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。 […]

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 第六章　呼吸作用與蠟燭燃燒之類比 各位來到皇家有位聽眾送我兩支日本來的蠟燭，這些蠟燭是用之前上課提到的物質做成的。你看，這兩支日本蠟燭比法國蠟燭更精緻，從外觀看來是高檔的奢侈品。古怪的是，它們是空心蠟燭。亞干先生就是利用這種特殊的方法，創造出實用的油燈。這些來自東方的禮物，其材質隨著時間變化，表面漸漸失去光彩，黯然失色。但只要用一塊乾淨的布或絲質手帕，磨擦蠟燭表面，便能打亮上面裝飾的小皺摺和花紋，輕易地恢復它們原有的美麗色彩。這裡有兩根蠟燭，我擦亮其中一支，另一支留著不擦，你就能清楚看到兩者的差別；但只要同樣地磨擦，另一支也可以恢復漂亮的樣子。仔細觀察，日本的鑄模蠟燭比我們這邊的蠟燭更接近圓錐形。 上次演講我談到很多關於二氧化碳的事。我們從石灰水實驗中發現，當蠟燭或油燈上的蒸氣落入裝著石灰水的瓶子，澄清石灰水（我已經說明過調配的方式，你可以試著做做看）會變成白色混濁，那就是石灰質，存在於貝殼、珊瑚，以及地球上的各種岩石和礦物之中。但是我還沒完全告訴你二氧化碳的化學性質呢！讓我們一塊兒來研究這個主題吧。 我們曾經檢查過蠟燭燃燒所釋放的水，並分析其中所含的元素；現在讓我們來看看蠟燭燃燒產生的二氧化碳，它的元素是從哪裡來的？其實只要幾個實驗，我們就可以讓這些元素現形。我想你還記得，當蠟燭燃燒不完全時，會產生黑煙；但如果燃燒順利，就不會有煙產生。蠟燭的亮度由點燃的煙霧所決定。有個實驗可以證明這點：只要煙在燭焰中被點燃，它就會放出美麗的光芒，也不會產生黑色微粒。現在我要來製造出強烈的火焰。我在海綿上沾一點松節油。你看見煙霧大量升起、飄散到空氣中。記好了，從蠟燭得到的二氧化碳，就是來自這種煙。 n  二氧化碳中含有碳和氧 為了讓你看清楚，我會把燃燒松節油的海綿丟入充滿氧氣的燒瓶，現在，煙霧完全被消耗掉了。這是我們實驗的第一部分，接下來呢？松節油燃燒，進而產生碳粒飛散在空中，這些碳粒在氧氣中被完全燃燒掉；藉著這個簡單的實驗，我們得到的結果和蠟燭燃燒一樣。在氧或空氣中燃燒的碳，以「二氧化碳」的形態出現；而那些不完全燃燒的粒子，告訴我們二氧化碳中的第二種物質：「碳」。空氣充足時，「碳」會使火焰明亮；但當氧的份量不足以燃燒「碳」時，碳就被大量地拋出來。 接下來我要演示碳和氧結合為二氧化碳，你現在對這個過程比之前更為了解。這個廣口瓶裡裝著氧氣，坩鍋中加進了碳並且被加熱到火紅。我讓廣口瓶保持乾燥，為了讓燃燒看起來更加明亮。我要讓碳和氧作用。你會看到碳粒（磨成粉的普通木炭）與氧在空氣中燃燒（從坩鍋弄出燒紅的碳粒）。現在我讓碳在氧氣中燃燒，仔細觀察它們的特別之處。從遠處看來燃燒好像有火焰，但其實沒有。每一顆碳粒燒起來放出亮光，就像顆小火星；當碳粒以此方式進行燃燒作用，就製造出二氧化碳。我尤其希望這些實驗能指出待會兒要加強說明的部分，碳粒是這樣燃燒的，而非以火焰的形式燃燒。 與其燃燒碳粒，不如用大塊一點的東西，讓你看清楚外形和尺寸，而且更能明確地追蹤效果。這兒有一個裝滿氧氣的廣口瓶，還有綁著一小塊木頭的木炭，我燃燒木頭以點燃木炭、開始燃燒作用。你現在看見木炭燃燒，但沒有火焰（如果真的有火焰，也是很小的，因為緊鄰著碳的表面形成了氧化碳）。