裡面會怎樣呢？我不會讓磷完全燃燒，因為我如果那樣做，可能會使得裝置爆炸，甚至瓶子也可能破掉。你看看它在空氣中的燃燒狀態，再看看當我把它放入氧氣之後，它燃燒的光芒多麼燦爛（把點燃的磷放入氧氣瓶）！磷的固體粒子在氧氣中發生爆炸，使得燃燒作用變得相當明亮。

到目前為止，我們已經檢驗過氧氣，並測試氧的助燃能力。現在要多花一點時間在「氧」這裡，就像研究氫那樣。你曉得，對於從水分離出來的氫和氧，把它們混合並燃燒，會發生小小的爆炸。你也還記憶猶新，我在玻璃瓶內一同燃燒氧和氫的時候，雖然燒起來的火焰不太亮，但感覺起來卻相當熱。我要把氧和氫依照它們在水中的比例混合、燃燒；這個容器裡就裝著一體積單位的氧和兩體積單位的氫，這樣子混合的氣體就如同我們在電池實驗中得到的氣體。可是要一次把它們燒完，好像有點太多了；所以我用氫和氧的混合氣體來吹肥皂泡泡，然後燃燒這些泡泡，看看氧氣如何協助氫氣燃燒。首先來看看我們是否能吹個泡泡。喔，氣體跑出來了（氣體經過菸斗，灌入肥皂泡泡）。我有一個泡泡了。我用手接下這些泡泡，你可能會覺得我在這個實驗的舉動很奇怪，但這樣呈現可以讓你曉得：我們不能只依賴噪音和聲響，而要相信真正的事實。（法拉第以火引爆泡泡）。我不敢從菸斗尾端點燃泡泡，因為造成的爆炸會往上鑽入玻璃罐，把玻璃炸成碎片。你看的現象，以及耳朵聽到的聲音便是氧氣快速度和氫結合的過程，以及這個過程釋放出來的力量。

循著我們學習的脈絡，在認識水的過程中我們知道，水和氧氣及空氣都是有關係的。為什麼鉀可以分解水呢？因為鉀和水中的氧結合。當我把鉀放入水中，甚麼東西被釋放出來了呢？鉀丟入水中，鉀本身和氧結合，使得水釋放出氫，接著氫燃燒起來。這一小塊鉀分解水的同時帶走氧，因此從水中把氫釋放出來。[26]相對的，水在由蠟燭燃燒而來的過程中也從空氣獲得了氧。即使我把鉀放在冰塊上，氫和氧美妙的相互關係，也會因為鉀而燃燒起來。我們將鉀放在冰上，你看這激烈的反應。我演示這些，是為了擴展你對這些東西的認知，如此你或許能知道，環境可以怎樣大大地影響結果。

在示範了以上這些異常激烈的反應之後，下次我們見面時，我會讓你曉得，當我們在一般情況下進行燃燒時，不管是使用蠟燭，路邊的煤氣燈，或是壁爐等等，只要遵守大自然的規則，我們其實不太會遇到甚麼意外或具有危險性的事。

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle 

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）

譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

第五章　大氣中的氧和二氧化碳

我們可以從蠟燭燃燒產生的水製造出氫和氧。如你所知，氫氣來自蠟燭，而氧氣來自空氣。接下來你會問：「氧氣和空氣助燃蠟燭的力量有甚麼不同嗎？」如果你還記得，當把一瓶子的氧蓋上燃燒中的蠟燭時，蠟燭在氧氣下和空氣中的燃燒情形很不一樣。為甚麼會有這樣的不同呢？這是很重要的問題，我應該盡我所能地讓你了解；這問題和空氣的本質密切相關，而且是非常重要的。

除了單純地燃燒物質之外，我們還做了許多測試：你看過蠟燭在氧氣或空氣中燃燒，比較過磷在氧氣和空氣中的燃燒，也看過鐵屑在氧氣裡面燃燒。但除此之外，我們還要做其它檢驗，來討論剛才說到的一、兩種物質，好讓你的知識和經驗拓展得更遠。這邊有一桶氧氣。我將向你證明「氧」的存在：如果我把一星火苗放入氧氣，根據上次的實驗經驗，你知道會發生甚麼事，從火苗的變化能知道這裡面裝的是不是氧氣。是的！我們從燃燒反應證明了氧的存在。有個測試氧氣的方法，很實用、也很有趣。這裡有兩罐氣體，中間用一片薄板隔開兩者、避免混合；我把薄板抽走後，氣體就從一罐鑽進另一罐。發生了甚麼事呢？它們混合產生的燃燒，和蠟燭實驗不同。但是你仔細觀察，藉著氧氣和另一種物質的關係，可以證明氧氣的存在。這個方法讓我們得到了很漂亮的紅色氣體，告訴我們氧氣確實存在！[27]

n 空氣中除了氧氣，還有氮氣

同理，我們可以混合一般的空氣和這種測試氣體來檢驗氧氣的存在。這裡有一瓶空氣，旁邊這瓶則裝著測試氣體。我讓它們經過水進行混合，你會看到，測試氣體流入裝著空氣的瓶子；然後你也發現，我得到了跟剛才實驗一樣的結果。這種現象表示空氣中存在氧氣，和我們從蠟燭製造的水電解出來的物質一模一樣。更進一步，你問我：為甚麼蠟燭在空氣中的燃燒不如在氧氣中激烈呢？我們馬上就要進入這個問題。我手上有兩個玻璃瓶，裡面裝的氣體一樣多；其中一個瓶子裝的是氧氣，另一個瓶子裡裝的是空氣。我們要用這瓶測試氣體來檢驗氧和空氣，看看它們與測試氣體混合後，從無色變成紅色的情形有何不同？現在我讓測試氣體進入第一個瓶子，仔細觀察會發生甚麼事：氣體逐漸變紅了，你看看，表示這裡面含有氧氣。現在來測試另一個瓶子裡的氣體；氣體混合後不像前面紅得那麼明顯。如果我把這兩瓶氣體分別和水混合、搖一搖，紅色氣體會被水吸收；我也可以持續這個過程，只要裡面還有能讓顏色變紅的氧氣。如果我繼續這樣做，放入越來越多的測試氣體，到了某個程度，瓶子裡氣體的顏色就不再變紅了，雖然測試氣體會使得空氣和氧氣變紅。為甚麼會這樣呢？因為空氣中除了氧氣之外還有其它東西。我再放一點空氣進入玻璃瓶，如果瓶內的氣體轉紅，就證明測試氣體仍然存在；還有，被留下來的其它東西並不與測試氣體作用。

現在，你即將了解我要說的。當我燃燒瓶中的磷，磷和空氣中的氧所產生的煙凝結下來，留下一堆未燃燒的氣體；就像那紅色的氣體，也留下某些東西原封不動。事實上，留下來的氣體並不和磷作用，也不和測試氣體發生變化，這些氣體不是氧氣，但卻是空氣的一部分。

