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 第一章　蠟燭的製造、燃燒及火焰 各位來到皇家學院，參與我們舉辦的一系列演講，我感到非常地榮幸，為此我將講述蠟燭的化學歷史。先前我已經處理過這個主題了，如果您不介意，我希望每年都來演講這個主題；因為這主題本身相當有趣，為許多科學領域帶來精妙豐富的結果。所有主宰宇宙的定律，都參與且觸及了我們即將觀察的現象。要進入自然哲學的研究，沒有比從蠟燭的物理現象入手更好的方法了。因此我有信心，我選擇蠟燭、而非其它較新穎的主題不會讓您失望；較新穎的題材，即使它並不差，不一定會比較好。 開始之前容我說明一下：雖然我們的主題很好，而且我們對這主題懷抱真誠、嚴謹與哲學式的思維態度，我將在演講中忽略那些較年長的人。我希望能以對年輕人聊天的口吻來演講。在之前的幾場演講中，我已經這樣做了，如果您不介意，我仍將使用相同的方式。雖然我在這裡傳達的知識屬於所有人，但這並不妨礙我在這個場合，用類似之前的方式來演講。 n  蠟燭的製造方式 現在，男孩和女孩們，首先我要說明：蠟燭是用甚麼做的。有些製造蠟燭的材料是相當奇特的。這裡有些木材和樹枝，特別適合燃燒。你看到這塊奇怪的材料，來自愛爾蘭的沼澤，叫做「蠟燭木」；這是種堅實、強硬、相當好的木材，非常適合作為支撐的材料，而且它們很容易燒起來，在蠟燭木的的原產地它被製作成燃燒用的木屑；蠟燭木也能用來做火炬，它燒起來就像蠟燭，能放出明亮的光芒。這塊木頭本身就是蠟燭本質的最完美的例子，或許這就是我能呈現給你的。這塊小小的木頭不只提供燃料，還能藉著燃燒演示化學作用、利用持續穩定供應的空氣顯現出光和熱；事實上，它就是一根天然的蠟燭。 我們必須先談商業製造的蠟燭。這邊有幾根蠟燭，通常稱為「浸製蠟燭」（dips）。製造方式為：把一團棉花纏成一個環，將環浸入融化的動物脂肪，拿出來陰乾後，再浸入脂肪；如此反覆動作，直到棉花上累積了一團動物脂肪。我手上的這些蠟燭會讓你對蠟燭的特性有些瞭解……它們實在又小又奇特。這些怪東西是以前礦工在煤礦坑裡用的蠟燭。古早的時候，礦工必須自己準備蠟燭，他們覺得小蠟燭在礦坑中比大蠟燭不容易引發爆炸；基於這個原因，以及經濟上的考量，礦工們做出不同重量的蠟燭……每磅有20、30、40或60支。之後蠟燭先是被一種叫做「鋼鐵廠」的燈所取代，然後又被戴維安全燈[1] 取代，接著還有其它類的安全燈。我手上有一支蠟燭，貝斯理上校跟我說是從皇家喬治號沈船上拿下來的。這根蠟燭沉在海中多年，受到鹽水的作用。但你看到這支蠟燭保存良好；即使它可能折損、斷裂得很嚴重，但點燃後還是可以正常燃燒，一旦蠟燭開始熔化，脂肪就重回它的自然狀態。 蘭貝斯（譯註：Lambeth，英國地名）的費爾德先生給了我很多漂亮的蠟燭圖片和材料；所以現在就來說說它們。首先，這是牛脂——牛的脂肪，它可以被製造成放在這兒的美麗物質，也就是硬脂蠟燭。這種方法是給呂薩克，[2]或是某個將方法告知給呂薩克的人所發明的。