你看到木炭繼續燃燒，碳或木炭（這兩個名詞意思一樣）與氧結合，慢慢製造出二氧化碳。我手上還有一片木炭、一塊樹皮，燃燒時會被吹爆成碎片。因為「熱」的影響，一大塊的碳被縮小為會飛散的碳粒子；每個小粒子和一大塊碳一樣，以這種獨特的方式燃燒，它就像碳那樣，燃燒時沒有火焰。你觀察到很多進行中的燃燒作用，但都不是火焰。這個實驗呈現的是：碳燃燒時會出現閃光和火星。 二氧化碳由組成元素一次形成，如果我們用石灰水檢驗，你會發現裡面的物質和我之前描述得一樣。把6等份重的碳（不論碳來自燭焰或木炭粉）和16等份的氧放在一起，就會得到22等份的二氧化碳；當22等份的二氧化碳和28等份的石灰結合，會生成一般的石灰碳酸鹽。如果你檢驗牡蠣殼並磅秤組成成分的重量，會發現：每50等份的重量中，含6等份的碳、16等份的氧，以及28等份的石灰。然而，我並不想讓這些細瑣的數字造成你的困擾，這不過是物質的一般原理。我們還要再進一步地研究，觀察碳如何逐漸消失（指向在氧氣瓶裡靜靜燃燒的木炭）。你可以說：實際上木炭就消散在周圍的空氣中。如果那是純粹的碳，我們其實可以輕易製備，也不會留下殘餘。如果使用的是完全純淨的碳，的確不會產生灰燼。碳在緻密的固體狀態下進行燃燒，單單「熱」本身並無法改變固體的性質，碳則消散為氣體，而且在一般環境下這氣體不會凝固為固體、或凝結為液體；可是呢，更令人驚奇的是，氧沒有因為結合了碳而改變體積，二氧化碳的體積和原來氧的體積相同。[43] 在完全了解二氧化碳的性質之前，我還要再演示一個實驗。二氧化碳這種化合物由碳和氧組成，我們可以將它分解為組成元素。就像水的分離，我們也可以將二氧化碳分開成兩個部分。分開二氧化碳最簡單、便捷的方法就是，運用某種物質吸引氧，但是留下碳。你回想一下，我曾經把鉀丟入水中或放上冰塊，鉀就可以把氧從氫分離出來。現在我們也要對二氧化碳做類似的事。你曉得二氧化碳是種「重」的氣體：我不打算用石灰水來進行檢驗，因為它會干擾接下來的實驗；我想，氣體的重量和熄滅火焰的能力，就足驗證二氧化碳了。我把燃燒中的火焰接近二氧化碳，你看火焰是否會被熄滅。你看到亮光變得黯淡。雖然含磷物質燃燒起來相當劇烈，但事實上二氧化碳可以撲滅燃燒的磷。這塊磷被加熱到高溫，我把它丟入二氧化碳氣體，它原本的亮光就黯淡下來了，但回到空氣中它又再次起火燃燒。我手上的鉀在常溫下就會和二氧化碳有所作用，但因為鉀會很快地覆上一層保護膜；我們可以像是做磷的實驗那樣，把鉀加熱到它在空氣中的燃點，它就可以在二氧化碳裡燃燒，把氧氣帶走，然後會看到剩下來的東西。 我要在二氧化碳氣體中燃燒鉀，證明氣體中含有氧。（一加熱鉀就爆炸了）。有時候我們會拿到難搞的鉀，燃燒時會爆炸或發生類似的狀況。我再拿一片鉀，加熱後丟入裝著二氧化碳的罐子，你發現它會在二氧化碳氣體裡燃燒，燃燒情形不如空氣中好，因為二氧化碳含的是已經化合了的氧氣；但它的確在燃燒，並帶走氧氣。如果我現在把鉀放入水，你會發現在碳酸鉀的旁邊產生了一些碳。我在這裡做的實驗非常粗糙，但我能保證，如果我要仔細地進行實驗，花上一天的時間、而非五分鐘，我能在湯匙上或鉀燃燒的地方，留下足夠的碳；這樣的結論就不會引發任何質疑。這就是從二氧化碳得到的碳，普通的黑色物質。由此可知，以上實驗提供了完整的證據，二氧化碳是由碳和氧所組成的。現在我能告訴你：碳只要在一般的環境下燃燒，都會產生二氧化碳。 如果我將一塊木頭放入裝著石灰水的瓶子。