所以，這個方法將空氣分為兩種組成成分，我們發現空氣包含了兩種氣體，一是氧氣，協助蠟燭、磷和其它東西燃燒；另一種則是氮氣，不會讓上述東西燃燒。空氣中有一大部分是氮氣，當我們對它進行檢驗時，會發現它是種令人好奇的氣體；「氮」真的是個相當、相當奇怪的東西，但你也可以說，它真的不怎麼有趣。

就某些方面而言，氮氣的確不好玩，因為它不會造成光彩奪目的燃燒效果。如果我同樣用小蠟燭來測試氮氣，就像前面氧氣和氫氣的實驗；小蠟燭在氮氣裡燃燒，不像在氫裡面那麼熱，也不像在氧裡面那麼亮。不管我如何嘗試，它並不著火、也不會讓小蠟燭燒起來，反而熄滅所有燃燒的東西。在一般環境下燃燒的東西，沒有一樣能在氮氣中燃燒。它沒有味道、沒有酸味、不溶於水，既非酸性、亦非鹼性，完全與我們的感官隔絕，好像不是個「東西」該有的樣子。你可能會說：「它甚麼都不是。在化學上也沒得注意的地方。那它在空氣裡做甚麼？」啊，我們要更細心地研究，才能漂亮地彰顯它的性質，對它有所認識。

n  大氣中的氮氣使得燃燒不致過度激烈

想像一下，如果大氣中的氮全部被純氧取代的話，會發生甚麼事呢？你很清楚，在氧氣瓶中點燃一小塊鐵之後，它會持續燃燒，直到完全燒盡。冬天，家裡壁爐的鐵柵欄內總是燒著火，如果大氣中只有氧，鐵柵欄會怎樣呢？鐵柵欄會燒得比煤炭更猛烈，因為鐵柵欄本身就是比煤炭更易燃的物質。假如大氣中只有氧，在蒸汽火車頭的中央生火，就會像是在燃料上生火一樣。空氣中的氮可以減低物質的燃燒程度，讓燃燒作用變得溫和，這樣子是對人類有益的。除此之外，氮也帶走蠟燭燃燒產生的煙，使之分散在整個大氣中；它們被帶到一些地方，這些物質維持植物的生長，對人類有相當大的益處，這是氮很重要的貢獻。雖然氮就化學反應而言，你會說：「它真的是個很不合作的東西。」氮平常是種不具活性的元素，除非施加極強的電力，氮不會直接和空氣中的元素或其它分子結合，基本上它真的是完全地惰性，換句話說，它很安全。

不過，在我講到最後的結論之前，我必須告訴你大氣的事。這張表列出了空氣的成分百分比： 

這是氧和氮在大氣中的量，是根據我們對空氣的成分實際分析而得的結果。據此結果，5公升的大氣中有4公升的氮，其中氧只占了1公升。空氣中這麼大量的氮，減少了氧的含量，所以蠟燭可以穩定地燃燒，不過大氣中的氧濃度也恰好讓我們的肺可以健康、安全地呼吸。由此可知，氮是何等地重要。

現在，讓我來告訴你大氣中氣體的重量，1公升的氮重1.19公克。氧就比較重了，1公升的氧重1.24公克。1公升的空氣重1.22公克。[28]

n  測量氣體的重量

我們如何測量氣體的重量呢？讓我來演示給你看，這很簡單。這裡有個天平和一個銅瓶。這個銅瓶盡可能地做得很薄很輕，它也被車床磨得很圓，完全密不透氣，上面還有個可以開關的活栓。現在活栓是開的，因此瓶子充滿了空氣。我這裡有個調整好的天平，讓銅瓶和天秤的另一端恰好平衡。我們可以用這個幫浦把空氣打進瓶子（圖24），把幫浦打氣的次數當作體積單位（打進20個單位的空氣）。我們關閉瓶子，然後放上天平稱重。你看，天平搖晃起來，重量比先前重了。為甚麼呢？這是因為打進去的氣體使它變重了。瓶子裡並沒有裝進更多體積的空氣，而是同樣體積但更重的氣體。現在，你對這種氣體的重量大約有點兒概念了。

圖24

這是個裝滿水的玻璃罐，我們把銅瓶打開，接上水罐，讓氣體回復原本的狀態（圖25）。我將銅瓶和水罐栓牢，然後轉開龍頭，你就會看到我壓進銅瓶的20個單位的空氣。為了確認我們動作是否正確，可以再次把銅瓶放上天平，如果它和原本的重量平衡了，就能確定實驗過程是正確的。你看，它平衡了！所以我們知道打進去的氣體其體積和重量。由此，我們可以確定一公升的空氣重1.22公克。這個小小的實驗，無疑地會在你心中留下明確的證據。很有趣的是，當大量體積的空氣累積起來時，空氣重量的改變。這樣的空氣放在上面那個、我刻意準備的盒子裡，會有多重呢？這個盒子裡的空氣，足足有半公斤重！我也算了一下這間房子空氣的總重量，你一定很難想像，房間內空氣的總重量，超過了一噸！空氣的重量隨著體積的增加而迅速上升。空氣（包括所含的氧氣和氮氣）的存在至為重要；它往來運送氣體，將氣體帶往各處，把有害的氣體帶到它有用的地方，不讓它對人類造成傷害。

圖25

n  氣體的壓力

稍微說明了空氣的重量之後，讓我告訴你其它必然的結果，知道這些之後，你才能更深入的瞭解氣體。你以前是不是見過這個實驗呢？拿一個和剛才差不多、用來打壓氣體的幫浦，我把它裝置成這樣，好讓手可以放上去。現在，我的手在空氣中自由活動，好像旁邊沒有任何東西；我的手快速移動，不覺得周圍有任何阻礙（圖26）。如果我把手放在幫浦承接筒[29]上面，接著把幫浦承接筒抽真空，你看看發生了甚麼事。為什麼我的手被吸住了？為什麼我可以拖著幫浦跑？為甚麼會這樣呢？這些都是空氣的重量造成的，手上面的空氣有重量，重重壓住我的手。

圖26

對於這些問題，我還要再做另一個實驗，以提供更多樣的解釋。我把一個囊袋套在幫浦承接筒上，幫浦囊袋底下抽出空氣，囊袋變形：現在，袋子頂部還相當平坦，我在幫浦上做個小動作，你瞧仔細了，看接下來會怎樣，看看袋子怎樣往內縮。你看到囊袋一直往內縮、縮、縮，它被拉進去、被空氣壓入，直到……破掉（最後，袋子破掉了，發出爆破聲）。它是因為空氣壓迫而破掉的，這很容易理解：空氣中的粒子一個疊上一個起來，就像這五個立方體（圖27）。