硬脂蠟燭不像一般油膩膩的牛油燭，它倒是蠻乾淨的；此外你還可以刮下、弄碎蠟燭滴下的東西，這些滴下的蠟也不會弄髒任何東西。給呂薩克製造蠟燭的過程如下：先將石灰加入脂肪後煮沸、將油脂做成肥皂，然後用硫酸移除石灰，並分解肥皂，就會留下脂肪重組過後的硬脂肪酸，同時也產生甘油。[3]甘油，是一種糖或類似糖的物質——從動物脂肪經過化學變化而產生，然後油從其中被擠壓出來。 你看到這裡有一堆壓製的塊狀物，顯示在持續增加壓力的情況下，雜質被漂亮地從脂肪混合物中移出，最後你會得到融化的物質，將它鑄造成我所演示的蠟燭。我手中拿著的是硬脂蠟燭，是我曾經告訴你的，從動物油得到的硬脂肪酸所製造而成的。這邊有根鯨魚油蠟燭，則是用抹香鯨油純化做成的。我還有一些黃蜜蠟和精製蜜蠟，都可以用來做蠟燭。另外還有一種奇特的材料，叫做「石蠟」，以及一些石蠟蠟燭，是用愛爾蘭沼澤裡的石蠟做的。我們還有來自更為偏遠地帶的材料呢，我這邊還有從日本帶來的蠟，有位朋友慷慨地送給我，這種蠟是製造蠟燭的一種新材料。 這些蠟燭是如何做的呢？我已經跟你說過浸製蠟燭，接著我將呈現模具是怎樣做的。讓我們想像蠟燭是由可塑材料做的。「可塑！」，「此話怎講？蠟燭會融化，如果你能融化蠟燭，那當然是可塑的東西。」事實並非如此。在製造蠟燭的過程中，為了讓成品具有所需性質所做的努力，已經使得製造蠟燭這件事發生始料未及的結果。蠟燭並不總是可塑的。純蠟的蠟燭無法被塑形，而需要某種特殊的方法；雖然我能在一兩分鐘內說完，但我不打算在這邊花太多時間。蠟燭中的蠟是易燃、易融化的，因此不容易被塑形。然而，我們拿個能塑形的材料過來。這兒有一個框架，上面綁著幾個模型。首先把燭蕊穿過這些模型。辮子形狀的燭蕊由紗布支撐，這種燭蕊不需要重複剪蕊。這條線穿到底端，就栓在底部固定；用小栓子拉緊棉花並堵住孔隙，如此液體就不會流出來。在頂端橫過一根小棒子，這根棒子拉張棉花且將棉線固定在模型裡面。然後，動物脂肪融化後流入模子裡。一定時間後，待模型冷卻，從一角倒出多餘的動物脂肪，清理一下，再剪掉燭蕊的尾巴。現在模型裡面只剩下蠟燭，再來你只須把它倒過來，像我這樣做，蠟燭就會滾出來，因為蠟燭是做成圓錐形的，上面比下面小；因為它的形狀，只要輕輕搖晃，蠟燭就會掉出來了。硬脂肪酸和石蠟的蠟燭也是依同樣的方法製造的。 蠟燭的製造方法很奇特。就像你在這邊看到的，框架上掛著很多棉花，末端覆蓋金屬物，避免棉花在這些地方被蠟蓋住。將這些東西放在裝著融化的蠟的容器上方。你看，框架可以翻過來；而當它們翻過來時，我們就拿一桶蠟澆灌第一個框架，接著澆灌下一個，再下一個，依此繼續。當製造蠟燭的師傅倒完一輪後，如果較早被澆灌的框架中的蠟已經冷卻，他便從頭再澆覆框架第二層蠟，如此進行，直到每個框架上的蠟都累積了足夠的厚度。當框架依此方法被蠟覆蓋、填滿到足夠的厚實程度時，便將它們取下並移到其它位置擺放。感謝費爾德先生慷慨提供，我這邊有幾個這類蠟燭的樣本，這些是半成品。覆蓋蠟的框架被取下之後，放在石板上捲起，用適當形狀的管子模塑出蠟燭的尖椎端，切平底部並整理乾淨。這道手續做得好，工人就可以用這個方法精確地做出4磅、6磅或其它重量的蠟燭。 