無論我如何搖晃這個瓶子，它都保持在澄清的狀態；可是，如果我在瓶子內燃燒這塊木頭呢？你當然曉得，燃燒會得到水。可是我有得到二氧化碳嗎？你看，碳酸鈣和二氧化碳中的碳，都來自於木頭、蠟燭或其它東西。事實上，你自己就常常在做一個很棒的實驗，證明碳存在木頭裡。當你燃燒木頭的時候，不要完全燃燒，將火吹熄，你就看到碳了。 但是有些碳無法用這種方式顯現出來，例如蠟燭，雖然它的確含有碳。這裡有一瓶煤氣，會產生大量的二氧化碳氣體；你現在沒看到碳，但我們能馬上讓它現形。我將點燃煤氣，只要筒子裡有煤氣，就會持續燃燒。你還是沒看到碳，但有看見火焰；因為火焰是明亮的，這會讓你猜到火焰裡有碳。但我還要進行另一個操作。另一個筒子裡也裝著同樣的煤氣，裡面還混有另一種物質，這種物質可以燃燒煤氣中的氫，但不會燃燒碳。我用一根小火燭點燃這罐混合氣體，你發現氫被消耗掉了，但碳沒有，它變成了濃密的黑煙。我希望藉著這些實驗，讓你學會如何辨別碳；並且曉得氣體或其它東西在空氣中完全燃燒的時候，會產生甚麼物質。 在我們結束碳的主題之前，我們還要針對碳的燃燒進行幾個很棒的實驗。在燃燒過程中，碳以固體形態進行燃燒，燃燒過後，碳就不再是固體了。很少有燃料是這樣作用的。事實上，只有這類含碳的燃料：碳、木炭、木柴，才會這樣作用。我不知道除了碳之外，還有哪些元素的物質燃燒時也有同樣的情形。如果所有的燃料都像鐵那樣，燃燒後成為固體，我們的世界會怎麼樣呢？我們將不會看到壁爐中的燃燒現象。這裡還有一種燃料也很適合燃燒，至少和碳一樣好。它有多會燒呢？光是處在空氣中，它就自己燒起來了。（折斷一管自燃性的酒石酸鉛）。這個物質是鉛，[44]你看，它燃燒地多麼美啊。火焰分得很開，就像壁爐裡的一堆碳：空氣可以接觸到它的表面、進入裡邊，所以它可以燃燒起來。[45]但為什麼當它聚成一團時，不會這樣燃燒呢？（把管子清空，將內容物倒在鐵盤上堆成一堆。）原因很簡單，因為空氣進不去。 雖然它能產生高熱，但無法釋放出壁爐和鍋爐所需的大量熱能；因為燃燒後的產物沒有逸散開來，在底部的可燃物無法和空氣接觸。這和碳的燃燒差得遠了。碳和酒石酸鉛燃燒後在壁爐內都會產生猛烈的火，但是碳燃燒產生的物質會消失，留下乾淨的部分。我曾經讓你看過，碳燃燒時會在氧氣中逐漸消散，沒有留下灰燼；但在這裡（指向那堆自燃物質），因為燃料和氧結合，實際上我們得到比燃料更重的灰燼。從這裡你發現了碳和酒石酸鉛、鐵的差異，如果我們選擇用鐵來發光發熱，把鐵用在我們的燃料實驗上，會得到很奇妙的結果。碳燃燒的時候，如果它的產物以固體型態飄散，我們會看見空氣中佈滿不透明的物質，就像磷的燃燒一樣；而實際上當碳燃燒時，所有的東西都消失在空中。在發生燃燒作用之前，碳處於固定、無法改變的狀態；但經過燃燒後，成為氣體的碳反而很難變成固體或液體。 n  呼吸作用是一種燃燒，呼出的氣體是二氧化碳 現在我們將進入一個很有趣的主題，也就是蠟燭的燃燒和我們人類生命中的燃燒現象的關聯性。每個人身體裡都進行著某種類似蠟燭的燃燒，我會解釋清楚這一點。存在於人的生命和蠟燭之間的，不僅僅是一種詩意的聯想。為了釐清兩種燃燒的關係，我設計了一個小小的裝置，我們現在就可以組裝起來（圖31）。這塊木板上有個可以蓋起來的小凹槽，裡面是玻璃細管；在凹槽的兩端，我接上玻璃圓管，連接的玻璃管與圓筒形成通道，空氣能順暢通行整個裝置。我把一根蠟燭放進其中一個圓筒，這根蠟燭會繼續順利燃燒。