圖27

上面這四個方塊都站在最底下那個立方體的上面，如果我拿走底部的立方體，其它四個就會倒下來；上面的氣體仰賴底下氣體的支撐，[30]當空氣從底下被抽走，就會發生剛才的狀況，我的手被幫浦吸住，囊袋向內收縮。接下來你看，我在幫浦承接筒上覆蓋一小片橡膠，[31]然後抽出筒內的空氣。如果你仔細觀察那片橡膠，當作上面和下面空氣的隔膜，當我抽動幫浦，你就能看見壓力的表現。看好接下來發生的事：我的手居然可以放進筒子，這個結果得歸功於空氣強大的作用力。這個實驗漂亮地展現出我們生活的神奇世界！

在今天演講結束時，你可以來拉拉看這個東西。這個球形裝置由兩個銅製的中空半球體組成，利用半圓上的管子和活栓可以把圓球的內部抽成真空。當圓球裡面有空氣時，我們可以很容易地把它們分開；但當內部被抽成真空後，就算是你們年輕力壯的小夥子，一人拉一邊，也無法把它分開。當內部的空氣被抽光後，球體表面每一平方公分承受了大約1.05公斤左右的重量。你馬上就能來試試身手，看你能不能勝過空氣的壓力。[32]

這裡還有一個有趣的東西：科學家改良過的小朋友玩的吸盤。年輕人當然應該玩玩具，從中進行科學思考，這就是所謂的「玩科學」。我把橡膠吸盤輕拍在桌上，它馬上就黏住了。為甚麼吸盤會牢牢地黏在桌面呢？我還是可以滑動它，但如果想要拉起來，會發現好像也會拉動桌子。我可以把它貼在桌面上移動，但是我得把它滑到桌邊，才能夠把它拉起來。吸盤是被空氣的壓力壓在桌上的。我手上有兩個吸盤，如果你把它們面對面壓在一起，會發現兩個吸盤吸得多緊。事實上，東西的特性決定我們如何使用它們，把它們貼在窗戶或牆壁上，大概能黏上一個晚上，我們還可以在上面掛東西。接下來是個很好的，可以用來說明空氣壓力的實驗，你們在家裡也能做。桌上有一杯水，如果我要求你不用手捂住杯口，只運用空氣的壓力，你能把水杯上下顛倒過來，而不讓水溢出來嗎？拿個玻璃酒杯過來，裡面的水有沒有裝滿都沒關係，在杯口放上一張平整的撲克牌，把酒杯倒過來；你看，撲克牌和水發生了甚麼事！因為水在杯緣有毛細吸引作用，空氣被水阻隔在外，進不去杯子裡面。

如果我告訴你，那個盒子裡裝著一磅的空氣，而這房間裡有一噸以上的空氣時，你就知道空氣實在不容小覷；這樣的說明能給你一個正確的，或許可以稱為「空氣的實體物質性」的概念。我打算演示另一個實驗來證明空氣的反作用力。這個實驗很簡單，我們可以用鵝毛管或類似的細管子來做；我切下一小片蘋果或馬鈴薯，把這一小塊馬鈴薯塊塞在管子上；塞緊後，再將另一塊塞在管子的另外一端，好完全把空氣封在管子裡。現在無論我使多大的力氣，也無法讓後面這塊水果靠近前面那顆，這是不可能的。我可以把管內的空氣擠壓到某種程度，但只要持續地擠壓空氣，在後面的馬鈴薯塊碰到前面那塊之前，被限制在管內的空氣就會把前端的水果塊擠出去，好像火藥發射子彈那樣。事實上，火藥在某種程度上也是靠這個作用而發射的。

前幾天，我看到一個很棒的實驗，適合用來解釋我們討論的事。實驗開始前我應該閉嘴個4~5分鐘，因為這實驗要靠我的肺才會成功。只要適當地操作空氣，藉著我呼吸的力量，我希望能把雞蛋從這個杯子弄進另一個杯子；喔，我並不保證實驗成功，因為我已經講了太多的話，可能會影響實驗。（法拉第成功地把蛋從原來的蛋杯吹到另一個）。我往蛋和蛋杯之間的縫隙吹氣，在蛋的底下製造出一道疾風，因此可以提起重的東西；對空氣來說，一顆完整飽滿的蛋可算是重的了。如果你想要做這個實驗，最好先把蛋煮熟，然後你就能穩當地把蛋從原來的杯子吹到另一個。

我花了很多時間在探討空氣的重量，但現在我還要提出另一個課題。回顧一下空氣槍的實驗，在前端的馬鈴薯移動之前，我可以把後面那顆馬鈴薯塊移動個1~2公分；這歸功於空氣伸縮性的幫忙，就像我能用幫浦把空氣打入銅瓶一樣。因為空氣有這種奇妙的性質，也就是「伸縮性」，我才能把空氣打入銅瓶、讓塞住的馬鈴薯塊在另一塊尚未移動前，先移動個1公分。現在我來演示空氣的伸縮性。這裡有個囊袋，表面的薄膜能把空氣關在袋子裡；它也能收縮、延展，好讓我們了解空氣的伸縮性。我從囊袋外的瓶子抽出空氣；當外在壓力減小，囊袋會不斷擴張、越脹越大，直到塞滿整個外罩的鐘型瓶。膨脹的過程，就如同我們直接往囊袋裡加壓時所看到的一樣。這實驗告訴我們有關空氣的特性：伸縮性（elasticity）、可壓縮性（compressibility）、延展性（expansibility），這些性質關鍵地影響了空氣的用途，也關係到大自然造物的實用性。

現在我們轉向另一個重點。我想你還記得，我們檢查過蠟燭的燃燒，發現蠟燭燃燒產生很多東西：有灰燼、水，還有一些沒檢驗到的東西。我們蒐集到水，但讓某些物質逸失到空氣中。現在，就讓我們來檢驗這些逸散的產物。

n  蠟燭燃燒的另一個產物是二氧化碳

接著將藉著這個實驗來幫助我們了解。這枝蠟燭雖然被蓋上煙囪（圖28），但可以持續燃燒，因為上面和下面都有開口讓空氣流通。首先會出現水蒸氣，這你早就知道了。蠟燭燃燒會製造水，是因為空氣和蠟燭中的氫在作用。但除此之外，還有東西從頂端的開口跑出來：它不是水氣，也不會凝結；而且，它的性質很特別。你發現，從上面煙囪冒出來的氣流幾乎要熄滅我手上的火苗；如果我把火苗放在出煙口的位置，火苗就會被熄滅。你或許會說：「本來就是這樣。」我想你會這樣認為，是因為氮氣不助燃，蠟燭在氮氣中無法燃燒，所以在這邊也會使火苗熄滅。但冒出來的氣體中，只有氮氣嗎？我現在必須先說出我們將採用的方法，讓你能檢視及確認氣體中的東西。我把空瓶蓋在煙囪上面蒐集氣體，讓底下蠟燭燃燒產生的氣體進入上面的瓶子；一會兒我們就會發現，瓶子裡面的氣體並不只會讓火苗熄滅，它還有別的特性。

