蜡烛的化学史

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    英国大科学家法拉第在电磁学、光学及化学上的贡献，二百年来一直受到举世推崇。电磁学四大定律之一的法拉第定律，讲到如何由磁场变化产生电场，这 定律导致马达与发电机的发明。在光学上，法拉第效应讲的是磁场可以如何改变光的行进，即所谓的磁光效应。在化学上，法拉第发现气体的液化行为并在电解及电 化学等领域有极大的贡献，他还制造出许多当时颇为新奇的物质，如四氯乙烯、合金钢、苯等。有人推崇他是最伟大的实验家，为了尊敬这位伟人，英国皇家化学学 会中设有法拉第学会（Faraday Society）。

    法拉第也是一位杰出的科学教育者，他在一八四○～一八六○年间以蜡烛为主题，对青少年发表的一系列演讲尤其著名。演讲的内容后来被编成一 本书──《蜡烛的化学史》（Chemical History of a Candle），书中篇章包括蜡烛的组成、蜡烛的燃烧，以及氢、氧、水、二氧化碳的物理化学性质，还有大气的组成。  这一本基础物理化学通俗读物在西方十分流行，在此书中，法拉第利用蜡烛将自然的奥秘揭示给世人看，由这本书可以看出法拉第在科学上的素 养，以及他在推广通俗科学上的努力。法拉第关于蜡烛的第一次演讲，是在一八四八年的圣诞节，听众是青少年朋友，最后一次则是在一八六○年的圣诞节。

    这些演讲虽然已是很久以前的事了，但现在读起来内容仍感清新生动，因为演讲者本身就是一位天才科学家，他对事情有很深入的看法。蜡烛一书启 发了许多人对科学的兴趣，例如一九九四年诺贝尔奖得主欧希瑞夫（D. D. Osheroff，史丹福大学教授，因发现氦的低温物理性质而得奖），就曾提到这本书在他幼年时，引发了他对科学的兴趣。《蜡烛的化学史》曾翻译成各种文 字，尤其日文版更畅销了七十多版，但遗憾的是，这本书一直未出现中文版。  

    法拉第演讲的所在地是伦敦的皇家科学院（Royal Institution），它的创办人是美国人汤普生（Benjamin Thompson），在美国内战期间他为英军助阵，战后被迫逃离美国至伦敦定居。汤普生对热学研究很有贡献，发明过许多实用的锅炉装置。皇家科学院由他出 资成立，后来成为一流的科研机构，法拉第成名后，在此度过一生。皇家科学院至今仍为英国著名的研究机构，许多杰出的科学家都曾在这里工作过。法拉第认为， 伦敦皇家科学院圣诞节的演讲应集教育、娱乐、启发于一身。这些原则一直为皇家科学院所遵循，圣诞节的通俗科学演讲年年举办，至今不辍，相关信息可上 www.rigb.org网站查询。  

    接下来让我们看看《蜡烛的化学史》前二章的部分内容，在这一部分演讲中，提到蜡烛的制造、燃烧，然后提到燃烧时的火焰及气流的助燃等现象。 在以后的章节中，还提到燃烧的产物：水、氢、氧、二氧化碳及大气组成等有趣的问题。要记得这是一本他当时在现场示范的纪录，所以是以讲演的形式写下来的， 当时他准备了许多道具，当场以实验示范蜡烛燃烧及其相关现象，所以效果非常好。书中所示范的实验，一般读者在家中也很容易做到。  

蜡烛的制作  

    首先谈到蜡烛的制造过程，我们一般所见到的蜡烛都是用蜡做的。其实，蜡烛还可以用许多不同材料来做。尤其在一、两百年前，蜡烛是最重要的照 明工具，人类曾尝试以不同的方法制造蜡烛，例如，有由牛脂或抹香鲸的油脂做成的，也有用蜂蜜中的黄蜡精制而成的，或以爱尔兰油沼地取来的石蜡制造的。自油 脂提炼材料的方法，可能是给吕撒克（Gay Lussac）所发展出来的。  

    因为蜡烛可以熔化，我们也许会想象这些蜡烛是用模子做出来的。其实不然，例如用石蜡做的火烛，就无法用模子做出来，它是经由一种特别的手续制造的。但由动物脂肪做的蜡烛，却可以铸造。   石蜡做的蜡烛，是用一种特别的方法制造的。第一步将许多棉线挂起来，底部用金属片盖住，这一部分不会被蜡涂上。挂线架可以旋转，在转动时， 工人将熔化的蜡一层层浇上，待冷却后再继续浇，直到在线盖了厚厚的蜡为止，这时再把它们拿下，用石板磨圆。锥形的蜡顶是用特制管做的，底部则切掉磨平。这 些工作十分细致，因此蜡烛可以做成一样大小，例如一磅四支、六支等数目。  