你仔細觀察，供應燃燒的空氣從玻璃圓管進入，下到凹槽內的管子，最後上升到放置蠟燭的圓管。如果我關閉空氣進入的孔道，這個裝置就無法正常運作，進而造成燃燒作用停止、蠟燭熄滅。現在你想想，為甚麼會這樣呢？ 圖31 之前我們做過一個實驗，我把蠟燭燃燒產生的氣體送到另一根蠟燭。如果我把蠟燭燃燒產生的氣體，用某種複雜器材送進供應端的圓筒，原本另一邊燃燒的蠟燭也會熄滅。如果說，我呼出的氣會讓蠟燭熄滅，你是怎麼想的呢？我的意思不是要把它吹熄，而是因為我呼出的氣體本身不助燃。現在我往裝置左方（圖31）吹入氣體，但不吹動燭焰；除了我嘴巴出來的氣體之外，沒有其它氣體進入裝置。你看到結果了，我沒有把蠟燭吹熄，我只是讓呼出來的氣體進入裝置，結果蠟燭因為缺乏氧氣而熄滅了，除此之外，沒有其它原因。我的肺已經帶走了空氣中的氧，因此呼出來的氣沒有足夠的氧供應蠟燭燃燒。起初蠟燭燒得好好的，但在我送入的壞空氣到達那邊時，蠟燭隨即熄滅。留心觀察空氣到達彼端之前的那段時間，那是很奇妙的感覺。 現在，我要讓你再看另一個很重要的實驗。這個玻璃罐子裡有新鮮的空氣，你可以讓蠟燭或煤氣燈在其中燃燒。我把罐子移近一點，方便我用吸管向瓶內吹氣。接著把罐子浸到水裡（圖32），就像這樣，我可以吸走空氣（如果軟木塞夠緊的話）、將空氣吸進肺裡，然後再吐回罐子裡：我們來檢查檢查，看看結果如何。從水的升降可以明顯地看到，我先吸了空氣，然後吐回去；現在把小火燭丟入呼吸過的空氣，從暗下來的火光可以得知蠟燭熄滅了。即使我只呼入一口氣，一樣會完全破壞空氣原有的燃燒效用，所以我的第二次呼吸等於是多餘的。現在你曉得了，許多窮人階級的房子設計不當，住在裡面的人重複呼吸同樣的空氣，通風不良、缺乏新鮮空氣。空氣被呼吸一次就壞掉了，可見新鮮空氣多麼重要。 圖32 我們更進一步地研究，來看看石灰水會發生甚麼事。這個球形瓶（圖33）裝著石灰水，針對空氣的通路裝置特殊玻璃管，這樣我們就能知道結果是否為呼出的空氣所造成的。我可以（藉著A管）吸空氣，讓外面的新鮮空氣進來、經過石灰水，或是從B管把氣吹到石灰水底部，顯示出它對石灰水的影響。你發現，無論我吸多久，讓外面的空氣進來與石灰水接觸，也不會發生任何改變。新鮮空氣並沒有使石灰水變混濁；但如果我對石灰水連續吹氣，它就變成了混濁的乳白色液體，這便是呼出氣體的作用。從呼出氣體和石灰水的接觸的結果，你知道空氣是被二氧化碳所弄壞的。 圖33 桌上有兩個瓶子，一瓶裝著石灰水，另一瓶裝著普通的水。玻璃管穿進去並連接兩個瓶子（圖34）。這個裝置雖然簡單，卻很好用。[46]我從這個吸管吸氣，往另一個吸管吐氣，玻璃管的裝置會避免空氣倒流。我的嘴巴和肺吸入外面進來的新鮮空氣，而呼出的氣體則通過石灰水；這樣我可以持續呼吸，做出準確的實驗，得到良好的效果。你發現新鮮空氣不會對石灰水起作用，但當石灰水只接受我吐出的氣，你就看出兩者的差異了。 圖34 n  吸入肺中的氧和食物產生類似燃燒的作用，並釋放出二氧化碳和熱量 我們再進一步想，這個運行不息的，我們賴以為生的，造物主安排的，獨立於人類意志的「呼吸作用」究竟是甚麼呢？如果停止呼吸，我們就活不下去。當我們睡覺的時候，呼吸器官和相關的部分仍然在運作，我們不能不呼吸，肺必須與空氣接觸。我簡短地說明一下這個過程。我們吃東西時，食物通過體內奇妙的血管和器官，被帶到不同地方，尤其是消化系統。食物經過變化後由一組血管流經肺部，同時，呼吸的空氣則被另一組血管帶進及帶出肺部。