然而我們不能在製造過程耽擱太多時間，我們必須進入正題研究蠟燭這個物質。我還沒跟你說到蠟燭豐美的視覺享受（因為在蠟燭世界裡真的有精品般的東西）。看哪，這些顏色多麼美麗，你看到偏紫的紅色、偏紅的紫色，以及最近發明的化學顏色都能在蠟燭裡見到。這裡有根精工雕刻，像是希臘石柱的蠟燭；我也帶來一些裴叟先生給我的蠟燭，這些蠟燭經過設計和裝飾，而當我點燃它時，你看到上方浮著一輪閃耀的太陽，下面像是一束捧花。然而，這些精緻漂亮的東西並不實用。希臘石柱型的蠟燭美則美矣，卻不好用；因為外型的緣故使得它們不好用。儘管如此，我還是讓你看看朋友送我的、不同種類的蠟燭，你就曉得現在的蠟燭可以做到甚麼程度，還可能做出哪些不同的成品；雖然，如我所說的，精緻的修飾會犧牲掉事物的本質。 n  觀察蠟燭的燃燒 現在來談蠟燭的光。我們將點燃一、兩支蠟燭，並讓它們持續燃燒，展現它們應有的功能。你觀察到蠟燭和油燈相當不同。使用油燈的時候，你把油注滿底盤，放進些許製備的棉花，接著點燃棉花的上端。當火焰往下燒到與油接觸時，火會熄滅，但是上頭會繼續燃燒。你一定會問說：為什麼油本身不燃燒，但卻會在棉花上端燃燒呢？我們現在就來檢視這個問題，不過蠟燭燃燒是一件更為神奇的事。現在有個沒有容器盛裝的固態物體；這個東西要如何爬上火焰燃燒的地方呢？這個固體要如何到達燃燒的位置，但又不會變成液體呢？或者說當它變成液體時，要如何維持在一起的狀態且不分散呢？這就是蠟燭神奇的地方了。 現在有些風，風對我們說明這個示範實驗可能有幫助，但我們也可能被燭火戲弄了；為了讓我們的演示不受干擾，也為了簡化整個過程，我需要一個穩定的燭火；在研究過程中假如出現預期外的干擾，我們就無法好好地做研究。週六晚上在菜市場可以看到賣菜、馬鈴薯或賣魚的小販，他們用一個很好的東西來避免蠟燭被吹熄。我頗為欣賞這個器具，他們在蠟燭周圍蓋上燈罩，上面有道滑軌支撐並鉤住燈罩，使用者可以就需要將燈罩滑上滑下。依照同樣方法使用燈罩，我們便能擁有穩定的火源，你可以看著、仔細檢視這穩定的蠟燭燃燒，我希望你在家裡也能這樣試試看。 首先，一個美麗的杯狀凹槽形成了。當空氣接近蠟燭時，蠟燭產生的熱氣流把空氣往上推，這股空氣冷卻了蠟、脂肪或燃料的外圍，讓外部邊緣溫度比內部中央低；火焰盡可能地沿著燭蕊向下燃燒，同時融化內部，但是外部並不會融化。假如我在一個地方施予氣流，蠟燭凹槽的壁將在另一側下垂，融化的液體就會流出來；因為萬有引力——讓這個世界得以聚合的力量——使液體保持水平，如果凹槽不是水平的，液體便會沿著溝槽流下。因此你曉得，這個凹槽的形成歸功於那美妙的、規則的上升氣流，它同時也使蠟蠋外部保持冷涼。沒有這個杯狀凹槽，其它燃料無法作成蠟燭；愛爾蘭沼澤的木頭是個例外，因為木材本身就像海綿，可以吸收燃料。 如果點燃我先前演示的漂亮蠟燭，你就曉得為什麼結果很糟糕；這些漂亮蠟燭形狀不規則、表面不連續，因此沒辦法好好形成凹槽的邊緣，而凹槽是蠟燭最棒的地方。現在我希望你能了解，一道程序的完美結局，就是他的實用性，是這整個過程中最美好的。普通的蠟燭並不漂亮，但是卻運作良好，也是對我們最有用的。