蜡烛的燃烧

    我们要谈谈蜡烛和油灯燃烧不同之处。油灯是燃烧液体的灯油，而蜡烛则是燃烧固体的蜡，到底蜡烛是怎样将固体化成液体再进一步燃烧呢？其中有关未烧完的油蒸气，法拉第以精彩的实验示范，展现燃烧所形成的物质。有兴趣的读者可以动手试一试，以了解燃烧的过程。  

    油灯都具备油槽，蜡烛是固体，因此不需要容器。蜡烛燃烧时，在顶端会形成一个杯槽，杯槽内装满了熔化的蜡油，这就相当于油槽。而杯槽中的蜡 一直熔化到接近火焰燃烧的部分，这和油灯的燃烧情况类似。蜡烛燃烧时，火焰只在灯在线烧着，可能很多人会问，为什么火焰不会沿线烧下来？这是因为在燃烧过 程中，还包括一个蜡油气化的过程，若没有气化，液态蜡油是会把火弄熄的！在蜡烛或油灯的烧燃过程中，燃油都是藉毛细作用，自油槽中沿烛芯向上送到火焰燃烧 的部分，当燃油抵达上端时，就开始气化。
 
    毛细作用力把燃料带到可燃烧之处，而且储存在那里。举一个关于毛细作用的例子，当你将干净的手指插入热水中，水会沿指缝爬上手指到略为高出水面的地方，或许你并没有注意到这些现象。
  
    有一个实验可以说明这个原理。首先把一条盐柱放在盘中，再将饱和盐水倒入盘内。因为溶液已饱和，所以盐不可能再溶解，因此盘内溶液的变化， 不可能是由于盐柱溶化造成的。和蜡烛比起来，盘子是蜡烛本体，盐柱是灯芯，溶液是烛油。之后将溶液染黑，你可以观察到这黑色流体慢慢爬上盐柱，一直到顶 （只要盐柱不倒下）。假如这溶液是可燃的，同时我们在盐柱上加上灯芯，它就会燃烧起来，这就和蜡烛燃烧完全一样了。   蜡烛燃烧时产生的热气将空气向上推，在烛顶附近靠边缘的蜡，由于接触较冷的空气，使熔化的蜡油冷却下来，因而在烛顶形成杯槽，如果让蜡烛倾 倒，蜡油会沿重力方向流走。所以杯槽是因持续上升的热气流作用而形成的，这种作用造成空气对流，结果是热空气沿烛顶上升，冷空气自周围进来。  

    当蜡烛点燃后，有一股热空气挟着一些看不见的物质上升。蜡烛顶端的火焰是被这股上升的气流拉出来的，而且拉得很高。如果把一支点着的烛火放 在阳光下，再将其影子投射在一张纸上，便可以清楚观察到烛火的内部。首先可以看到火焰旁的一些阴影，它们不属于火焰的一部分，但却在上升，而且拉着火苗上 升，它们就是上升的热气流。

    假如用更亮的电灯来代替阳光，会更清楚地看到火焰的投影。除了烛体及灯芯外，还有一道暗影及一条拉长的气流，很妙的是，纸屏上较暗的部分在 火焰中却是较亮的区域。也可以看到屏幕上有一束上升气流，它不但将火焰向上拉，供应燃烧所需的空气则使烛芯的凹槽边缘冷却。至于为何火焰中较亮的部分，投 影到纸屏上反而变得较暗，这将在后面加以说明。

烛焰的结构

   要观察火焰的内部，可将一只玻璃弯管插入火焰中较暗的那一区域，不吹动蜡烛，保持烛火的稳定，你可以看到一旦将弯管插入暗区，马上就有东西 自管的另一端冒出。如果放一个烧杯之类的容器在管的另一端，收集它冒出来的东西，可以看到有些东西自管的这一端冒出来落到杯底，像是它们有重量似的，这与 火焰外部的气体不同。我们发现自管端落下之物其实是蜡蒸气，这就是当我们把蜡烛吹熄时所闻到的那股味道。