此時空氣和食物接觸，只隔著一層薄膜。空氣即在這個過程中對血液作用，產生類似蠟燭燃燒的效果。蠟燭和空氣中的某些部分結合，形成二氧化碳、釋放「熱」；而在肺部的變化也相當奇妙的，空氣進來和碳結合（此處所指的碳並非處於自由狀態，而是在可以和空氣起作用的情況），產生二氧化碳、送到大氣中並釋放出熱量：因此我們可以將食物視為燃料。我用一小塊糖來說明。糖跟蠟燭含有一樣的元素，雖然元素組成比例不同，但都是碳、氫、氧的化合物。元素間的比例如下表所示：     糖的元素重量比 碳 72 氫 11 氧 88 這是件很神奇的事，氫和氧的質量比正是它們在水中的比例，所以糖等於是由72等份的碳和99等份的水組成。[47]糖裡面的碳和氧結合，呼吸作用帶進氧氣，讓人作用得像蠟燭一樣，這些作用除了產生熱能之外，還有更美妙的結果；藉著一個相當美麗卻十分簡單的過程，維持我們生命系統的運作。 我要用糖來做實驗，讓你看看更為驚人的結果；為了加速實驗反應，我們使用糖漿，其中含有3/4的糖和一些水。把硫酸滴上糖漿，硫酸會把水帶走，留下一團黑色的碳。（講者把兩者混在一起）。你仔細觀察碳是怎樣出現的，很快就會出現一團固體的黑炭、來自糖的碳。你知道糖是吃的食物，但你絕對想不到，糖竟然能弄出這一團固態的碳！如果我再動些手腳，讓糖裡面的碳發生氧化，我們會得到更驚人的結果。我要使用一種氧化劑，它能比空氣更快使物體氧化；用氧化劑氧化糖，這種燃燒形式上與呼吸作用不同，但一樣是氧化反應。在我們的身體裡，糖的碳和肺提供的氧接觸而發生氧化。如果我讓這個作用立刻完成，你就會看到這種燃燒。差別是，肺部從空氣吸進氧，在這裡氧化劑則讓燃燒的過程迅速完成。 等我告訴你碳的產量時，你會大感詫異。一枝蠟燭可以燒上4~7個小時。每天有這麼多的碳變成二氧化碳上升到空氣中呢！呼吸的時候，我們呼出那麼多碳！因為燃燒或呼吸作用，碳發生了多麼奇妙的變化啊！24小時之內，藉著呼吸作用，人可以將198公克的碳轉變成二氧化碳，乳牛可以轉化1,980公克，馬可以轉化2,235公克的碳。也就是說，馬的呼吸器官在一天之內燃燒2,235公克的木炭或碳，以供應生命所需的熱能。所有溫血動物（恆溫動物）都用這個方法得到熱能，也就是燃燒非自由態的碳。這個事實讓我們體會到，碳的轉換對大氣造成驚人的影響。24小時內，光是倫敦人的呼吸就能產生2,270公噸的二氧化碳，這些碳跑去哪裡了呢？它們飄進空氣啦。如果碳像是我給你看的酒石酸鉛或是鐵那樣，燃燒時製造出固體物質，那麼會發生甚麼事呢？燃燒作用就不會持續了。木炭燃燒會成為氣體，接著飄散逸入空氣；空氣是很好的載體，可以把二氧化碳帶到其它地方。二氧化碳接下來又會變成甚麼呢？ n  […]

高中論證教學設計 ──以蠟燭燃燒水面上升為例 許綺婷 國立臺灣師範大學科學教育研究所國立屏東高級工業職業學校hsu9716@gmail.com  n  學習論證的重要性 科學論證有兩種意義，其一為「知識的辯護」，其二為「說服」（Jimineź-Aleixandre & Erduran, 2008）。在科學探究的過程中往往需要用到論證，包括針對問題產生假說，設計實驗以獲取證據的假說演繹論證過程，以及如何說服科學社群接受自己的研究成果的論證過程。因此，高中生若沒有學習論證，則無法學到探究科學知識的完整過程。有鑑於此，本文目的在於提供一個高中論證教學設計，以作為論證教學的參考。 