美麗的蠟燭燃燒起來並不順利，在蠟燭壁上會出現溝槽，因為氣流不規律，隨之形成的凹槽也不好用。當蠟燭壁上淌下融化的蠟使某處變厚時，你會看到不穩定的上升氣流（我相信你會看到這些）。隨著蠟燭持續燃燒，在壁上形成突出的細柱，因為這根細柱高出旁邊的蠟或其它種燃料，空氣在這裡流動得更好，這邊的溫度會比較低，進而阻擋周邊的熱。一如其它事理，人類對於蠟燭的重大誤解將教導我們那些如果沒有實際經歷，便無從獲得的知識。我們聚在這裡，希望成為思想者，我希望你永遠記得，無論何時你看到一個結果，特別是新的結果時，你應該要問：「這是甚麼原因造成的？為什麼它會發生呢？」經過一段時間推敲之後，你就會找到原因。 我們還能從另一個點切入，回答關於蠟燭的問題，也就是研究蠟油從凹槽流出，由燭蕊往上到達燃燒位置的方式。用蜜蠟、硬脂肪酸或鯨油做成的蠟燭，燭蕊燃燒的火焰不會往下跑到蠟或其它地方，將整支蠟燭融化，而會保持在恰當的位置。火焰被下方的液體阻攔，不會侵毀凹槽的周圍。我想不出更完美的例子了，在此燃燒過程中，蠟燭的各個部分相輔相成。像蠟燭這種可燃物會漸漸燃燒殆盡，但又不會被火焰從外部入侵，是很棒的景象，尤其在你知道旺盛的火直接燒到蠟上的時候，蠟會被火焰催毀，當火靠得太近時，蠟也會被火焰變形。 n  燭蕊藉毛細作用，持續地將蠟燭融化並傳送到火焰 但火焰是如何取得蠟油以作為燃料的呢？這裡有個很棒的觀點——毛細作用。「毛細作用！」，或「毛髮間的吸引」，在我們還沒好好了解它真正的作用之前，不用太在意名稱；這是前人取的名字。因為毛細吸引的作用，作為燃料的蠟油被運輸、存放在燃燒進行的地方，這個過程不是任意的，而是被巧妙地安置在燃燒作用發生的中心。現在我要給你一、兩個毛細吸引的例子。這個動作或吸引力使兩個互不溶解的東西聚在一起。例如，洗手時你弄濕雙手、抹上肥皂，使皂液附著得更好，然後你發現手還是濕漉漉的。這就是待會兒我要說的那種吸引力。如果你的手沒弄髒（因為日常生活中，雙手通常是髒的），將指頭伸入溫水，水會些微地從手指頭向上爬升——很可能你以前還沒有注意過這件事情呢。 我有一個多孔的物質——一支鹽柱（圖1），然後我在盤子底部注入看起來像水但不是水的液體；這是飽和的鹽水，無法再溶解更多的鹽，所以你看到的作用並非溶解的緣故。我們將盤子想像成蠟燭，鹽柱當成燭蕊，鹽水則是融化的蠟。（我事先將鹽水染成藍色，好讓你看清楚作用過程。）現在我把液體倒進去，如果鹽柱不倒下的話，液體會升高、漸漸爬上鹽柱，越來越高；液體會爬到頂端，。如果這藍色的液體是可燃的，而且我們把一條燭蕊放到鹽柱頂端，當液體滲入燭蕊時就可以燃燒。觀察這種作用以及相關的細節是很有趣的。洗完手時，你拿毛巾擦乾雙手；因為這種濕潤的方式，水會沾上毛巾，蠟燭燃燒時，融化的蠟會爬上燭蕊。我認識一些不拘小節的男孩和女孩們（當然謹慎的人也會這樣做），把擦過手的毛巾丟在臉盆旁邊，沒有多久臉盆裡所有的水就被毛巾吸乾，滴得地上溼答答的，因為它剛好被丟在有水的臉盆，水因為毛細作用被吸引而滴到外面的地上。 