趣味化学 揭秘化学实验

引 子 保罗叔叔是一个博学的人，他隐居乡间，每天的生活都围绕着浇花、种菜。他的两个侄子和他一同生活，一个是爱弥儿，一个是约尔，两个侄子都十分热爱学习。约尔的年龄大一些，对学习更加认真，他觉得学校所教授的知识是极为有限的，如果他掌握了法语和数学的学习方法，那么以后学习、钻研就可以不必再进学校了。 同时，保罗叔叔也鼓励两个孩子要有求知心，他总是说：“在生命的这场战役中，*好的武器就是我们受过训练的头脑。” *近几天，保罗叔叔计划着教两个孩子学一学化学，因为他认为化学是所有应用于实际的科学中*有效用的。 保罗叔叔常常自问：“孩子们将来要成为什么样的人——是成为制造专家、工匠、机械专家、农夫，还是做其他什么事情呢——这是我无法预知的。但是无论如何，有一件事情是我可以确定的，那就是无论将来做什么事情，希望他们都能够描述出自己所做事情的原因与原理。换句话说，他们必须掌握基本的科学知识。比如，他们要知道空气是什么，水是什么，我们为什么需要呼吸，木柴为什么会燃烧，植物的主要营养素是什么，土壤的成分都有什么……这些基础理论都与农业、工业、医药等有着十分重要的联系。我不想让他们人云亦云地学习某些模糊、零散的知识，我希望他们完全从自己的观察与经验中推理出这些事实。而这个时候，书籍*多只能作为科学实验的一种补充，并没有决定性的作用。但是，我们该如何进行观察与实验呢？” 保罗叔叔开始反复思考他的计划。他发现这个计划想要实施还有着极大的困难，因为他们没有实验室和精细化学仪器。他们目前所拥有的只是一些普遍的、常见的家居用品，比如，瓶、壶、罐、盆、碟、盅、杯等。初步看来，这些家居用品似乎不能完成一个严谨的化学实验。不过幸运的是，他们的住所离市区很近，如果需要，可以购买一些必要的药品和仪器。但*重要的问题是：怎样利用这些简单的家居用品来教两个孩子学习有用的化学知识呢？ 有一天，保罗叔叔对两个孩子说，他想和他们做一个小游戏来让常规功课变得更有趣味。他并没有说“化学”这个名词，因为即使说出来，两个孩子也不懂。他只说了各种有趣的物品和准备要做的各种新奇的实验。孩子的天性是活泼、好奇的，爱弥儿和约尔听了叔叔的话后，都对这些新鲜的东西很感兴趣。 他们问：“我们什么时候能动手呢？明天，还是今天？” 保罗叔叔说：“今天！我们先准备5分钟，然后立刻就开始。” **章 空 气 蜡烛燃烧实验 ◆ 瓶子里面有什么 保罗叔叔拿着一个有点儿深的碟子，在碟子的中央滴上几滴蜡泪，将一支蜡烛粘了上去。接下来他点燃了蜡烛，把一个透明的广口大玻璃瓶倒放着罩在蜡烛上，然后在碟子里注满了水（图1）。 孩子们莫名其妙地看着，不知道接下来将要进行怎样的实验。但是，没等他们困惑太久，保罗叔叔已经准备好了一切，他问道：“谁能告诉我瓶子里都有些什么？” 爱弥儿说：“一支燃烧的蜡烛。” “还有其他的吗？” “除了蜡烛以外，应该没有什么东西了吧？” “还记得之前我们说过，有些物质是肉眼看不见的吗？请你们动脑筋来想一想，而不只是用眼睛看。” 爱弥儿听完保罗叔叔的话，顿时有些难为情，但他一时间实在想不起来这看不见的物质到底是什么。这时，约尔回答说：“瓶子里还有空气。” 爱弥儿争辩说：“但叔叔并没有将空气放进去啊。” 