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從法拉第的演講看蠟燭科學

92/10/15 瀏覽次數 13106
科學家兼科普教育推動者

英國大科學家法拉第在電磁學、光學及化學上的貢獻,二百年來一直受到舉世推崇。電磁學四大定律之一的法拉第定律,講到如何由磁場變化產生電場,這定律導致馬達與發電機的發明。在光學上,法拉第效應講的是磁場可以如何改變光的行進,即所謂的磁光效應。在化學上,法拉第發現氣體的液化行為並在電解及電化學等領域有極大的貢獻,他還製造出許多當時頗為新奇的物質,如四氯乙烯、合金鋼、苯等。有人推崇他是最偉大的實驗家,為了尊敬這位偉人,英國皇家化學學會中設有法拉第學會(Faraday Society)。

法拉第也是一位傑出的科學教育者,他在一八四○~一八六○年間以蠟燭為主題,對青少年發表的一系列演講尤其著名。演講的內容後來被編成一本書–《蠟燭的化學史》(Chemical History of a Candle),書中篇章包括蠟燭的組成、蠟燭的燃燒,以及氫、氧、水、二氧化碳的物理化學性質,還有大氣的組成。

這一本基礎物理化學通俗讀物在西方十分流行,在此書中,法拉第利用蠟燭將自然的奧祕揭示給世人看,由這本書可以看出法拉第在科學上的素養,以及他在推廣通俗科學上的努力。法拉第關於蠟燭的第一次演講,是在一八四八年的聖誕節,聽眾是青少年朋友,最後一次則是在一八六○年的聖誕節。

這些演講雖然已是很久以前的事了,但現在讀起來內容仍感清新生動,因為演講者本身就是一位天才科學家,他對事情有很深入的看法。蠟燭一書啟發了許多人對科學的興趣,例如一九九四年諾貝爾獎得主歐希瑞夫(D. D. Osheroff,史丹福大學教授,因發現氦的低溫物理性質而得獎),就曾提到這本書在他幼年時,引發了他對科學的興趣。《蠟燭的化學史》曾翻譯成各種文字,尤其日文版更暢銷了七十多版,但遺憾的是,這本書一直未出現中文版。

法拉第演講的所在地是倫敦的皇家科學院(Royal Institution),它的創辦人是美國人湯普生(Benjamin Thompson),在美國內戰(獨立戰爭)期間他為英軍助陣,戰後被迫逃離美國至倫敦定居。湯普生對熱學研究很有貢獻,發明過許多實用的鍋爐裝置。皇家科學院由他出資成立,後來成為一流的科研機構,法拉第成名後,在此度過一生。皇家科學院至今仍為英國著名的研究機構,許多傑出的科學家都曾在這裡工作過。法拉第認為,倫敦皇家科學院聖誕節的演講應集教育、娛樂、啟發於一身。這些原則一直為皇家科學院所遵循,聖誕節的通俗科學演講年年舉辦,至今不輟,相關資訊可上http://www.rigb.org/網站查詢。

接下來讓我們看看《蠟燭的化學史》前二章的部分內容,在這一部分演講中,提到蠟燭的製造、燃燒,然後提到燃燒時的火焰及氣流的助燃等現象。在以後的章節中,還提到燃燒的產物:水、氫、氧、二氧化碳及大氣組成等有趣的問題。要記得這是一本他當時在現場示範的紀錄,所以是以講演的形式寫下來的,當時他準備了許多道具,當場以實驗示範蠟燭燃燒及其相關現象,所以效果非常好。書中所示範的實驗,一般讀者在家中也很容易做到。

蠟燭的製作

首先談到蠟燭的製造過程,我們一般所見到的蠟燭都是用蠟做的。其實,蠟燭還可以用許多不同材料來做。尤其在一、兩百年前,蠟燭是最重要的照明工具,人類曾嘗試以不同的方法製造蠟燭,例如,有由牛脂或抹香鯨的油脂做成的,也有用蜂蜜中的黃蠟精製而成的,或以愛爾蘭油沼地取來的石蠟製造的。自油脂提煉材料的方法,可能是給呂撒克(Gay Lussac)所發展出來的。

因為蠟燭可以熔化,我們也許會想像這些蠟燭是用模子做出來的。其實不然,例如用石蠟做的火燭,就無法用模子做出來,它是經由一種特別的手續製造的。但由動物脂肪做的蠟燭,卻可以鑄造。