圖28

我把水，普通的水就可以，倒在少量的生石灰上，[33]攪拌一下；接著把溶液倒進有放濾紙的漏斗，使之落入底下的瓶子，這樣就得到了澄清的石灰水。另一支瓶子裡有很多澄清石灰水，但我還是要用剛製造出來的石灰水，好讓你曉得它的用途。我把這些美麗的澄清石灰水倒進蒐集氣體的瓶子，裡面裝的是蠟燭燃燒產生的氣體，你將看見變化發生。喔，你有看到嗎？水變得相當混濁，像牛奶一樣。[34]你仔細觀察，石灰水和空氣混合不會發生同樣的事。這個瓶子裡也裝滿了空氣；可是石灰水和氧氣、氮氣或空氣的其它成分混合，都部會發生任何變化，石灰水還是相當地澄清透明。就算搖一搖溶液、試著混合，一般狀態下的空氣和石灰水還是不發生任何變化。但只要讓石灰水和蠟燭燃燒的產物接觸，短時間內澄清石灰水就會變混濁。

白堊[35]除了含有我們剛剛調石灰水所用的石灰，還混合了一些來自蠟燭的東西，另一種蠟燭燃燒的產物，這就是我們在尋找的，今天要告訴你們的東西。藉著反應作用，我們「看見」了這種物質；石灰水並不和氧氣、氮氣或水本身發生反應，而是和蠟燭燃燒、某種未知的產物反應。然後，我們也發現，石灰水和蠟燭燃燒氣體產生的白色粉末，看起來就像塗牆壁的塗料或白堊；[36]經過進一步地檢查，證明它確實和灰泥或白堊是一樣的物質。因此，我們循此脈絡，觀察實驗的各種狀況，回溯白堊的產生，會對蠟燭燃燒的性質有更深的了解，你會發現，這種從蠟燭產生的物質，和鐵罐散逸出來的東西相同。如果我把白堊和水放進鐵罐，並把鐵罐燒得火紅；從鐵罐裡冒出來的東西，跟蠟燭燃燒的產物一模一樣。

我們有更好的方法來大量取得這種物質，好用來研究它的一般性質。它本身就有許多值得觀察的現象。這種物質，在許多你想不到的地方藏量豐富。石灰岩含有大量從蠟燭而來的氣體，我們稱之為二氧化碳。[37]在白堊、貝殼和珊瑚裡，就能找到這奇特的氣體，而且為數不少。這種氣體固著在石頭裡面，因此布萊克博士稱之為「固定的氣體」，[38]他在大理石、白堊之類的固體發現這東西，因為它失去了空氣的性質，以固體狀態存在，他便稱之為「固體氣」。我們從大理石可以輕易地得到這種氣體。

如果我把一根小火燭放入裝著鹽酸的瓶子，從蠟燭我們便能得知空氣的存在情形。你瞧瞧，瓶子裡充滿純淨的空氣。接著我們把幾塊美麗、優質的大理石放進瓶子，瓶內液體明顯地沸騰起來。[39]可是呢，冒出來的並不是水蒸氣，而是某種氣體。現在，如果我用小火燭來測試這種氣體，得到的結果和前面的實驗一樣。就像之前我把小火燭放在蠟燭上方的煙囪口，直接面對蠟燭燃燒飄出來的氣體，結果一致。兩者是一模一樣的作用，造成結果的物質也和蠟燭燃燒的產物一樣。運用這個方法，我們就能得到份量頗豐的二氧化碳；這個瓶子已經快要裝滿了。

我們還發現，這種氣體不只存在大理石裡面。容器裡有些洗過的白堊，因為被水洗過、而去除了較粗的顆粒，適合用來當白色塗料，這個罐子裡就裝著水和這種白色塗料。我這兒還有一些強硫酸，但是在進行石灰岩和硫酸反應的實驗時，會產生不可溶解的物質；加入鹽酸會產生可溶解物質，而不會使溶液的濃度增加太多。你現在知道為什麼我要用這個裝置來重複這個實驗。雖然我的演示使用的量很大，你在家裡可以用少一點的量來重複這些實驗。這一大瓶二氧化碳，和我們在空氣中燃燒蠟燭得到的空氣具有一樣的性質；雖然和先前製造二氧化碳的兩種方式相差甚遠，但當我們接近研究的尾聲時，會發現結果原來是一樣的，正可謂「殊途同歸」。

現在我要對這種氣體進行下一個實驗。這裡有個裝滿二氧化碳的容器，我們採用對許多其它氣體也用過的方式，燃燒，來測試。你看到它既不可燃，也不助燃；也不會大量地溶於水，因為我們能輕易地從水面上蒐集到這種氣體。二氧化碳和石灰水接觸會變成白色，二者之間起了化學作用；而當液體變白時，表示它變成了石灰或石灰石中的碳酸鹽的成分。

n  二氧化碳微溶於水，且比大氣中的氣體重

接著我要證明給你看，這種氣體還是能夠稍微溶解到水裡；因此就這方面而言，它不同於氫和氧。我手上有個器材，可以製造出這樣的溶液。器材底部裝的是大理石和酸，上方裝著冷水。其上特別設計的活閥，讓氣體能從這邊流向另一邊。現在就讓它開始運作吧：氣體從滾水中升起，好像它已經滾一整晚了；你會發現，我們使這種物質溶在水裡了。如果我用玻璃杯從裡面舀些水出來，這些水嚐起來有點酸，因為裡面被注入了二氧化碳；[40]如果我現在倒石灰水進去，便能檢驗出裡面二氧化碳氣體存在。這些水，會使澄清石灰水變白、變混濁，因此證明了二氧化碳的存在。

這是種相當重的氣體，比空氣還重。我將它的相對重量放在表的下方，和先前我們研究過的氣體放在一起比較。每公升的氣體之重量為：

一公升的二氧化碳重1.86公克，[41]你可以從實驗中看出這氣體的重量的確不輕。一個玻璃杯中除了空氣沒有別的，另一個玻璃杯則裝著二氧化碳（圖29）；我想把二氧化碳倒入玻璃杯中，但不知道有沒有成功倒進去。從外觀無法得知，但這樣（放入小火燭）我就能知道了。你看看，它就在這裡頭；如果我用石灰水測試，也會得到肯定的結果。我把這個小桶子放入「二氧化碳井」[42]中，事實上我們周圍真的常常有二氧化碳井，如果井中的確有二氧化碳，那我的小桶就會撈到，讓我們用小火燭來測試吧。在這裡，你看！裡面充滿了二氧化碳。