圖1 我手上有個網紗做成的管子，裡面裝滿水，在這個過程中，就某方面來說，你可以把這容器視為棉花，或從另一個角度觀之，將它視為棉布。事實上，有時候燭蕊是用網紗做的。你會發現這管子是個可滲透的東西；因此我從上端倒水進去，會從底下流出來。以下問題可能讓你思索好一會兒，如果我問你：這管子的情形怎樣？裡面是甚麼？為什麼它會在那裡面？這根管子注滿水，但同時你也看到水進進出出，好像管子是空的。為了證明給你看，我只好將它倒出來。原因是這樣子的：網子一直是濕的，篩孔很小，以至於液體從這端被強力吸引到另一頭，所以管子裡一直有水，即使管子是有開口的。利用相似的方法，融化的動物脂肪粒子爬上棉花並到達頂端；其它粒子因為相互吸引的作用跟隨在後，當它們到達火焰燃燒的地方時，也加入燃燒。 接下來也是同樣的原理。看看這根樹枝。我在路上看過一些男生把樹枝點火，假裝是雪茄，學大人的樣子抽菸。他們能這樣做，是因為樹枝單向的可滲透性，也是因為毛細管現象。如果我把這根樹枝放在盛有樟腦精的盤子（大體而言，樟腦精的性質和石蠟類似），一如前面藍色液體滲入鹽柱的道理，樟腦精會滲入這根樹枝。因為旁邊沒有毛孔，所以液體無法往那方向去，但是一定會流經整根樹枝。液體已經流到樹枝頂端了；現在我可以點燃它，就跟蠟燭一樣。因為樹枝的毛細現象，液體會往上爬升，就像在蠟燭裡面的棉花一樣。 為什麼蠟燭不會把燭蕊周圍都燒掉呢？唯一的解釋是：融化的動物脂肪把火滅掉了。你知道，如果把蠟燭倒過來，想讓作為燃料的蠟油流到燭蕊，蠟燭反而熄滅了。原因在於火焰來不及加熱蠟油到足夠的溫度好燃燒起來，在前面成功燃燒的例子中，只有少數蠟油被帶到燭蕊，並且在燭蕊上還有熱。 n   重新點燃熄滅的蠟燭 關於蠟燭，還有一個現象可以讓你理解蠟燭運作的原理，也就是蠟油作為燃料燃燒後，產生煙霧的情形。為了讓你了解，我來演示一個很棒，但也很平常的實驗。如果你迅速地吹熄蠟燭，會看到餘煙裊裊升起。我知道你經常聞到蠟燭熄滅的煙味，不太好聞；如果你能靈巧地吹熄，便能清楚看到煙霧中有轉變過的固體物質。我接下來要吹熄這些蠟燭，不讓我連續的呼吸擾亂蠟燭周圍的空氣；而現在，如果我拿一根點火棒，距離燭蕊大約5公分遠，你會看到一串火苗沿著煙霧爬上蠟燭（圖2）。我最好手腳俐落些，如果我的動作太慢，煙霧就有時間冷卻進而凝結為液體或固體，可燃物質的流動就會受到妨礙。 圖2 n  氣流對火焰形狀的影響 接下來，我們要談到火焰的形狀或形態。也就是蠟燭中的物質爬上燭蕊後所產生的，只有燃燒或火焰那無可比擬的美和亮光。黃金、白銀耀眼迷人，紅寶石、鑽石、珠寶更是光彩奪目；但它們都不如火焰出色動人。哪顆鑽石能閃耀如火呢？夜裡鑽石的光輝尚須向火焰借光。火焰在暗夜裡閃耀，除非火焰照上鑽石，它才得以展豔。蠟燭只為自己、依靠自己發亮，或是為那準備蠟燭的人工作。現在我們來觀察玻璃燈罩裡火焰的形狀，它的形狀穩定且均勻。其形狀如圖3所示，火焰的外形隨著氣流擾動變化，也依據蠟燭大小而變。 圖3 這是個光亮的橢圓形，上面比下面亮，燭蕊在中間；除了燭蕊比較暗之外，在底部還有更暗的部份，這部份的燃燒不像上面那麼完全。