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——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。   [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。 […]

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 氧 20 23.3 氮 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。 […]