圖29

我們來做另一個實驗，好讓你感受二氧化碳的重量。天秤（圖30）的一端掛著一個玻璃罐，並且處於平衡的狀態；但當我把二氧化碳倒入裝空氣的罐子，它馬上因為倒入的二氧化碳而傾斜。現在，如果把點燃的蠟燭伸入罐子來檢驗，蠟燭無法燃燒，表示真的有二氧化碳進入罐子。如果我吹一個肥皂泡泡，泡泡落入二氧化碳的罐子時，它會飄浮在半空中。先把一個小氣球灌飽空氣。我不太確定二氧化碳在哪裡，我們只能試試深度，看看泡泡會落在哪個高度。你看見了，小氣球飄在二氧化碳上；如果我釋放更多二氧化碳，小氣球會被抬得更高。你看！二氧化碳幾乎要充滿罐子了，現在我來吹個肥皂泡泡，看看它是不是會跟剛剛一樣飄著。（法拉第吹了個肥皂泡泡，使它落入裝滿二氧化碳的罐子，泡泡飄在半空中。）它像小氣球一樣飄起來，因為二氧化碳比空氣重。到現在為止，講了你們這麼多二氧化碳的事：說到它和蠟燭的關係、它的物理性質及重量；下次我們見面時，我會讓你曉得，二氧化碳是由甚麼組成的？以及，它的元素是從哪裡來的？

圖30 

蠟燭的化學史

The Chemical History of a Candle

作者：Michael Faraday（麥可‧法拉第）

譯者：胡景瀚*、林奕秀

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

第六章　呼吸作用與蠟燭燃燒之類比

各位來到皇家有位聽眾送我兩支日本來的蠟燭，這些蠟燭是用之前上課提到的物質做成的。你看，這兩支日本蠟燭比法國蠟燭更精緻，從外觀看來是高檔的奢侈品。古怪的是，它們是空心蠟燭。亞干先生就是利用這種特殊的方法，創造出實用的油燈。這些來自東方的禮物，其材質隨著時間變化，表面漸漸失去光彩，黯然失色。但只要用一塊乾淨的布或絲質手帕，磨擦蠟燭表面，便能打亮上面裝飾的小皺摺和花紋，輕易地恢復它們原有的美麗色彩。這裡有兩根蠟燭，我擦亮其中一支，另一支留著不擦，你就能清楚看到兩者的差別；但只要同樣地磨擦，另一支也可以恢復漂亮的樣子。仔細觀察，日本的鑄模蠟燭比我們這邊的蠟燭更接近圓錐形。

上次演講我談到很多關於二氧化碳的事。我們從石灰水實驗中發現，當蠟燭或油燈上的蒸氣落入裝著石灰水的瓶子，澄清石灰水（我已經說明過調配的方式，你可以試著做做看）會變成白色混濁，那就是石灰質，存在於貝殼、珊瑚，以及地球上的各種岩石和礦物之中。但是我還沒完全告訴你二氧化碳的化學性質呢！讓我們一塊兒來研究這個主題吧。

我們曾經檢查過蠟燭燃燒所釋放的水，並分析其中所含的元素；現在讓我們來看看蠟燭燃燒產生的二氧化碳，它的元素是從哪裡來的？其實只要幾個實驗，我們就可以讓這些元素現形。我想你還記得，當蠟燭燃燒不完全時，會產生黑煙；但如果燃燒順利，就不會有煙產生。蠟燭的亮度由點燃的煙霧所決定。有個實驗可以證明這點：只要煙在燭焰中被點燃，它就會放出美麗的光芒，也不會產生黑色微粒。現在我要來製造出強烈的火焰。我在海綿上沾一點松節油。你看見煙霧大量升起、飄散到空氣中。記好了，從蠟燭得到的二氧化碳，就是來自這種煙。

n  二氧化碳中含有碳和氧

為了讓你看清楚，我會把燃燒松節油的海綿丟入充滿氧氣的燒瓶，現在，煙霧完全被消耗掉了。這是我們實驗的第一部分，接下來呢？松節油燃燒，進而產生碳粒飛散在空中，這些碳粒在氧氣中被完全燃燒掉；藉著這個簡單的實驗，我們得到的結果和蠟燭燃燒一樣。在氧或空氣中燃燒的碳，以「二氧化碳」的形態出現；而那些不完全燃燒的粒子，告訴我們二氧化碳中的第二種物質：「碳」。空氣充足時，「碳」會使火焰明亮；但當氧的份量不足以燃燒「碳」時，碳就被大量地拋出來。

接下來我要演示碳和氧結合為二氧化碳，你現在對這個過程比之前更為了解。這個廣口瓶裡裝著氧氣，坩鍋中加進了碳並且被加熱到火紅。我讓廣口瓶保持乾燥，為了讓燃燒看起來更加明亮。我要讓碳和氧作用。你會看到碳粒（磨成粉的普通木炭）與氧在空氣中燃燒（從坩鍋弄出燒紅的碳粒）。現在我讓碳在氧氣中燃燒，仔細觀察它們的特別之處。從遠處看來燃燒好像有火焰，但其實沒有。每一顆碳粒燒起來放出亮光，就像顆小火星；當碳粒以此方式進行燃燒作用，就製造出二氧化碳。我尤其希望這些實驗能指出待會兒要加強說明的部分，碳粒是這樣燃燒的，而非以火焰的形式燃燒。

與其燃燒碳粒，不如用大塊一點的東西，讓你看清楚外形和尺寸，而且更能明確地追蹤效果。這兒有一個裝滿氧氣的廣口瓶，還有綁著一小塊木頭的木炭，我燃燒木頭以點燃木炭、開始燃燒作用。你現在看見木炭燃燒，但沒有火焰（如果真的有火焰，也是很小的，因為緊鄰著碳的表面形成了氧化碳）。你看到木炭繼續燃燒，碳或木炭（這兩個名詞意思一樣）與氧結合，慢慢製造出二氧化碳。我手上還有一片木炭、一塊樹皮，燃燒時會被吹爆成碎片。因為「熱」的影響，一大塊的碳被縮小為會飛散的碳粒子；每個小粒子和一大塊碳一樣，以這種獨特的方式燃燒，它就像碳那樣，燃燒時沒有火焰。你觀察到很多進行中的燃燒作用，但都不是火焰。這個實驗呈現的是：碳燃燒時會出現閃光和火星。