我這裡有張圖，幾年前由虎克[4]所繪製的，那時他正在做這方面的研究。這張圖畫的是油燈的火焰，但也適用於蠟燭的火焰。蠟燭的凹槽就如同盛放的器皿或檯座；融化的鯨油則可視為燃油；而蠟燭和油燈都有燈蕊。在燈蕊上點起小小的火苗，然後發生了一件事：有些你看不到的物質從火焰升起，假如你沒有聽到前面的演講或不熟悉這主題，你就不知道有這些物質。 虎克描繪出火焰周圍非常關鍵、無時不在的氣流。我們的蠟燭有股氣流成形並拉長火焰；你所見的火焰被拉得很高，就像虎克在圖上畫的氣流延展的形貌。你可以把點燃的蠟燭拿到陽光下，讓它的陰影投射到一張紙上，或許就能看到我所說的樣子。這是多麼神奇呀，自身亮得足以使其它東西產生陰影的，也會在紙上被投出陰影（圖4），如此你就能確實看到周圍不屬於火焰本身的氣流，而這氣流上升並拉高火焰。現在我要把電池裝上電燈，好模擬太陽光。你現在看到我們的太陽和它的亮光；在光源和屏幕中間放置蠟燭，就得到了火焰的影子。你觀察到蠟燭和燭蕊的陰影；接下來是如圖所示（圖4）的一片微暗的區域，還有一塊較遠的區域。挺神奇的是，從影子觀察到火焰最暗的地方，實際上是最亮之處；這邊你看到熱空氣往上流，一如虎克畫的那樣，這股氣流拉長火焰、供應空氣並冷卻融蠟的凹槽圍牆。 圖4 我再更進一步演示，讓你們看看火焰如何因為氣流而上升和下降。我這裡有一具火焰——這不是燭火——但無疑地，它和燭火所受的影響是一樣的。我現在要做的是將上升的氣流改變為下降氣流。我可以藉由面前這個裝置輕易做到（圖5）。 圖5 如我剛才所說，這火不是燭火，而是酒精燃燒的火，所以不會產生很多煙。我也用某種物質為酒精染色，如此你才好追蹤它的軌跡；假如沒有染色，你就看不清楚，也就難以追蹤其軌跡。點燃酒精，我們製造出火焰，接著你觀察到，把火焰舉在空中，它自然會上升。你相當瞭解為什麼在一般環境下火焰會往上升：是因為這股協助燃燒的空氣的流動造成的。但是現在我把火焰向下吹，你看，我讓火焰往下進入這個小煙囪，氣流的方向被改變了。在這堂演講結束前，我們應該讓你看看一種燈，它的火焰往上升，但煙霧卻向下降，或是火焰下降但煙霧上升。我們可以改變火焰的方向。 我得提醒你幾件事。大部分你看到的火焰，其形狀受到周圍不同走向的氣流所影響；如果需要的話，我們可以控制火焰，這樣它們看起來像是固定的，而且我們可以對它照相——實際上我們有必要照下它們——這樣它們才能固定，好讓我們得到所有關於火焰的知識。不過，這不是唯一我想提醒你的。如果我升起一團大火，它的形狀便不會這麼一定、這麼齊整，但它的火焰卻迸發出相當的活力。我將援用另一種燃料，也可以如實地代表蠟燭中的蠟油。我有一大團棉花，用來作為燭蕊。將這團棉花浸入酒精液體並點燃之後，它和普通蠟燭有甚麼不同呢？啊，它們差異可大了，這東西燃燒時生氣勃勃且充滿活力，它的美、它的生命在在不同於燭光。你看到那些美妙的火舌升起。這團火從下到上均勻地燃燒，除此之外，它還擁有引人注目的、迸發的火舌，這是蠟燭燃燒看不到的。 […]

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。 […]