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。） […]

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，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。     重量百分比 重量比 氧 88.9 8 氫 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。 […]