蠟燭的化學史––第二章:蠟燭火焰的組成,蠟燭燃燒需要空氣/胡景瀚、林奕秀

星期六 , 19, 四月 2014 Leave a comment

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
*chingkth@cc.ncue.edu.tw

第二章 蠟燭火焰的組成,蠟燭燃燒需要空氣 

 

n  蠟燭融化成為蠟蒸氣

上回我們講到蠟燭的一般性質和組成,蠟燭內的液體,以及液體如何進入蠟燭的燃燒部位。你曉得,當蠟燭在規律、平穩的空氣中燃燒時,火焰的形狀就像圖上畫的,看起來相當一致,然而火焰的特質是相當引人入勝的。現在我要你注意接下來的事,藉著這些方法,我們可以弄清楚、知道在火焰的某個地方發生了甚麼事——為甚麼會發生?在這過程中它怎麼了;最後,整根蠟燭跑去哪裡了呢?如你所知,蠟燭點燃後如果一直燒得好好的,最後蠟燭會消失,燭臺上一點灰燼的痕跡也沒有——這真是很奇怪的事啊。為了仔細觀察蠟燭,我準備了一些裝置(圖7),看我操作你就知道這些器材怎麼用了。這裡有一根蠟燭;我將把玻璃管的末端插入火焰中央——也就是虎克繪製的圖畫中,顏色較暗的地方,只要在看蠟燭時小心點,燭焰沒有被吹動的話,你隨時都能看到那比較暗的區域。首先,我們就來檢查這比較暗的地方。

圖7

現在我把這根玻璃彎管的其中一端插入火焰,你馬上看到有東西從火焰冒出來,經過管子、再從另一端鑽出來;如果我在煙霧冒出的那端放一個燒瓶,收集冒出來的東西並靜置一會兒,你會看到,冒出來的東西慢慢拉長,然後沿著管子落入燒瓶;如果這東西被直接暴露在開放空間,情況將會很不一樣。煙不只從管子的一端鑽出來,還落到燒瓶底部,好像是種沉重的東西——事實上它的確是。我們發現:蠟燭的蠟形成了蠟「蒸氣」(vapor——而非「氣體」(gas)。(你一定要知道「氣體」和「蒸氣」的分別:「氣體」是一直處在氣態的;而「蒸氣」在某些條件下會凝結。)你吹熄蠟燭後聞到的臭味,就是凝結的蠟蒸氣。這和你從火焰外圍收集到的不一樣;為了讓你們更清楚了解,我將製造並點燃蠟蒸氣中的大部分。從一根小小的蠟燭,我們收集到的蠟很少;如果要以科學方法透徹地了解,我們需要大量的蠟,這樣我們才能用各種方法來進行研究。現在安德森先生負責供應熱源,我來呈現這「蒸氣」是甚麼。我將把裝在燒瓶裡的蠟弄熱,因為燭焰內部跟燭蕊周圍的物質都是熱的。(法拉第把一些蠟放進燒瓶,用油燈加熱)。現在,我敢說這已經夠熱了。你看到我放進去的蠟已經變成液體,而且有一點點煙出現。不久就會有蠟蒸氣湧上來。繼續加熱蠟,就能得到更多蠟蒸氣,而且我還可以把蠟蒸氣從燒瓶「倒」出來,倒到平底盤上點火引燃。這的確就是在蠟燭火焰中央取得的蒸氣。讓我們來檢驗看看,在燒瓶裡面的是來自蠟燭中央的蒸氣,它是可燃的。(法拉第朝著充滿煙霧的燒瓶丟入一條點燃的燭蕊)。觀察它的燃燒,這真的是來自蠟燭中間的蒸氣,是它自身的熱製造出來的。這也是你研究蠟燭在燃燒及變化的過程時,首先要考慮的事。現在我把另一根玻璃管小心插入火焰,確保蒸氣會流到管子的另一端;然後,我在另一端點火(圖8),在距離蠟燭這麼遠的地方,也可以取得蠟燭的火焰。看看它!這不是很棒的實驗嗎?說到供應氣體——喔,我們可以供應蠟燭氣體!你在這裡清楚看見兩種不同的動作——一是蒸氣的「製造」,一是蒸氣的「燃燒——這兩個動作分別在蠟燭的不同部位同時進行著。

