用炽热的铁从水中制备氢是一个缓慢又繁琐的过程,即使只是制得极少量的氢,也需要反复重复同一个操作。如果使用炽热的碳代替铁,制备的速度会加快,但是这样得到的氢并不纯,由碳产生的其他气体会混入其中,朱尔斯发现的奇怪的蓝色火焰就是因为这个原因。不过,幸好他们做这两个简单实验的目的只是证明水中含有一种易燃气体。当需要在短时间内制备大量氢时就得考虑其他方法了。
“现在,”保罗叔叔说,“我们别再用炽热的碳从水中制备氢了,因为我们得到的实际上是多种气体的混合物。如果我们要确切地了解氢,我们还需要将氢从混合物中分离出来。而如果使用炽热的铁来制备氢的话,虽然得到的氢比较纯,但是量非常小。我们想找的是一种简单快速制备大量氢的方法,而且可以避免使用火炉、熔炉或风炉等使用起来不方便的设备。我可以告诉你们,铁在硫酸的作用下同样可以分解水,而不一定非得预先加热。这两种作用结合在一起,水中的氢就可以很容易按我们的需求被释放出来。我还可以告诉你们另外一种金属,它在硫酸作用下分解水的能力比铁还要强,它就是锌。我们可以使用手上现有的这两种金属中的任意一种,当然有锌的话会更好。如果没有锌的话,我们可以使用铁屑,因为铁屑是一种微小颗粒,在这一过程中易与其他物质接触,发生化学反应。
“这里有一杯水,我在里面放了几块锌,这些锌是从一个旧喷壶上弄下来的,我前几天还用它给你们做金属燃烧实验。现在我们还看不到任何明显现象,杯子里的锌在未加热状态下无法与水发生任何作用。现在我先向其中加入一点点硫酸,并轻轻搅拌,我们就会发现反应不可抑制地发生了,杯中的水开始猛烈沸腾,产生大量气泡,并溢出水面。这些气泡就是由水分解产生的氢,它其实和铁匠铺里用炽热的铁与水反应得到的易燃气体是一样的。现在仔细看好,我用一片点燃的纸靠近水面,我们就会看到那些气泡燃烧,并发出轻微的爆炸声,即使在黑暗中也可以看到燃烧产生的苍白火焰。由于气泡一个接一个密集地冒出,因而我们会听到连续的爆裂声。”
气泡不断从水面冒出,并发出爆裂声,形成的火焰在水面上舞动,展示出一幅壮观的画面。但是对于两个认真观察的孩子来说还有一些更有趣的事情:水没有被任何火加热就开始沸腾,而且玻璃杯变得炽热,让人不敢触碰。保罗叔叔早料到他们会对这些不寻常的现象有这样的疑问。
“看看杯子里面,”他说,“你们可以看到氢泡先是在锌的表面产生,因为化学反应——即是水的分解反应——是在锌的表面发生的,这些气泡由下往上穿过杯子里的水,并产生很大波动,就像水在火上加热沸腾并形成的水气一样。实际上,杯中的水并没有沸腾,只是被上升的气泡搅动了,就像用一根吸管向水中吹起一样。你们看到水的沸腾只是表面现象,是气泡的搅动给你们造成的错觉。”
“但是玻璃杯很烫啊,”埃米尔反对说,“我都不敢用手碰它。”
“没错,但是这种热度远没有达到水的沸点。你们要是想要证明这一点的话,只要用个钳子拿出那块锌就可以了,水会立即平静下来,不会再产生氢,水也不会再被搅动。”
“可是,为什么会那么热呢,热量从哪儿来的,又没有用火加热它。”
“我发现埃米尔好像难以接受没有火也可以加热的说法。以前我们将硫磺和铁屑一起放在瓶中混合时,瓶壁非常的热,当时我们用火了吗?铁匠将冷水泼在石灰上形成一种糊状物,热得无法用手触摸,他用到火了吗?这两种情况既没有火,也没有炽热的碳或其他诱因,但还是发出了大量的热,这是由于发生了化合作用。我们这里的玻璃杯子就是一个例子。在水被分解的同时,酸和金属之间正发生着与其相对立的化合作用,而且这一作用可以产生热。我们稍后再回到这个有趣的话题上,到时你们会发现玻璃杯中液体的发热是意料之中的,因为锌其实也在燃烧,只是燃烧得很慢而已。