二氧化碳由組成元素一次形成，如果我們用石灰水檢驗，你會發現裡面的物質和我之前描述得一樣。把6等份重的碳（不論碳來自燭焰或木炭粉）和16等份的氧放在一起，就會得到22等份的二氧化碳；當22等份的二氧化碳和28等份的石灰結合，會生成一般的石灰碳酸鹽。如果你檢驗牡蠣殼並磅秤組成成分的重量，會發現：每50等份的重量中，含6等份的碳、16等份的氧，以及28等份的石灰。然而，我並不想讓這些細瑣的數字造成你的困擾，這不過是物質的一般原理。我們還要再進一步地研究，觀察碳如何逐漸消失（指向在氧氣瓶裡靜靜燃燒的木炭）。你可以說：實際上木炭就消散在周圍的空氣中。如果那是純粹的碳，我們其實可以輕易製備，也不會留下殘餘。如果使用的是完全純淨的碳，的確不會產生灰燼。碳在緻密的固體狀態下進行燃燒，單單「熱」本身並無法改變固體的性質，碳則消散為氣體，而且在一般環境下這氣體不會凝固為固體、或凝結為液體；可是呢，更令人驚奇的是，氧沒有因為結合了碳而改變體積，二氧化碳的體積和原來氧的體積相同。[43]

在完全了解二氧化碳的性質之前，我還要再演示一個實驗。二氧化碳這種化合物由碳和氧組成，我們可以將它分解為組成元素。就像水的分離，我們也可以將二氧化碳分開成兩個部分。分開二氧化碳最簡單、便捷的方法就是，運用某種物質吸引氧，但是留下碳。你回想一下，我曾經把鉀丟入水中或放上冰塊，鉀就可以把氧從氫分離出來。現在我們也要對二氧化碳做類似的事。你曉得二氧化碳是種「重」的氣體：我不打算用石灰水來進行檢驗，因為它會干擾接下來的實驗；我想，氣體的重量和熄滅火焰的能力，就足驗證二氧化碳了。我把燃燒中的火焰接近二氧化碳，你看火焰是否會被熄滅。你看到亮光變得黯淡。雖然含磷物質燃燒起來相當劇烈，但事實上二氧化碳可以撲滅燃燒的磷。這塊磷被加熱到高溫，我把它丟入二氧化碳氣體，它原本的亮光就黯淡下來了，但回到空氣中它又再次起火燃燒。我手上的鉀在常溫下就會和二氧化碳有所作用，但因為鉀會很快地覆上一層保護膜；我們可以像是做磷的實驗那樣，把鉀加熱到它在空氣中的燃點，它就可以在二氧化碳裡燃燒，把氧氣帶走，然後會看到剩下來的東西。

我要在二氧化碳氣體中燃燒鉀，證明氣體中含有氧。（一加熱鉀就爆炸了）。有時候我們會拿到難搞的鉀，燃燒時會爆炸或發生類似的狀況。我再拿一片鉀，加熱後丟入裝著二氧化碳的罐子，你發現它會在二氧化碳氣體裡燃燒，燃燒情形不如空氣中好，因為二氧化碳含的是已經化合了的氧氣；但它的確在燃燒，並帶走氧氣。如果我現在把鉀放入水，你會發現在碳酸鉀的旁邊產生了一些碳。我在這裡做的實驗非常粗糙，但我能保證，如果我要仔細地進行實驗，花上一天的時間、而非五分鐘，我能在湯匙上或鉀燃燒的地方，留下足夠的碳；這樣的結論就不會引發任何質疑。這就是從二氧化碳得到的碳，普通的黑色物質。由此可知，以上實驗提供了完整的證據，二氧化碳是由碳和氧所組成的。現在我能告訴你：碳只要在一般的環境下燃燒，都會產生二氧化碳。

如果我將一塊木頭放入裝著石灰水的瓶子。無論我如何搖晃這個瓶子，它都保持在澄清的狀態；可是，如果我在瓶子內燃燒這塊木頭呢？你當然曉得，燃燒會得到水。可是我有得到二氧化碳嗎？你看，碳酸鈣和二氧化碳中的碳，都來自於木頭、蠟燭或其它東西。事實上，你自己就常常在做一個很棒的實驗，證明碳存在木頭裡。當你燃燒木頭的時候，不要完全燃燒，將火吹熄，你就看到碳了。

但是有些碳無法用這種方式顯現出來，例如蠟燭，雖然它的確含有碳。這裡有一瓶煤氣，會產生大量的二氧化碳氣體；你現在沒看到碳，但我們能馬上讓它現形。我將點燃煤氣，只要筒子裡有煤氣，就會持續燃燒。你還是沒看到碳，但有看見火焰；因為火焰是明亮的，這會讓你猜到火焰裡有碳。但我還要進行另一個操作。另一個筒子裡也裝著同樣的煤氣，裡面還混有另一種物質，這種物質可以燃燒煤氣中的氫，但不會燃燒碳。我用一根小火燭點燃這罐混合氣體，你發現氫被消耗掉了，但碳沒有，它變成了濃密的黑煙。我希望藉著這些實驗，讓你學會如何辨別碳；並且曉得氣體或其它東西在空氣中完全燃燒的時候，會產生甚麼物質。

在我們結束碳的主題之前，我們還要針對碳的燃燒進行幾個很棒的實驗。在燃燒過程中，碳以固體形態進行燃燒，燃燒過後，碳就不再是固體了。很少有燃料是這樣作用的。事實上，只有這類含碳的燃料：碳、木炭、木柴，才會這樣作用。我不知道除了碳之外，還有哪些元素的物質燃燒時也有同樣的情形。如果所有的燃料都像鐵那樣，燃燒後成為固體，我們的世界會怎麼樣呢？我們將不會看到壁爐中的燃燒現象。這裡還有一種燃料也很適合燃燒，至少和碳一樣好。它有多會燒呢？光是處在空氣中，它就自己燒起來了。（折斷一管自燃性的酒石酸鉛）。這個物質是鉛，[44]你看，它燃燒地多麼美啊。火焰分得很開，就像壁爐裡的一堆碳：空氣可以接觸到它的表面、進入裡邊，所以它可以燃燒起來。[45]但為什麼當它聚成一團時，不會這樣燃燒呢？（把管子清空，將內容物倒在鐵盤上堆成一堆。）原因很簡單，因為空氣進不去。

