蠟燭的化學史––第四章:蠟燭中的氫變成水、水中的氧/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,ABC?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。

 

 

重量百分比

重量比

88.9

8

11.1

1

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。


[19] 反應為:

Cu(s) + 4HNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)

[20] 這氣體為上述反應之NO2.

[21] 醋酸鉛溶液電解時在負極會有棕色的鉛沉澱。

[22] 這一系列演講的對象是青少年,所以法拉第在紙上寫下「年輕人」(juvenile)。

[23] 如圖18。也就是右方的((G)-(H)-(H)接在左方(F)-(H)上,由上而下依序為(G)-(H)-(H)-(H)-(F)

[24] 萊頓瓶(Leyden JarLeiden Jar),紀念荷蘭萊頓大學(Leiden University)教授Pieter van Musschenbroek 1692–1761)於1745年成功地利用盛水玻璃瓶儲存電。萊頓瓶是相當原始的電容器,用來進行電的實驗。

[25] 反應為氯酸鉀和二氧化錳加熱產生氧氣,二氧化錳為催化劑。

2KClO3(s) → 3O2(g) + 2KCl(aq)

[26] 反應為:2Li(s) + 2H2O(l) → 2LiOH(aq) + H2(g)

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