n  論證教學設計 許綺婷（投稿中）提出一個高中科學論證教學模式，由察覺一個困惑的觀察而提出問題，然後進入假說演繹論證過程（針對問題產生假說，設計實驗以獲取證據來支持假說），接著進入社群討論之論證過程（透過說服、溝通以討論出最適當的假說），最後得出結論。此模式共分四個階段，包括提出問題、假說演繹論證過程、社群討論之論證過程與結論。本文乃依據此模式並修改Lawson （2002）而開發出以化學科「蠟燭燃燒水面上升」為例的論證教學設計。為使學生熟悉論證結構，以利後續的論證教學，在教學前增加預備情境，先教導論證結構並清楚說明論證的如果/則/所以（If/then/Therefore）型態。以下將從預備情境開始，依序從提出問題、假說演繹論證過程、社群討論之論證過程最後得到結論等方面說明本文之論證教學設計內容。 一、預備情境 (一)先以虎克定律為例，清楚說明提出假說，設計實驗，做出預測，比較觀察值和預測是否符合，是否支持此假說，並清楚說明論證的If/then/Therefore型態。 如果（If）…彈簧長度是造成彈簧伸長量不同的原因【提出假說】 而且…當控制其它變因時，使兩個彈簧的長度不同【設計實驗】 則（then）…彈簧伸長量應該會不同【預測】 但是…最後的結果彈簧伸長量是相同的【比較觀察值和預測是否符合】 所以（Therefore）…彈簧長度的假說可能是錯誤的【是否支持此假說】 (二)蠟燭為石蠟族CnH2n+2的混合物，通常以 C25H52代表。蠟燭與氧燃燒，生成二氧化碳及水，可讓學生練習平衡方程式。其燃燒反應如式[1]和[2]所示： 2CnH2n+2 + (3n+1)O2 →2nCO2 + 2(n+1)H2O +熱量  [1] 或C25H52 + 38O2 →25CO2 + 26 H2O +熱量  [2] 二、提出問題：蠟燭燃燒水面為何上升 教師先示範蠟燭燃燒的實驗，在裝了水的水盆當中有一根燃燒中的蠟燭，將廣口瓶反轉蓋在水盆當中的蠟燭後發現，蠟燭在瓶裡還會燃燒一會兒時間，這時水慢慢上升，但是當燭火熄滅後，水面則快速上升，上升的高度比剛才還高。讓學生透過這樣的觀察而引發他們提出一個問題：水面為何上升？ 三、假說演繹論證過程 根據實驗現象可以引導學生對於「水面為何上升」的問題，提出多種假說，包括(1)耗氧假說（H1），(2)空氣熱漲冷縮的假說（H2），(3)水膨脹的假說（H3）。接著學生針對假說設計實驗，而後經由演繹推理做出預測，將實驗所得的觀察值和預測加以比較，以得到是否支持假說的結論，並請學生將論證過程以If/then/Therefore推理來呈現。 (一)耗氧假說（H1）：燭火消耗瓶中的氧氣而生成二氧化碳及水蒸氣，水蒸氣於燭火熄滅冷卻後會凝結成小水滴附著在器壁上。生成的二氧化碳是所用掉氧氣體積的25/38，加上二氧化碳微溶於水，因此瓶中的氣體體積應略為減少，水面因而上升。 If—若耗氧，燭火消耗瓶中的氧氣而生成二氧化碳及水蒸氣 And—-若使用大廣口瓶 Then—消耗氧氣較多，水面應上升較多 And—-看到水面上升量較多， Therefore—耗氧假說被支持。 (二)空氣熱漲冷縮的假說（H2）：蠟燭的熱使空氣膨脹，當燭火熄滅後溫度下降，空氣體積縮小，水面因而上升。 If—蠟燭的熱使空氣膨脹， And—-當4根蠟燭燃燒時， Then—由於溫度上升愈多，空氣應膨脹愈多，當燭火熄滅後溫度下降，空氣體積應縮小更多，水面應該上升更多。 And—-看到水面上升量較多， […]