雖然它能產生高熱，但無法釋放出壁爐和鍋爐所需的大量熱能；因為燃燒後的產物沒有逸散開來，在底部的可燃物無法和空氣接觸。這和碳的燃燒差得遠了。碳和酒石酸鉛燃燒後在壁爐內都會產生猛烈的火，但是碳燃燒產生的物質會消失，留下乾淨的部分。我曾經讓你看過，碳燃燒時會在氧氣中逐漸消散，沒有留下灰燼；但在這裡（指向那堆自燃物質），因為燃料和氧結合，實際上我們得到比燃料更重的灰燼。從這裡你發現了碳和酒石酸鉛、鐵的差異，如果我們選擇用鐵來發光發熱，把鐵用在我們的燃料實驗上，會得到很奇妙的結果。碳燃燒的時候，如果它的產物以固體型態飄散，我們會看見空氣中佈滿不透明的物質，就像磷的燃燒一樣；而實際上當碳燃燒時，所有的東西都消失在空中。在發生燃燒作用之前，碳處於固定、無法改變的狀態；但經過燃燒後，成為氣體的碳反而很難變成固體或液體。

n  呼吸作用是一種燃燒，呼出的氣體是二氧化碳

現在我們將進入一個很有趣的主題，也就是蠟燭的燃燒和我們人類生命中的燃燒現象的關聯性。每個人身體裡都進行著某種類似蠟燭的燃燒，我會解釋清楚這一點。存在於人的生命和蠟燭之間的，不僅僅是一種詩意的聯想。為了釐清兩種燃燒的關係，我設計了一個小小的裝置，我們現在就可以組裝起來（圖31）。這塊木板上有個可以蓋起來的小凹槽，裡面是玻璃細管；在凹槽的兩端，我接上玻璃圓管，連接的玻璃管與圓筒形成通道，空氣能順暢通行整個裝置。我把一根蠟燭放進其中一個圓筒，這根蠟燭會繼續順利燃燒。你仔細觀察，供應燃燒的空氣從玻璃圓管進入，下到凹槽內的管子，最後上升到放置蠟燭的圓管。如果我關閉空氣進入的孔道，這個裝置就無法正常運作，進而造成燃燒作用停止、蠟燭熄滅。現在你想想，為甚麼會這樣呢？

圖31

之前我們做過一個實驗，我把蠟燭燃燒產生的氣體送到另一根蠟燭。如果我把蠟燭燃燒產生的氣體，用某種複雜器材送進供應端的圓筒，原本另一邊燃燒的蠟燭也會熄滅。如果說，我呼出的氣會讓蠟燭熄滅，你是怎麼想的呢？我的意思不是要把它吹熄，而是因為我呼出的氣體本身不助燃。現在我往裝置左方（圖31）吹入氣體，但不吹動燭焰；除了我嘴巴出來的氣體之外，沒有其它氣體進入裝置。你看到結果了，我沒有把蠟燭吹熄，我只是讓呼出來的氣體進入裝置，結果蠟燭因為缺乏氧氣而熄滅了，除此之外，沒有其它原因。我的肺已經帶走了空氣中的氧，因此呼出來的氣沒有足夠的氧供應蠟燭燃燒。起初蠟燭燒得好好的，但在我送入的壞空氣到達那邊時，蠟燭隨即熄滅。留心觀察空氣到達彼端之前的那段時間，那是很奇妙的感覺。

現在，我要讓你再看另一個很重要的實驗。這個玻璃罐子裡有新鮮的空氣，你可以讓蠟燭或煤氣燈在其中燃燒。我把罐子移近一點，方便我用吸管向瓶內吹氣。接著把罐子浸到水裡（圖32），就像這樣，我可以吸走空氣（如果軟木塞夠緊的話）、將空氣吸進肺裡，然後再吐回罐子裡：我們來檢查檢查，看看結果如何。從水的升降可以明顯地看到，我先吸了空氣，然後吐回去；現在把小火燭丟入呼吸過的空氣，從暗下來的火光可以得知蠟燭熄滅了。即使我只呼入一口氣，一樣會完全破壞空氣原有的燃燒效用，所以我的第二次呼吸等於是多餘的。現在你曉得了，許多窮人階級的房子設計不當，住在裡面的人重複呼吸同樣的空氣，通風不良、缺乏新鮮空氣。空氣被呼吸一次就壞掉了，可見新鮮空氣多麼重要。

圖32

我們更進一步地研究，來看看石灰水會發生甚麼事。這個球形瓶（圖33）裝著石灰水，針對空氣的通路裝置特殊玻璃管，這樣我們就能知道結果是否為呼出的空氣所造成的。我可以（藉著A管）吸空氣，讓外面的新鮮空氣進來、經過石灰水，或是從B管把氣吹到石灰水底部，顯示出它對石灰水的影響。你發現，無論我吸多久，讓外面的空氣進來與石灰水接觸，也不會發生任何改變。新鮮空氣並沒有使石灰水變混濁；但如果我對石灰水連續吹氣，它就變成了混濁的乳白色液體，這便是呼出氣體的作用。從呼出氣體和石灰水的接觸的結果，你知道空氣是被二氧化碳所弄壞的。

圖33

桌上有兩個瓶子，一瓶裝著石灰水，另一瓶裝著普通的水。玻璃管穿進去並連接兩個瓶子（圖34）。這個裝置雖然簡單，卻很好用。[46]我從這個吸管吸氣，往另一個吸管吐氣，玻璃管的裝置會避免空氣倒流。我的嘴巴和肺吸入外面進來的新鮮空氣，而呼出的氣體則通過石灰水；這樣我可以持續呼吸，做出準確的實驗，得到良好的效果。你發現新鮮空氣不會對石灰水起作用，但當石灰水只接受我吐出的氣，你就看出兩者的差異了。

圖34

n  吸入肺中的氧和食物產生類似燃燒的作用，並釋放出二氧化碳和熱量

我們再進一步想，這個運行不息的，我們賴以為生的，造物主安排的，獨立於人類意志的「呼吸作用」究竟是甚麼呢？如果停止呼吸，我們就活不下去。當我們睡覺的時候，呼吸器官和相關的部分仍然在運作，我們不能不呼吸，肺必須與空氣接觸。我簡短地說明一下這個過程。我們吃東西時，食物通過體內奇妙的血管和器官，被帶到不同地方，尤其是消化系統。食物經過變化後由一組血管流經肺部，同時，呼吸的空氣則被另一組血管帶進及帶出肺部。此時空氣和食物接觸，只隔著一層薄膜。空氣即在這個過程中對血液作用，產生類似蠟燭燃燒的效果。蠟燭和空氣中的某些部分結合，形成二氧化碳、釋放「熱」；而在肺部的變化也相當奇妙的，空氣進來和碳結合（此處所指的碳並非處於自由狀態，而是在可以和空氣起作用的情況），產生二氧化碳、送到大氣中並釋放出熱量：因此我們可以將食物視為燃料。我用一小塊糖來說明。糖跟蠟燭含有一樣的元素，雖然元素組成比例不同，但都是碳、氫、氧的化合物。元素間的比例如下表所示：

這是件很神奇的事，氫和氧的質量比正是它們在水中的比例，所以糖等於是由72等份的碳和99等份的水組成。[47]糖裡面的碳和氧結合，呼吸作用帶進氧氣，讓人作用得像蠟燭一樣，這些作用除了產生熱能之外，還有更美妙的結果；藉著一個相當美麗卻十分簡單的過程，維持我們生命系統的運作。