    所以，蜡烛燃烧的就是这些蒸气。为了更清楚地说明这点，你可以吹熄蜡烛，当蒸气冒出来时，再在远程点燃它。若是透过上面所提的步骤，在一只 烧杯内收集大量凝结的蜡蒸气，再用油灯把它烧热，会看到凝结的蜡先化成液体，然后开始冒出一点烟来，接着就会有蒸气产生，持续加热会有更多东西冒出来，甚 至可以把蜡蒸气倒到一个平底盘上，然后点火引燃。这些蒸气就是在蜡烛中间较暗部位的蜡蒸气。

    为了确认这点，我们再做一个实验，来试烧这些来自蜡烛中间部位的蒸气。用一支管子把蒸气引出来，然后在管子的远程点火，你可以看到有熊熊的火焰冒出。但是如果把管子放在蜡火中燃烧完全的部分，也就是火焰的上部，没有了蒸气，管子另一端也就没有火焰了。  

    为什么会这样？这是因为在火焰中心或灯芯部位，有许多易燃的气体，而火焰外围有燃烧所需的空气，两者之间混合处就是发生剧烈化学反应的地 方，空气与燃料彼此相互作用，蒸气被耗尽了，同时也产生了光亮。在蠋芯发生剧烈化学反应之处，有很多化学物质生成，它们会吸收光线，前面提到火焰中较亮的 部分在纸屏上反而显得较暗，就是因为反应物吸收光线的缘故。

    我们可以把一片纸很快地插到火焰里去，看看究竟是那个部位最热，纸上会显示出一圈烧黑的地方，它的位置正是发生化学反应之处。这实验只要没 有太大的干扰，在家里就可以做成，先找一片纸，让屋内的空气静下来（没有流动），然后很快地将纸片放入火焰正中央再迅速拿出，会看到纸上有一块烧焦的地 方，中间部位却只有些许烧焦甚或完全没有。多试一、二次后，就会做得熟练，而轻易地找到火焰中最热的部位，也就是空气及燃料结合的地方。

    若我们把蜡烛放在一个密闭的大罐子内，一开始它会烧得很好，但情况很快就有了改变，你会看到火焰慢慢降低，最后熄灭了。这是由于空气的供应 不足，使得燃烧不完全，烛火一灭马上就有一束黑烟自蜡烛冒出，这些飞扬的碳粒是因为没有足够的新鲜空气而产生的，蜡烛火焰的内部也同样产生碳粒，但它们随 后在其它的部位反应烧掉了。

    你拿一根管子插到火焰中的明亮部位时，管子另一头会冒出白烟；如果把管子伸进火焰中最明亮那部分的上端时，会看见管子的另一端冒出黑烟。这 黑烟像墨水一样黑，显然与白烟不同，当你用火苗去点时，点不着它，反而把火弄熄了，这些粒状物就是蜡烛的烟。组成烟的物质显然早已存在于蜡烛内，否则它不 会在这里冒出。法拉第也举例说，在伦敦上空飞扬的烟雾，就是火焰中的这些黑烟，它们也是燃烧的产物。

火焰中的碳粒与光芒

    最后谈到蜡烛的光与热。我们知道蜡烛曾是一种重要的照明工具，它很亮，但温度不高；而同样来自氢氧焰的火炬，温度很高却不亮。法拉第对这两种火焰的差异，做了相当生动的解释。
 
   除蜡烛外，尚有其它形式的火焰，例如火药的燃烧会产生火焰，它与蜡烛的火焰有什么不同？火药内需要加入碳及其它材料使它燃烧，然后才能产生 火焰。（提醒大家，如果想在家里自己做这些实验，必须小心。应该谨慎使用这几样化学品，否则它们会造成伤害的！）你可以拿一点火药放在容器内，然后与铁粉 混合，将铁粉与火药混合的目的，是要利用火药点燃铁屑，让它们在空气中燃烧，然后比较有火焰与没有火焰的燃烧二者之间的差别。

    火药点燃时，请注意这里面会有二种燃烧发生，首先会看到火药燃烧，它有火焰产生，然后看到铁屑跟着点着了，但是它没有火焰，它只是铁屑的个 别粒子在燃烧（烧红）。这二种燃烧的确有很大差别，这与它们发生火光的机制有关。当我们用油、气体或蜡烛来照明时，就像以上情况一样，有各种不同形式的燃 烧（包括气体或固体）在进行着。   像铁屑之类的物质，当它们没有经过气化过程就燃烧时，它们会变得很亮。其实对任何物质都一样，只要是固体，不论它们烧着与否，加热后都会变得很亮。蜡烛的光亮也是因为火焰中含有许多微小的固态粒子而造成的。固体粒子的存在与否，才是亮与不亮的主要原因！