石蠟做的蠟燭,是用一種特別的方法製造的。第一步將許多棉線掛起來,底部用金屬片蓋住,這一部分不會被蠟塗上。掛線架可以旋轉,在轉動時,工人將熔化的蠟一層層澆上,待冷卻後再繼續澆,直到線上蓋了厚厚的蠟為止,這時再把它們拿下,用石板磨圓。錐形的蠟頂是用特製管做的,底部則切掉磨平。這些工作十分細緻,因此蠟燭可以做成一樣大小,例如一磅四支、六支等數目。

蠟燭的燃燒

我們要談談蠟燭和油燈燃燒不同之處。油燈是燃燒液體的燈油,而蠟燭則是燃燒固體的蠟,到底蠟燭是怎樣將固體化成液體再進一步燃燒呢?其中有關未燒完的油蒸氣,法拉第以精彩的實驗示範,展現燃燒所形成的物質。有興趣的讀者可以動手試一試,以了解燃燒的過程。

油燈都具備油槽,蠟燭是固體,因此不需要容器。蠟燭燃燒時,在頂端會形成一個杯槽,杯槽內裝滿了熔化的蠟油,這就相當於油槽。而杯槽中的蠟一直熔化到接近火焰燃燒的部分,這和油燈的燃燒情況類似。蠟燭燃燒時,火焰只在燈線上燒著,可能很多人會問,為什麼火焰不會沿線燒下來?這是因為在燃燒過程中,還包括一個蠟油氣化的過程,若沒有氣化,液態蠟油是會把火弄熄的!在蠟燭或油燈的燒燃過程中,燃油都是藉毛細作用,自油槽中沿燭芯向上送到火焰燃燒的部分,當燃油抵達上端時,就開始氣化。

毛細作用力把燃料帶到可燃燒之處,而且儲存在那裡。舉一個關於毛細作用的例子,當你將乾淨的手指插入熱水中,水會沿指縫爬上手指到略為高出水面的地方,或許你並沒有注意到這些現象。

有一個實驗可以說明這個原理。首先把一條鹽柱放在盤中,再將飽和鹽水倒入盤內。因為溶液已飽和,所以鹽不可能再溶解,因此盤內溶液的變化,不可能是由於鹽柱溶化造成的。和蠟燭比起來,盤子是蠟燭本體,鹽柱是燈芯,溶液是燭油。之後將溶液染黑,你可以觀察到這黑色流體慢慢爬上鹽柱,一直到頂(只要鹽柱不倒下)。假如這溶液是可燃的,同時我們在鹽柱上加上燈芯,它就會燃燒起來,這就和蠟燭燃燒完全一樣了。

蠟燭燃燒時產生的熱氣將空氣向上推,在燭頂附近靠邊緣的蠟,由於接觸較冷的空氣,使熔化的蠟油冷卻下來,因而在燭頂形成杯槽,如果讓蠟燭傾倒,蠟油會沿重力方向流走。所以杯槽是因持續上升的熱氣流作用而形成的,這種作用造成空氣對流,結果是熱空氣沿燭頂上升,冷空氣自周圍進來。

當蠟燭點燃後,有一股熱空氣挾著一些看不見的物質上升。蠟燭頂端的火焰是被這股上升的氣流拉出來的,而且拉得很高。如果把一支點著的燭火放在陽光下,再將其影子投射在一張紙上,便可以清楚觀察到燭火的內部。首先可以看到火焰旁的一些陰影,它們不屬於火焰的一部分,但卻在上升,而且拉著火苗上升,它們就是上升的熱氣流。

假如用更亮的電燈來代替陽光,會更清楚地看到火焰的投影。除了燭體及燈芯外,還有一道暗影及一條拉長的氣流,很妙的是,紙屏上較暗的部分在火焰中卻是較亮的區域。也可以看到屏幕上有一束上升氣流,它不但將火焰向上拉,供應燃燒所需的空氣則使燭芯的凹槽邊緣冷卻。至於為何火焰中較亮的部分,投影到紙屏上反而變得較暗,這將在後面加以說明。

燭焰的結構

要觀察火焰的內部,可將一隻玻璃彎管插入火焰中較暗的那一區域,不吹動蠟燭,保持燭火的穩定,你可以看到一旦將彎管插入暗區,馬上就有東西自管的另一端冒出。如果放一個燒杯之類的容器在管的另一端,收集它冒出來的東西,可以看到有些東西自管的這一端冒出來落到杯底,像是它們有重量似的,這與火焰外部的氣體不同。我們發現自管端落下之物其實是蠟蒸氣,這就是當我們把蠟燭吹熄時所聞到的那股味道。