“这还不足以让我们了解怎样用锌和硫酸制备氢,还得使用某些东西来收集和保存产生的气体。刚开始可能有点难。我们得处理好三种物质:制备氢的水、用来分解水的硫酸和锌、还有释放出的氢。实验中所用的水和锌都得立即放到水中,但是硫酸却得一点一点地加入。如果把大量硫酸一下子加到水中,会发生十分剧烈的反应,而且这样的迅速加入会使操作者有被滚烫的液体溅到的危险。因此,硫酸需要缓慢加入,每次都得等气体释放完之后再加入新的硫酸。同时,在持续加入硫酸的过程中,不可打开或扰动产生氢的容器,以免空气进入其中,否则会使空气与氢结合,形成一种危险的混合物。
“这一实验所用的容器一般需要有两个瓶口,一个在容器中间的位置,另一个在容器侧面。在瓶中放入一撮切成小片的锌,或是有锌箔的话更好,可以卷成柱状从瓶颈放入瓶中。然后向其中放入足够的水,完全淹没锌。然后用插有长柄漏斗和曲形玻璃管的软木塞塞紧瓶口,玻璃管与木塞之间需要密封连接。硫酸可以通过玻璃管从另一个瓶口流入,而且玻璃管要同前一根一样,与瓶子相连。这样整个装置就组装完毕,只差向其中加入硫酸了。玻璃管的上部需要有一个玻璃漏斗,硫酸可以通过漏斗缓慢加入到瓶中。当氢开始正常制备的时候就不必再特别注意装置了,只需要在反应变慢的时候加入少许硫酸即可。这一装置十分简单也十分巧妙,深入到水中的长玻璃管可以避免空气与氢接触而造成危险,但又能让硫酸随时进入瓶中。同时,生产的氢由于水封无法溢出,只能通过曲形玻璃管进入另一个瓶子的水面上方。换句话说,这一制氢设备在运行并产氢的过程中有两扇门,一个是只能进不能出的长形玻璃管,另一个是只能出不能进的曲形玻璃管。
“此外,假如曲形玻璃管管口被某些东西堵住,或者管子太细产生的氢无法通过,会怎样呢?气体聚集在瓶子里无法溢出,会对其中的液体产生压力,并将其通长型玻璃管推至玻璃漏斗,最终溢出。如果长型玻璃管中的液位上升,那就是警告我们装置出现故障,气体无法溢出。不过除非我们一次性放入太多硫酸,否则不必一直观察长型玻璃管,看是否有发出故障的信号。
“这就是实验室中用的制氢装置,很遗憾我无法给你们演示我刚刚所描述的操作,因为在我们村这样的地方很难得到有两个口的瓶子。”
“的确是这样,”埃米尔插话道,“我从来没在附近看到过那种东西,一个两口瓶——一个用来进气一个用来出气——这可不像是在垃圾堆里就可以随便找到的东西,所以我们是无法做成一套制氢装置了。”他的语气有点悲伤。
“可是假如我之前不知道我能否做成的话,我是不是就不应该在铁匠铺里给你们希望?是不是只有一个旧泡菜坛子和一点点智慧就得对成功感到绝望?我可不这样认为。难道我们的瓶子就不能做成那套设备吗?我们现在就来试试看。”
说着,他从一个坛子上找来一个很大的软木塞,用锉子将它锉成适合那个泡菜坛子坛口的大小,然后又在上面挖了两个孔,其中一个插进了曲形玻璃管,另一个孔插进了长型玻璃管并将其推至瓶底。随后,他往坛子里放入了一点锌,并用水将其淹没,然后用塞子塞进坛口,并用粘土抹在边缘以防漏气。埃米尔十分兴奋地等待着将要发生的事:他将如愿看到很多很多氢。所有东西都像保罗叔叔之前说得那样井然有序地准备好了。
“这里是长型玻璃管,”他热心地对叔叔说,“到时候你会把酸加到里面去,那根是用来溢出氢的曲形玻璃管。旧泡菜坛子看起来很好,现在它有两个口了,都在木塞上。但是还有一样东西没有,就是用来倒酸的小漏斗。”
“我没有。”叔叔回答道。
“那我们该怎么办呢?那根管子那么细,没漏斗的话我们什么也倒不进去。”
“我们问问朱尔斯,看看他有没有什么方法可以解决这一难题。”
“你们听了我的主意一定会笑我的,”被这样问及时朱尔斯说道,“我们能不能用一片纸卷成锥形,在锥顶留一个小孔?”