我要用糖來做實驗，讓你看看更為驚人的結果；為了加速實驗反應，我們使用糖漿，其中含有3/4的糖和一些水。把硫酸滴上糖漿，硫酸會把水帶走，留下一團黑色的碳。（講者把兩者混在一起）。你仔細觀察碳是怎樣出現的，很快就會出現一團固體的黑炭、來自糖的碳。你知道糖是吃的食物，但你絕對想不到，糖竟然能弄出這一團固態的碳！如果我再動些手腳，讓糖裡面的碳發生氧化，我們會得到更驚人的結果。我要使用一種氧化劑，它能比空氣更快使物體氧化；用氧化劑氧化糖，這種燃燒形式上與呼吸作用不同，但一樣是氧化反應。在我們的身體裡，糖的碳和肺提供的氧接觸而發生氧化。如果我讓這個作用立刻完成，你就會看到這種燃燒。差別是，肺部從空氣吸進氧，在這裡氧化劑則讓燃燒的過程迅速完成。

等我告訴你碳的產量時，你會大感詫異。一枝蠟燭可以燒上4~7個小時。每天有這麼多的碳變成二氧化碳上升到空氣中呢！呼吸的時候，我們呼出那麼多碳！因為燃燒或呼吸作用，碳發生了多麼奇妙的變化啊！24小時之內，藉著呼吸作用，人可以將198公克的碳轉變成二氧化碳，乳牛可以轉化1,980公克，馬可以轉化2,235公克的碳。也就是說，馬的呼吸器官在一天之內燃燒2,235公克的木炭或碳，以供應生命所需的熱能。所有溫血動物（恆溫動物）都用這個方法得到熱能，也就是燃燒非自由態的碳。這個事實讓我們體會到，碳的轉換對大氣造成驚人的影響。24小時內，光是倫敦人的呼吸就能產生2,270公噸的二氧化碳，這些碳跑去哪裡了呢？它們飄進空氣啦。如果碳像是我給你看的酒石酸鉛或是鐵那樣，燃燒時製造出固體物質，那麼會發生甚麼事呢？燃燒作用就不會持續了。木炭燃燒會成為氣體，接著飄散逸入空氣；空氣是很好的載體，可以把二氧化碳帶到其它地方。二氧化碳接下來又會變成甚麼呢？

n  呼出體外的二氧化碳可為植物所用

我們呼出的氣體有害人體（人無法吸入同樣的氣體兩次），但神奇的是，呼吸作用的產物居然能讓地表上的植物和蔬菜成長。[48]水裡的魚和其牠動物雖然沒有直接和大氣接觸，但牠們也以相同的原理進行著呼吸作用。就像這些魚（指向一缸金魚），牠們呼吸從空氣溶入水中的氧氣，產生二氧化碳。而這些物質都在地球上移動，使得動物和植物的國度共存共榮。所有地表上的植物都吸收碳，就像我帶來說明的這株植物；我們呼出的二氧化碳飄入空氣，植物的葉子再從空氣帶走碳，進而生長、茁壯、茂盛。給植物我們需要的新鮮空氣，它們無法存活；給植物我們不要的碳，它們便欣欣向榮。就像我們看到的，這塊木頭中的碳和樹及植物的生長一樣，都是來自於空氣中的碳；植物帶走有害人類但有利於自己的東西，對一方造成疾病的，對另一方卻是健康的。人無法獨存於天地，這是民吾同胞，物吾與也的道理，所有自然界的存在均繫於萬物相生的法則。

在我們更進一步研究前，還有個小小的主題要說明，這個主題和我們講過的作用是相關的，它和我們切身的物質：不同狀態的氧、氫、碳，奇妙地聚集、互相關聯。讓你瞧瞧剛剛燒起來的酒石酸鉛，燃料甚至在離開瓶子前就和空氣起了作用。現在有股化學吸引力，有了這股力量，我們想要的作用才能順利進行；我們呼吸的時候，這股力量也在作用著。蠟燭燃燒的時候，許多地方產生互相吸引的力量。酒石酸鉛的燃燒也是化學吸引力的很棒例子。如果燃燒的產物從表面飄散，酒石酸鉛會著火、持續燃燒，直到燒完為止；但你還記得，酒石酸鉛和碳的燃燒有所不同，酒石酸鉛只要和空氣接觸，就會馬上發生反應，但是碳卻能保存數個月或數年。埃爾柯雷諾[49]出土的手稿便是用含碳墨水寫的，經過了1,800多年；雖然手稿在某些狀況下接觸到空氣，但並沒有完全被空氣改變。

現在來說說，是甚麼使得酒石酸鉛和碳在這方面有所不同？真是不可思議，作為燃料的物質（木頭）居然在「等待」反應；碳不像酒石酸鉛或許多我還沒堆上桌子的東西一樣，馬上就燃燒，而在等待反應的時機。蠟燭，例如美麗的日本蠟燭，不像酒石酸鉛或鐵（磨碎的鐵可以和酒石酸鉛產生一樣的效果）馬上就會起作用，反而可以等上個許多年甚至好幾世代，都不發生任何變化。我這裡有些煤氣。我從瓶子噴出氣體，但並沒有燒起來，煤氣接觸空氣，但要溫度夠高才會燃燒。如果溫度夠熱，它就會燒起來。如果我把它吹熄，煤氣燈裡吹出的煤氣要等到重新被點燃後才會燃燒。

令人驚奇的是物質等待燃燒的程度不一，有些物質只要溫度提高一點點就然燒，有些則需要相當的高溫。火藥和火藥棉在不同的條件下燃燒。火藥由碳和其它物質組成，屬於易燃物；火藥棉是另一種可燃物。[50]它們都會「等待」，但兩者燃燒所需的溫度不同、條件不同。用一條加熱的鐵線接觸火藥和火藥棉，就能知道哪個會先反應（把燒熱的鐵碰觸火藥棉）。火藥棉有反應，但鐵線最熱的部分仍不足以點燃火藥。多麼奇妙啊，不同的物質呈現出如此大的差異！有些物質要等到相關物受熱活化才反應，有些，像是呼吸作用，則立即反應。空氣一進入肺就和碳結合，即使在人體只能短暫忍受的低溫下，這個作用也是立刻進行，並呼出二氧化碳；如此，所有事物都穩當地進行著。你看，呼吸和燃燒作用的類比是多麼地驚奇而美妙。說真的，在這六堂演講的尾聲，我有個期許：希望你在你的一生之中，要像蠟燭一樣，照亮周圍的人；你的作為則要見證蠟燭之美，對同胞盡責，行事正直有益於人。