蠟燭的化學史––第五章:大氣中的氧和二氧化碳/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: 

 

體積百分比

重量百分比

20

23.3

80

77.7

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:

 

 

每公升的氣體之重量

氫氣

0.09公克

 

氧氣

1.24公克

 

氮氣

1.19公克

 

大氣

1.22公克

 

二氧化碳

1.86公克

 

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 


[27] 測試氣體應為一氧化氮,一氧化氮與氧氣單獨存在時皆無色,當它們混合時產生紅色的二氧化氮氣體:

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)

[28] 這些重量比真實氣體的重量略輕,然我們仍沿用法拉第原來的數據。

[29] 幫浦承接筒(air-pump receiver)為圖26所示之小車上、手掌所置之物的圓桶。幫浦與圓筒連接,可將圓筒抽真空;因為圓筒承受幫浦的影響,所以譯為「幫浦承接筒」。

[30] 這個描述並不恰當,空氣壓力主要來自氣體分子的各方向運動,而非重力。

[31] 即天然橡膠(India-rubber),用途廣泛,延展性佳、彈性好且防水

[32] 這段所言的裝置即「馬德堡半球」(Magdeburg hemisphere馬德堡半球為Otto von Guericke (1602-1686) 所設計,其為日耳曼科學家,擔任神聖羅馬帝國馬德堡(Magdeburg)市長。Von Guericke用馬德堡半球實驗他所發想的空氣幫浦,呈現「氣壓」的概念。1654年馬德堡半球在雷根斯堡(Regensburg)、於神聖羅馬帝國皇帝斐迪南三世(Ferdinand III, 1608-1657)面前,第一次演示:他將兩半球合起來抽真空後,讓15匹馬各往相反方向拉兩半球,但無法拉開。

[33] 生石灰(CaO)加水的反應式為:

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2( aq)

[34] 生石灰水加入二氧化碳的反應式為:

Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O (l)

[35] 白堊(chalk)是種軟質、多孔的沉積岩,為石灰岩的一種;石灰岩的主要成份就是碳酸鈣。應用在建材上,白堊為生石灰、熟石灰的原料,可調製塗飾牆壁的泥漿。此外,從前的粉筆多用白堊製成,故chalk也用來稱「粉筆」。

[36] 在油漆流行前,歐洲的房子可能塗上白堊調製的泥漿這種塗料含有石灰,乾燥後牆面呈現白色。

[37] 法拉第將二氧化碳稱為「碳酸(carbonic acid)」,本文中我們改為「二氧化碳」。

[38] 布萊克(Joseph Black, 1728-1799),蘇格蘭的物理化學家;他發現石灰岩與酸性物質反應會釋出氣體,並將這種氣體稱為「固體氣」(fixed air)。

[39] 反應為:

2HCl(aq) + CaCO3(s) → CO2(g) + CaCl2(aq) + H2O(l)

[40] 二氧化碳微溶於水,溶液呈酸性:

H2O + CO2(g) → H2CO3(aq)

[41] 和對大氣成分的重量分析相似,法拉第報導的二氧化碳的重量比真實的重量略輕。

[42] 這邊實驗所使用器材如圖示,為兩個玻璃杯。二氧化碳被倒入底下的長筒玻璃杯,看起來像個充滿二氧化碳的「井」,故法拉第稱之為「二氧化碳井」。

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