“你的建议非常可行。没有化学家们常用的漏斗,我们也可以做好,就用你所说的纸漏斗代替玻璃漏斗。但是我得警告你们,纸漏斗会很快腐烂的,因为硫酸具有极强的腐蚀性。不过这对于我们来说没有关系,因为我们可以经常更换纸漏斗。现在就不用过多考虑经济问题了。”
说到做到。将纸漏斗插入直玻璃管的顶端可以很轻易地向其中导入硫酸,表面上看,坛子里的水立即沸腾起来,氢从曲形玻璃管中逸出,曲形玻璃管已经预先放入一碗水中。孩子们迫不及待地要看看用点燃的纸与冒出的气泡接触会发生的现象。气体从泡菜坛子中逸出之后被点燃,迅速发出光芒,产生苍白的火光并伴有轻微的爆裂声。这的的确确就是氢,即使是一个真正的实验装置也只能做到这样。
“现在你们对这种小水泡已经很熟悉了,”保罗叔叔说,“我们将较大量的氢点燃,看看会发生其他什么现象。我在通入氢的水中溶解一点点肥皂,并将玻璃管深入到肥皂水的下面。假如用一根吸管吹的话就会产生大量泡沫,瓶中冒出的气泡比较奇特:在肥皂泡的中间还有一点点气体组成的小气泡,小气泡里面充满了氢。这样我们就得到大量的可燃的氢,它们贮存在薄薄的肥皂泡里。用一张烧着的纸可以将气体点燃,产生的火焰更大,爆裂声也更响,只是易燃的火焰是苍白色的。”
孩子们对这一展示充满兴趣,在他们的请求下,实验重新开始,并生成了更多氢,这些氢在稍后的实验中将产生很好的效果。
“我们从这一实验学到的就是这些了,”保罗叔叔总结道,“实验告诉我们,氢极易燃烧,即使是用点燃的纸片接近肥皂泡也能使里面的氢燃烧。现在,我们继续进行另一个实验,它会告诉我们,氢这一极易燃烧的气体也可以用来灭火。它可以肆无忌惮地燃烧,也可以将进入其中的火焰扑灭。它可以像氮那样迅速扑灭燃烧的蜡烛。我来证明给你们看。将我们装置中的曲形玻璃管伸入碗里的水面下方,使放出来的空气聚集在广口瓶或玻璃筒里,就像制氧时那样。”
广口瓶中装满了气体之后,保罗叔叔继续道:
“这是一个装满了氢的广口瓶,现在我把它从水里拿出来。”
说着他就从底部托住广口瓶,然后把它从碗里拿出来,同时使瓶子保持倒立,就像是往外倒水一样。这一举动让孩子们以为他们的叔叔犯了个粗心的错误。
“你那样拿着它,气体会全部跑出来的,