    先前的实验证明火焰含有碳粒，这是蜡烛大放光明的原因。我们可以找一个没有碳粒的火焰来比较，有一种物质叫氧，它可以与氢烧起来形成氢氧 焰，它们虽然是气体，却能产生比蜡烛更多的热量，由于缺少粒子，它的火焰并不亮。但是若在其中放入一些固体，就会很亮，例如取一块石灰放入火焰中，可以看 到它很快就会变得非常亮。（其实石灰并不会燃烧，而且一直是保持固态的）氢与氧燃烧的火焰会产生很多的热，但一点都不亮，要光亮并不需要热，要的是固体粒 子。氢氧焰中石灰块产生的光芒，几乎与日光相等。

    如果将一条白金（铂）丝线放在火焰中，可以看到它变得多亮！加热这条白金丝线时并不会发生化学变化。若你把火焰弄小，使它只能放出一点点亮 光，这时火焰传给铂线的热虽然只有一点点，依旧将铂线弄得很亮。这些例子显示了所有火光中都有颗粒，就是因为有这些颗粒的存在，才会带给我们光辉与绚丽。
 
   若我们用炙热的氢氧焰来对着蜡烛火焰吹，使碳粒都完全燃烧，蜡烛火焰也会变蓝而不亮。很显然当我们用氢氧焰烧它时，有足够的氧气让碳粒烧 完，以致无法将碳粒再释放到火焰中。我们也可以在氢氧焰中放入一些会产生碳的东西来增加亮度，例如用一点樟脑油，它烧起来会产生许多烟，利用一支管子将这 些烟送进氢气的火焰中，可以看到它立刻变得很亮，这是二度燃烧的碳粒子，用一张纸面对吹出来的氢氧焰，就能够轻易看到它们。煤气火焰中的光芒也是因粒子而 产生的，它和烛火的碳粒相同。

    我们可以看到，在燃烧蜡烛时有东西产生，其中一部分是碳，此外还有其它物质产生，消失在空气中。若是我们想知道消散在空气中的物质有多少，可以进行以下实验。

    先前的二、三个实验，已显示上升的是热气，但为了要知道上升的物质为何，我们可做个简易的实验。利用一个装满酒精的盘子，就像蜡烛上的杯 槽，在它上面放一个像烟囱的东西，它有规范气流的作用，顶端再套上气球，点燃酒精后，在火焰顶端应该会收集到燃烧的产物，它与燃烧蜡烛所产生的物质相似。 这种由酒精所产生的火焰并不亮，因为酒精燃料产生的固体碳很少。

    我们用气球可收集燃烧的产物（气球在充满时必须抓住）。它会飞走是因为里面装满了热气（这就是热气球的原理）。   如何可以看到火焰燃烧时产生的物质呢？用一支大试管倒放在燃烧的蜡烛上方，可以看到管子变得不透明了。如果我们将一支蜡烛放在一个大罐内， 再用另外一支蜡烛放在罐外当作照明用，可以看到罐内变得雾状，而且烛火在罐内变弱了。如果找一支冷汤匙放在蜡烛上，调节它与蜡烛间的高度而不要使它变黑， 在上升的火焰中，我们发现有一种物质会凝聚在冷的汤匙或干净的面板上，或是任何其它低温的物体上，但也有一部分物质不会凝结。我们首先要观察会凝结的这部 分，很妙的是，我们发现这部分产物就是水。

    最后作者要补充说明的是，物体加热发光是日常生活中常见的现象，例如铁烧热会变红，再加温会变白热。法拉第注意到气体加热后发出的光并不 强，这可以拿我们日常所用的钨丝灯来对照，它可是靠固体加热发光。气体发光的例子是霓虹灯，是由氖气放电造成原子内部电子的跃迁而发光。

    由于蜡烛火焰所能提供的能量不够强，无法造成电子跃迁，因此一般气体火焰都比较暗淡，如果将火焰温度加高，焰中的碳粒在尚未形成电子跃迁 前，早就气化而不存在了。对物体的加热发光，到一九二五年量子理论提出后才完全了解，法拉第那个时代这些理论都尚未成形，但是他所描述的现象，则是完全正 确与可解释的。