谁都见过蜡烛、用过蜡烛,可有多少人知晓:蜡烛竟包含那么多的科学道理无数人见过肥皂泡,可;有多少人深究过肥皂泡表面的秘密在急不可待期望“一夜成名”的今日,作为父母、老师,是否能;为孩子或学生送上好的礼物——科学的精神,平常的心!
《世界科普巨匠经典译丛(第2辑):蜡烛和肥皂泡的故事》由两位著名科学家迈克尔·法拉第和查尔斯·波易斯的圣诞科学讲座组成。法拉第的圣诞科学讲座讲的是基本化学知识。著者通过蜡烛燃烧的种种表演和实验,对日常生活中各种现象的科学原理进行了解释,并且教给小听众们进行实验、观察现象和科学分析的方法。这6次讲座后来整理成为传世的科普名著。
迈克尔·法拉第(1791~1867),英国物理学家、化学家,电磁场理论的奠基人,自学成才的科学家。一生从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究,在多个领域取得重大突破。1812年,还是书店学徒的法拉第,第1次有幸走进英国皇家科学院演讲大厅聆听当时著名化学家戴维做报告,从此改变了自己的命运,迈入科学的殿堂。1860年,为回馈广大热爱科学的少年儿童,他以69岁的高龄在英国皇家科学院,围绕蜡烛这一司空见惯的物品作了6次报告,这些报告就是本书的由来。1867年8月25日,法拉第在英国病逝。
第一部分
蜡烛的故事
第一讲003
蜡烛的火焰
蜡烛的来源
蜡烛的构成
蜡烛的变化
蜡烛的明暗度
第二讲019
火焰的昏暗度
燃烧所需的气体
水的生成
第三讲033
燃烧生成的水
水的特性
某种化合物
氢
第四讲049
蜡烛中的氢
氧和氢反应生成水
第五讲061
空气与氧
蜡烛的燃烧
二氧化碳及其性质
第六讲077
碳、碳质
煤气
呼吸和蜡烛燃烧的相同点
结果
第二部分
肥皂泡的故事091
第一讲093
肥皂泡、毛细现象及水的曲率
苯、乙醚、水、樟脑油及油污的表层
猫盒、水弹、水膜与水点
行星、油珠与液体的重力和强度
第二讲113
为什么水的表层有弹性存在
大、小肥皂泡的压力结果
不可想象的面
节面与悬链曲面
肥皂泡的曲线与圆锥截面的转迹线
水泡、蜘蛛网、液珠及水射流
第三讲131
火漆棒
喷泉和电
音乐声与冒烟的火焰
水射流发出的歌声与嘀嗒声
肥皂泡的导电与不导电
曲率消失的其他面
里外两个肥皂泡的不同
人们在肥皂泡这一普遍想象中得到的启示
第四讲151
一些有用的提示151
感谢大家来到这里参加本次讲座。在此,我们共同探讨的问题是:蜡烛中存在的化学变化。其实,这个课题我以前就讲过了,但我今天仍然要讲,并且希望每年都有这样一次机会。因为这是一个相当精彩的题材,它展现了科学在各个领域中的多姿多彩与神奇,里面还涉及了天地间所有的法则和定律。假如你想在自然科学方面有所造诣的话,蜡烛理化现象的研究将会是你最好的敲门砖。这也是我没有选择其他新课题的主要理由,我相信大家不会扫兴的,那些新的课题虽然也很好,但远没有这个问题更具代表性。
在即将涉入正题的时候,我还要强调一点:由于这个课题的覆盖面很宽,并且,我们都会以严谨的科学态度来面对这个问题,虽然这对台下共事多年的朋友们来讲,有些不太合适。因此,我希望大家能像孩子们聚会时一样,积极地说出自己的观点。在先前的讲座中我做到了,而今我仍然想得到大家的支持。因为只有这样,我站在这个讲台上才能轻松自如地讲解。
咱们言归正传吧。我先给大家讲一下构成蜡烛的材质。有的蜡烛是相当另类的,正如我手边这几根短木和树丫,它们都具有良好的可燃性。另外,大家请看,这里还有一个人们称之为“烛木”的东西,它的木质异常坚硬,开采自爱尔兰的泥炭洞穴。由于这种“烛木”点燃后的亮度与蜡光相差无几,因此,把它分割之后,就成了当地人用来照明的工具。我觉得,这类木头足以体现蜡烛的一般特性,也是我们这次讲解最具有代表性的实体教材。此时,我们具备了可燃物和导致这种可燃物发生化学变化的物质,再把空气持续不断地输入到发生化学变化的地点,这块小木头就能燃烧起来,就如同一支天然的蜡烛。