圖8

n  火焰上端蠟蒸氣的燃燒

從蠟燭完全燃燒過的部份我們無法取得蠟蒸氣。如果我將管子(見圖8)提高一點,到火焰的上部,那兒蒸氣一被燒光,進入管子的氣體就不再可燃,因為這些氣體已經燃燒過了。那它們是如何進行燃燒的呢?是這樣子的:在火焰中央、燭蕊所在之處有可燃的蠟蒸氣,而火焰外圍有蠟燭燃燒必需的空氣;兩者之間發生劇烈的化學反應,空氣與燃料相互作用,而就在燭光產生的時候,裡面的蒸氣也被消耗殆盡。如果你檢查蠟燭的熱在哪裡,你會發現很有趣的分布狀況。如果我把一張紙靠近燭焰的上方,那麼火焰的熱在哪裡呢?熱不在內部,你看到了嗎?熱在紙上燒黑的圈上,就在我告訴你的,化學作用發生的地方;雖然我這個實驗不是很嚴謹,但只要實驗沒有受到太多的干擾,紙上都會得到一個燒黑的圈。這個實驗很適合你在家裡做。拿一張紙片,穩定室內空氣,接著讓紙片迅速穿過火焰正中央——(做這個實驗時我不能說話)——然後你會發現,在紙上有兩處燃燒的痕跡,中間的地方只有些許燒焦或完全沒燒到;在你演練過一、兩次,動作很熟練時,你就能好好觀察,找出熱的所在,也就是空氣和燃料混合的地方。

n  蠟燭燃燒需要空氣

在我們探討這個主題時,這是最重要的:空氣對燃燒作用是不可或缺的;此外,我還得讓你了解,燃燒必須的是新鮮空氣,否則我們的推論和實驗便不完美。這裡有個充滿空氣的罐子,我用罐子蓋住蠟燭,剛開始蠟燭燒得好好的,證明我所言不假。不過,這情況很快就會發生改變。你看,這火焰拉得好高,然後漸漸減弱,最後熄滅。為甚麼火焰熄滅了呢?因為燃燒作用不僅僅需要空氣,這罐子裡一直充滿空氣;火焰燃燒還需要純的、新鮮的空氣。雖然罐子裡滿是空氣,但有些空氣被改變了、有的沒有;罐子裡缺乏足夠的、蠟燭燃燒時必須的新鮮空氣。這些重點是在場的年輕科學家們必須留意的;而且,如果我們更仔細地觀察這種現象,會發現某些推理步驟是非常有趣的。

例如,這是我給你看過的油燈——很適合我們實驗的燈——古老的圓筒心燈。

 

[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——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「」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。

 


[6] 圓筒心燈(Argand lamp):圓筒心燈於1780年由瑞士科學家亞干(Aimé Argand, 1750-1803)發明,大大改善了當時的油燈照明。

[7] 史衛福特牧師(Dean Swift, Jonathan Swift, 1667-1745)愛爾蘭文學家,作品以諷刺挖苦的風格聞名,《格列佛遊記》(Gulliver’s Travel)為其知名作品。史衛福特亦曾從事神職工作,為愛爾蘭都柏林St. Patrick大教堂的主持牧師(Dean),故法拉第以「Dean Swift」稱之。

 

[8] 硫化銻是火柴和煙火中的成分,和氯酸鉀反應會放出光和熱:

3KClO3(s) + Sb2S3(s) → Sb2O3(s) + 3SO2(g) + 3KCl (s)

 

[9] 魔法羊毛(philosopher’s wool為煉金術士儀式中的一部分將鋅燃燒後得到毛茸茸的氧化鋅,氧化鋅看起來就像羊毛一般。

 

 

 

 

 

 

 

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