所以,蠟燭燃燒的就是這些蒸氣。為了更清楚地說明這點,你可以吹熄蠟燭,當蒸氣冒出來時,再在遠端點燃它。若是透過上面所提的步驟,在一只燒杯內收集大量凝結的蠟蒸氣,再用油燈把它燒熱,會看到凝結的蠟先化成液體,然後開始冒出一點煙來,接著就會有蒸氣產生,持續加熱會有更多東西冒出來,甚至可以把蠟蒸氣倒到一個平底盤上,然後點火引燃。這些蒸氣就是在蠟燭中間較暗部位的蠟蒸氣。

為了確認這點,我們再做一個實驗,來試燒這些來自蠟燭中間部位的蒸氣。用一支管子把蒸氣引出來,然後在管子的遠端點火,你可以看到有熊熊的火焰冒出。但是如果把管子放在蠟火中燃燒完全的部分,也就是火焰的上部,沒有了蒸氣,管子另一端也就沒有火焰了。

為什麼會這樣?這是因為在火焰中心或燈芯部位,有許多易燃的氣體,而火焰外圍有燃燒所需的空氣,兩者之間混合處就是發生劇烈化學反應的地方,空氣與燃料彼此相互作用,蒸氣被耗盡了,同時也產生了光亮。在蠋芯發生劇烈化學反應之處,有很多化學物質生成,它們會吸收光線,前面提到火焰中較亮的部分在紙屏上反而顯得較暗,就是因為反應物吸收光線的緣故。

我們可以把一片紙很快地插到火焰裡去,看看究竟是那個部位最熱,紙上會顯示出一圈燒黑的地方,它的位置正是發生化學反應之處。這實驗只要沒有太大的干擾,在家裡就可以做成,先找一片紙,讓屋內的空氣靜下來(沒有流動),然後很快地將紙片放入火焰正中央再迅速拿出,會看到紙上有一塊燒焦的地方,中間部位卻只有些許燒焦甚或完全沒有。多試一、二次後,就會做得熟練,而輕易地找到火焰中最熱的部位,也就是空氣及燃料結合的地方。

若我們把蠟燭放在一個密閉的大罐子內,一開始它會燒得很好,但情況很快就有了改變,你會看到火焰慢慢降低,最後熄滅了。這是由於空氣的供應不足,使得燃燒不完全,燭火一滅馬上就有一束黑煙自蠟燭冒出,這些飛揚的碳粒是因為沒有足夠的新鮮空氣而產生的,蠟燭火焰的內部也同樣產生碳粒,但它們隨後在其他的部位反應燒掉了。

當你拿一根管子插到火焰中的明亮部位時,管子另一頭會冒出白煙;如果把管子伸進火焰中最明亮那部分的上端時,會看見管子的另一端冒出黑煙。這黑煙像墨水一樣黑,顯然與白煙不同,當你用火苗去點時,點不著它,反而把火弄熄了,這些粒狀物就是蠟燭的煙。組成煙的物質顯然早已存在於蠟燭內,否則它不會在這裡冒出。法拉第也舉例說,在倫敦上空飛揚的煙霧,就是火焰中的這些黑煙,它們也是燃燒的產物。

火焰中的碳粒與光芒

最後談到蠟燭的光與熱。我們知道蠟燭曾是一種重要的照明工具,它很亮,但溫度不高;而同樣來自氫氧焰的火炬,溫度很高卻不亮。法拉第對這兩種火焰的差異,做了相當生動的解釋。

除蠟燭外,尚有其他形式的火焰,例如火藥的燃燒會產生火焰,它與蠟燭的火焰有什麼不同?火藥內需要加入碳及其他材料使它燃燒,然後才能產生火焰。(提醒大家,如果想在家裡自己做這些實驗,必須小心。應該謹慎使用這幾樣化學品,否則它們會造成傷害的!)你可以拿一點火藥放在容器內,然後與鐵粉混合,將鐵粉與火藥混合的目的,是要利用火藥點燃鐵屑,讓它們在空氣中燃燒,然後比較有火焰與沒有火焰的燃燒二者之間的差別。

當火藥點燃時,請注意這裡面會有二種燃燒發生,首先會看到火藥燃燒,它有火焰產生,然後看到鐵屑跟著點著了,但是它沒有火焰,它只是鐵屑的個別粒子在燃燒(燒紅)。這二種燃燒的確有很大差別,這與它們發生火光的機制有關。當我們用油、氣體或蠟燭來照明時,就像以上情況一樣,有各種不同形式的燃燒(包括氣體或固體)在進行著。

像鐵屑之類的物質,當它們沒有經過氣化過程就燃燒時,它們會變得很亮。其實對任何物質都一樣,只要是固體,不論它們燒著與否,加熱後都會變得很亮。蠟燭的光亮也是因為火焰中含有許多微小的固態粒子而造成的。固體粒子的存在與否,才是亮與不亮的主要原因!