为了迎合题目,我们还是以市面上出售的那些加工型蜡烛为例进行讲解。大家看一下,这里就有两支加工型蜡烛,我们平时用的都是这种蜡烛。要想制作这种蜡烛,首先要把做烛芯用的粗棉线按一定的长度剪好,再把它的一端系成活套,最后用木棒吊着浸在盛满牛脂的容器里,并不断地提起晾凉,再浸泡。正如图1.1所画的那样,不间断地重复这种操作,直到烛芯上包裹了足够的油脂,蜡烛也就成型了。现在,我想以手里拿的这几支蜡烛为例,来对它们的特点进行介绍,也可使大家的脑海中形成一个初步的概念。这里有几支精致小巧的蜡烛,就是从前煤矿工人在井下作业时的照明工具,直到今天,它仍在一些矿井中发挥着作用。当时,那些采煤的矿工,在下井前都要自己备好蜡烛,同时,他们觉得,蜡烛越小,瓦斯发生爆炸的几率就越低。正是出于这个原因的考虑,再加上要节约成本,于是这种精美绝伦的小蜡烛就出现了,如果把二三十支甚至五六十支放在一起进行称重,总共也超不过450g。随着时代的发展,出现了油灯,于是这种微型的蜡烛就退居二线了,再后来,各种高性能的灯具又占据了主要位置。我手里还有一支来自英皇乔治号邮船。上的蜡烛,它与这条沉船一起被海水浸泡了很多年,可见,蜡烛的持久性是非常好的。虽然这支蜡烛浑身布满了裂纹,但将它点燃后,仍旧能够正常燃烧,我们从遇热熔化的蜡油里看到了它真实的本相。
我有几支朋友赠送的蜡烛和制作这种蜡烛的原材料,借此机会我也向大家介绍一下。我觉得,最初的蜡烛原料就是动物的脂肪——牛脂。随着时代的发展,这种动物脂肪又被人们加工成了硬脂。你们看到了吗?我手边就放着这样一块硬脂。大家都很清楚,和牛油蜡烛相比(如图1.2所示),硬脂蜡烛早已摒弃了那种油乎乎的感觉,取而代之的是异常的洁净,就算溢出的蜡液被一层层刮下、碾碎,也不会粘附在其他东西上。要想做成硬脂的话,必须经过这样几个环节:首先,将生石灰混入牛油或其他动物脂肪中加热至沸腾,直到呈糊状后,再加入去除石灰用的硫酸,最后就得到了由脂肪演变而成的硬脂酸,其中还掺杂着一部分叫做甘油的物质,是牛油在本次化学反应中产生的,它与麦芽糖有很多相似之处。由于它掺在硬脂酸中,因此我们不得不通过挤压的方法将它与混合物分离,大家看到的这些饼子都是挤压之后才形成的,可见随着压力的不断增大,在油质流出的同时,那些杂质也被挤压出来了,此时,只要把剩余的物质加以融化,再进行浇灌之后,就形成了我拿的这种蜡烛。我手上这支蜡烛就是硬脂材质的,制作方法跟上面介绍的一样,这种硬脂就是从牛油里提炼出来的。你们瞧,这是一支鲸脑油烛,原材料就是抹香鲸的脑油。还有一些蜡烛是用黄蜂蜡和纯蜂蜡做成的。另外一种叫做石蜡的物质更是十分有趣,大部分用石蜡做成的蜡烛,其原材料都是来自爱尔兰的泥炭地里。大家看这个东西,它是远在日本的朋友给我捎过来的,这是一种特殊的蜡,也是最新的蜡烛原料。
那么,这些蜡烛究竟是如何制作的呢?前面我已经介绍了将烛芯浸入油脂的方法,接下来我们探讨一下模具法。假设,做成这些蜡烛的材料都是可浇灌的,“当然可以浇灌了!”在坐的各位会说,“既然蜡烛可以熔化,当然也能浇灌。”然而,事实并非如此。令人感到不可思议的是,随着生产的发展,在为了追求目标而不断思索时,事物通常会发生难以预料的变化,总是想着用浇灌的方法来制作蜡烛是非常不可取的。就拿用蜡浇灌来说吧,根本就无法取得成功,所以我们必须采用一种更为新型的制作工艺。