保罗叔叔说：“我并不需要特地把空气放进去，瓶子中原本已经充满了空气。我们所用的全部容器，像各种杯、瓶、壶、罐等，全都被大气包围着，被空气充满着，就像一个没有木塞的瓶子放在水中一样。我们喝酒时，倒完酒瓶中的*后一滴酒，总是会说酒瓶空了，但严格地说，酒瓶并不是空的，因为空气占据了原来酒的位置，酒瓶其实充满着空气。所以，我们通常说的‘空的东西’都不是空的。当然，我们可以制造真正的‘空’，但需要借助适当的工具。” ◆ 如何隔离瓶子内外的空气 约尔问：“是要用到空气泵吗？” “对，就是空气泵，它能完全抽出密闭容器中的空气，并排放到外面的大气中。但我没用空气泵抽过这个瓶子，所以它里面还充满着空气，蜡烛也在瓶内的空气中燃烧着。我为什么用水注满这个碟子呢？因为这个瓶子里的空气要用来做实验，并借此来研究它的性质的，所以我们必须把这些空气密闭在一个容器里，与外界隔离。否则，这个实验就无法完成，我们也无法确认用于实验的空气究竟是大气中的哪一部分。仅靠倒立的瓶子是不能完全隔离大气的，因为在瓶口和碟底之间会有极细小的缝隙，空气能够从这些缝隙中自由出入。我们只有把这些缝隙塞住才能防止空气乱窜，这就是朝碟子中注水的原因。这些水不但可以隔离瓶子内外的空气，还可以指示瓶子中发生的反应。现在，你们可以认真观察一下瓶子中的变化。” 消失的空气 ◆ 水位上升 瓶子中的蜡烛本来燃烧得很明亮，和在大气中的燃烧没有什么两样。但是，渐渐地，火焰开始暗淡变小，并且不停地摇曳，出现黑沉沉的烟雾，*终完全熄灭了（图2）。 爱弥儿叫道：“快看！没有人吹蜡烛，它自己就熄灭了。” “不要着急，我马上就会讲到这个现象。现在，请你们先睁大眼睛看看，碟子中的水发生了什么变化？” 爱弥儿和约尔认真看着，只见水在瓶口慢慢上升，差不多完全占据了瓶颈部分原本属于空气的位置。 保罗叔叔说：“你们现在可以提问了。” 爱弥儿急忙说：“我有一个问题希望得到解答。我们知道想要熄灭蜡烛，需要对着火焰吹一口气。但我们刚刚并没有吹气，即使吹了，也会因为有瓶子罩住而无法吹灭。刚刚也没有风，即使真的有风，也吹不进瓶子里。那么，燃烧得好好的蜡烛为什么会逐渐暗下去，直至完全熄灭呢？” 约尔也问道：“我也有些疑惑，这个瓶子里原本充满了空气，但现在瓶子里一部分空气的位置却被碟子中的水占据了。瓶子里的那一部分空气是怎样消失的呢？它们又去了什么地方？如果你不向我们解释，我肯定要认为那一部分空气被蜡烛的火焰消灭了。” “我们先来回答约尔提出的问题吧，解决了这个问题，爱弥儿的问题也就容易解答了。约尔观察到瓶子中的一部分空气已经消失了，这非常好。瓶子里上升的水也可以证明这一点。不过，这一部分空气虽然消失了，却没有被消灭，仔细思考一下，这些不见了的空气，其实已经转变成了其他物质。 “当几种不同的物质发生化合反应时，放热和发光几乎是这种反应*为明显的标志。” 约尔说：“我知道！你把它比作祝贺缔结化学婚姻的灯彩，在瓶子里也能够出现这样的情况吗？” 蜡烛为什么会熄灭 “我现在来回答你的问题：为什么瓶子里的蜡烛不用吹就会熄灭？这是因为，烛脂和空气中的某种气体化合产生烛焰，可见烛脂和空气对于火焰的产生同等重要，两者缺一，火焰就会熄灭。烛脂作为燃料，其必要性显而易见，但空气的必要性如何证明呢？