先前的實驗證明火焰含有碳粒,這是蠟燭大放光明的原因。我們可以找一個沒有碳粒的火焰來比較,有一種物質叫氧,它可以與氫燒起來形成氫氧焰,它們雖然是氣體,卻能產生比蠟燭更多的熱量,由於缺少粒子,它的火焰並不亮。但是若在其中放入一些固體,就會很亮,例如取一塊石灰放入火焰中,可以看到它很快就會變得非常亮。(其實石灰並不會燃燒,而且一直是保持固態的)氫與氧燃燒的火焰會產生很多的熱,但一點都不亮,要光亮並不需要熱,要的是固體粒子。氫氧焰中石灰塊產生的光芒,幾乎與日光相等。

如果將一條白金(鉑)絲線放在火焰中,可以看到它變得多亮!加熱這條白金絲線時並不會發生化學變化。若你把火焰弄小,使它只能放出一點點亮光,這時火焰傳給鉑線的熱雖然只有一點點,依舊將鉑線弄得很亮。這些例子顯示了所有火光中都有顆粒,就是因為有這些顆粒的存在,才會帶給我們光輝與絢麗。

若我們用炙熱的氫氧焰來對著蠟燭火焰吹,使碳粒都完全燃燒,蠟燭火焰也會變藍而不亮。很顯然當我們用氫氧焰燒它時,有足夠的氧氣讓碳粒燒完,以致無法將碳粒再釋放到火焰中。我們也可以在氫氧焰中放入一些會產生碳的東西來增加亮度,例如用一點樟腦油,它燒起來會產生許多煙,利用一支管子將這些煙送進氫氣的火焰中,可以看到它立刻變得很亮,這是二度燃燒的碳粒子,用一張紙面對吹出來的氫氧焰,就能夠輕易看到它們。煤氣火焰中的光芒也是因粒子而產生的,它和燭火的碳粒相同。

我們可以看到,在燃燒蠟燭時有東西產生,其中一部分是碳,此外還有其他物質產生,消失在空氣中。若是我們想知道消散在空氣中的物質有多少,可以進行以下實驗。

先前的二、三個實驗,已顯示上升的是熱氣,但為了要知道上升的物質為何,我們可做個簡易的實驗。利用一個裝滿酒精的盤子,就像蠟燭上的杯槽,在它上面放一個像煙囪的東西,它有規範氣流的作用,頂端再套上氣球,點燃酒精後,在火焰頂端應該會收集到燃燒的產物,它與燃燒蠟燭所產生的物質相似。這種由酒精所產生的火焰並不亮,因為酒精燃料產生的固體碳很少。

我們用氣球可收集燃燒的產物(氣球在充滿時必須抓住)。它會飛走是因為裡面裝滿了熱氣(這就是熱氣球的原理)。

如何可以看到火焰燃燒時產生的物質呢?用一支大試管倒放在燃燒的蠟燭上方,可以看到管子變得不透明了。如果我們將一支蠟燭放在一個大罐內,再用另外一支蠟燭放在罐外當作照明用,可以看到罐內變得霧狀,而且燭火在罐內變弱了。如果找一支冷湯匙放在蠟燭上,調節它與蠟燭間的高度而不要使它變黑,在上升的火焰中,我們發現有一種物質會凝聚在冷的湯匙或乾淨的面板上,或是任何其他低溫的物體上,但也有一部分物質不會凝結。我們首先要觀察會凝結的這部分,很妙的是,我們發現這部分產物就是水。

最後作者要補充說明的是,物體加熱發光是日常生活中常見的現象,例如鐵燒熱會變紅,再加溫會變白熱。法拉第注意到氣體加熱後發出的光並不強,這可以拿我們日常所用的鎢絲燈來對照,它可是靠固體加熱發光。氣體發光的例子是霓虹燈,是由氖氣放電造成原子內部電子的躍遷而發光。

由於蠟燭火焰所能提供的能量不夠強,無法造成電子躍遷,因此一般氣體火焰都比較暗淡,如果將火焰溫度加高,焰中的碳粒在尚未形成電子躍遷前,早就氣化而不存在了。對物體的加熱發光,到一九二五年量子理論提出後才完全了解,法拉第那個時代這些理論都尚未成形,但是他所描述的現象,則是完全正確與可解釋的。
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