書 讀嘛讀嘛

《法拉第的蠟燭科學》麥可.法拉第（Michael Faraday）

簡介：「法拉第最著名的通俗科學演講，就是以蠟燭為題材的一系列演講。在這演講裡他將各種與蠟燭燃燒的物理化學原理深入淺出地以實驗示範方法介紹給青年學生。」

這本書收錄了法拉第的講座內容，他利用簡單的實驗循序漸進地說明蠟燭的構成，從蠟燭的煙、光和水，再進一步分解出碳、氫、氧等等，覺得這些實驗都很有趣！

有位名叫Bill Hammack的化學教授重現了書中的實驗，講解也是改編、引用自法拉第的敘述，另外再補充一些註解或是以慢動作播放，非常詳細，大推！

Michael Faraday's The Chemical History of a Candle

英國皇家學院也重現了這系列講座中的幾項實驗，由David Ricketts教授主講。雖然實驗略不同，不過概念相同。有點可惜的是，可能礙於時間，有些說明比較簡略。

The chemical history of a candle - with David Ricket...

【液體、固體蠟都無法燃燒】

將蠟塊放進試管再用噴槍加熱，蠟塊並不會起火燃燒，而是變成蠟液，蠟液也一樣不管再怎麼加熱都不會燒起來。影片中的實驗者將這根熱騰騰的試管丟進冰水後，試管玻璃破掉 → 蠟液流進冰水 → 水沸騰 → 蠟液變成蒸汽 → 高溫讓蠟蒸汽燃燒起來。



明明是丟進冰水卻起火了！

The chemical history of a candle - with David Ricket...

【蠟蒸汽】

「讓我告訴你們一個漂亮但又簡單的實驗。當你很巧妙地將蠟燭吹熄時，你可以看見一股蒸汽上升，而且常可聞到一股臭焦味。」

「我現在要慢慢吹氣將火弄熄，而不干擾周圍的空氣。然後我用一根長的火柴距燭芯五、六公分之處去點這蒸汽。此時你們可以看到一串火自空中延燒到蠟燭。」

Lecture One: The Chemical History of a Candle - The ...

【氣體（gas）和蒸汽（vapor）不同】

如果將一隻玻璃彎管的一端放入火焰之中，另一端放入一個燒瓶內，可以看到火焰中的某種物質順著彎管落入燒瓶底部。「這些（物質）不是一般的氣體（gas），而是蠟蒸汽（vapor）的凝結物。」



氣體（gas）和蒸汽（vapor）不同，「氣體永遠是氣體，但蒸汽有時會凝結（譯者注：其實氣體也會凝結，但是溫度都很低，例如氮氣要在差不多-200°C才會凝結）。」

Lecture Two: The Chemical History of a Candle - Brig...

冒出來的白煙可以被點燃。

Lecture Two: The Chemical History of a Candle - Brig...

蠟蒸汽的煙是白色的，不過如果將火焰中的彎管略往上移，會發現冒出的煙變成黑色的，不像白煙可以點燃，黑煙無法被點燃。這些黑煙的成分就是「碳」。

Lecture Two: The Chemical History of a Candle - Brig...

【蠟燭的光】

「蠟燭是經由熱將蠟變成蒸汽分解，再釋放出碳粒。它們上升、發光，然後進入空氣中，但這些粒子燒起來時變成了碳。」

這是一支燃燒丙烷（化學式C₃H₈，含有三個碳）的本生燈，它的火焰構成就像蠟燭，下方有些藍色的火焰，中間是較暗的部分，上方則是最亮的部分。如果加進足夠的空氣，讓火焰可以將丙烷中的碳（C₃）通通燒光，火焰就會完全變成藍色的。所以可知，蠟燭和本生燈的耀眼黃光是來自燃燒的碳粒。

Lecture Two: The Chemical History of a Candle - Brig...