你们应该从刚刚的实验可以推测出：烛焰不用吹就会熄灭，肯定是因为它的燃烧缺少了什么条件。” “我懂了，没有人去吹灭蜡烛，也没有风，它的熄灭是因为燃烧缺少了什么条件。那缺少的究竟是什么呢？” “缺少的肯定是空气，这瓶子里原本也只有空气，火焰想要继续燃烧，空气是必不能少的。” “但瓶子里还有空气啊——而且比原来并没有少很多。” “你说的也没错，但空气并不是一种纯净物，而是由好几种看不见的气体混合而成的混合物。占空气成分*多的是两种气体，其中一种比重较小，能够帮助火焰燃烧；另一种比重较大，不能帮助火焰燃烧。所以，当瓶子里缺少了能够助燃的气体之后，火焰也就随之熄灭了。” 约尔说：“我完全明白了，火焰因为没有了助燃的气体而熄灭，这种能助燃的气体和燃烧着的烛脂化合后，变成了另一种透明的气体，能溶于水。于是碟子中的水上升进入瓶子，占据了原来的气体的位置。现在，瓶子里只剩下那种不助燃的气体，烛焰的燃烧就停止了。” “你的解释基本正确，不过还需要略加修正。蜡烛的燃烧并没有用尽所有助燃气体，只不过瓶子里剩余的助燃气体分量太少了，已经不能维持烛焰的燃烧。我们之后会尝试完全用掉剩余的助燃气体，不过现在让我们先到这里吧。” 爱弥儿说：“如果我们再点燃一根蜡烛，将它放进这个瓶子里，是不是同样也会熄灭呢？” “当然，而且它会熄灭得非常迅速，就和浸入水中差不多。之前的蜡烛已经熄灭，再放一根进去，是不可能继续燃烧的。” “虽然是这样的道理，但我还想试一试。” “好的，你可以自己检验一下。” 验证蜡烛燃烧实验 ◆ 比空气重的气体 说着，保罗叔叔拿出另一根蜡烛，把它插在一根弯成钩状的铁丝上（图3）。然后左手拿起瓶子，右手没入水中抵住瓶口，小心地将瓶子拿出来直立在桌子上，同时将右手撤出。 爱弥儿见了说：“你把手拿开后，瓶子里的气体不会跑出来吗？” 保罗叔叔说：“不会的，因为这种气体比空气还重。不过，你不放心的话，我们就用一片碎玻璃做个盖子吧。” 保罗叔叔说着，随手拿起一块从窗子上掉下来的碎玻璃，盖在了瓶口。 他说：“好了，我们可以开始接下来的实验了。” 他点燃插在铁丝上的蜡烛，稍稍移动瓶口的玻璃盖，轻轻将蜡烛伸入瓶中，只见烛火马上就熄灭了。再试一次，也是同样的结果。 “好了，不相信的话，你可以自己去试一试。亲自动手的实验，印象总是比较深刻。” 爱弥儿点燃蜡烛做起实验来（图4）。他把蜡烛小心而缓慢地伸进瓶子里，以为这样就不会熄灭了，但结果并没有如愿。他耐心实验了好几次，每一次都失败了。 ◆ 空气的组成 “那我们接着说，刚刚的实验可以得到一个这样的结论：空气的大部分是由两种气体组成的，这两种气体都是无色透明的，但它们的性质却并不相同。分量较少的气体可以使烛焰燃烧得更旺盛；而分量较多的气体却没有这种作用。我们把前一种气体叫作‘氧’或‘氧气’（Oxygen），后一种气体叫作‘氮’或‘氮气’（Nitrogen），它们都是非金属单质。空气主要是由这两种气体组成的混合物，而不是单一的元素（图5）。事实上，人们证明空气不是元素而是混合物的事实也只有几百年历史。” 约尔说：“把蜡烛放入倒立在水中的瓶子里燃烧是一件挺简单的事，为什么从前的人们不知道用这个方法来实验呢？” “这个方法虽然简单，但想出这个简单的方法的过程却很困难呀。”