【水】

將一些水裝進鋁瓶，再放到電磁爐上直到裡面的水全部燒乾，瓶中只剩下水蒸汽，再密封瓶子、丟進混合了冰和鹽的盆子裡。


原本瓶內的水蒸汽和瓶外的大氣處於平衡狀態，但瓶內的水蒸汽冷卻後變回液體，瓶內多出了很多空間，瓶子無法抵抗瓶外的大氣壓力，瓶子就被壓扁了。

Lecture Three: The Chemical History of a Candle - Pr...

一滴水的體積在變成氣體後會變得超級大。「一立方英吋的小盒液態水加熱所產生的蒸汽能充滿一立方英吋的方盒。」反過來說，氣體變回液體後，體積就會變得超級小。



不過水在變成冰（固體）時，體積卻不會變得比液體更小，反而變大。將鐵球裝滿水、密封後，再丟進乾冰裡，鐵球內的水在結冰後直接爆開鐵球！

Lecture Three: The Chemical History of a Candle - Pr...

【氫氣】

蠟燭燃燒後會產生水蒸汽，也就是水（H₂O），它包含氫和氧，「氧」來自空氣，而「氫」則來自蠟燭的「蠟」。

「氫氣在空氣中燃燒的過程前或後都不產生固體，但它產生水。所以若用一個冷杯子放置火焰上面，它裡面會變潮濕，然後很快就會有不少的水凝聚在上面。它除了產生與蠟燭燃燒的水以外就沒有其他的東西了。你們要記得自然界只有氫氣會在燃燒時只產生水。」

氫必須和氧搭配在一起才會燃燒，火焰在純氫的環境下其實不會燃燒。

影片中將一小球棉花放進裝著氫氣的氣球，再通電點燃棉花，棉花很快燒掉本身含有的氧後，火就熄滅了。不過，如果改將棉花放進混有氧和氫的氣球之中，不但整個氣球燒掉，還會爆出很響亮的聲音。

The chemical history of a candle - with David Ricket...

【碳】

所有的碳（木炭、煤炭etc）在一般情況下燃燒後，就會變成二氧化碳。影片中實驗者將一燃燒的碳塊扔進液態氧中，整塊碳完全燒成二氧化碳了。

The chemical history of a candle - with David Ricket...

【二氧化碳】

將蠟燭點燃後，放進一個有彎管的遮罩，如果將點燃的蠟燭靠近彎管出口，會發現火柴熄滅了。如果將出口的氣體蒐集起來，再和石灰水混合，會發現石灰水變得混濁，這個氣體就是「二氧化碳」。

Lecture Four: The Chemical History of a Candle - The...

「這裡還有一個實驗可證明此氣體的重量。我在這天秤上掛一個裝滿空氣瓶子使它與砝碼等重，現在它平衡了。但若我將二氧化碳氣體倒入空氣瓶中，瓶子這邊就下沉了。這是因為二氧化碳的重量造成的。」


有個簡單實驗可以看到氣體消散的重量：先秤重一瓶未開封的碳酸飲料，接著開封後讓氣體消散，再秤重就會發現重量減輕了。

Weighing the CO2 in soft drink

火焰通常無法在二氧化碳環境下燃燒，不過「鎂」可以抓出二氧化碳（CO2）中的「氧（O2）」，因此鎂在二氧化碳環境下還是可以燒得很旺。

The chemical history of a candle - with David Ricket...

將鎂放在乾冰上燒（乾冰就是固體的二氧化碳），燒完後的產物是「氧化鎂」和「碳」，於是可以知道，二氧化碳的確是由氧和碳所組成的。

Lecture Five: The Chemical History of a Candle - Res...

小結：

· 蠟燭成分包含碳和氫。

· 燭芯點燃後，蒸汽蠟與空氣中的氧反應，碳會變成二氧化碳，氫會變成水。

· 氫必須和氧搭配在一起才會燃燒，火焰在純氫的環境下不會燃燒。

· 鎂可以抓出二氧化碳的氧，因此鎂在二氧化碳環境下還是可以燒得很旺。

end

順便放個以前的筆記，也是關於蠟燭的構成：

@MUS2001147 - #筆記 簡單說明火焰的構成的影片。覺得有一段利用湯匙可以看到火焰各層的成分差...