孩子们在花园里找到一把刀口生锈的旧刀。如果在几周前他们怎么也不会注意这块没有用的废铁,甚至连看都不会去看,更别说把它捡起来了。但是自从叔叔跟他们说了金属的燃烧之后,他们看事物的眼光开始有所不同,他们觉得这块废铁有用,因而考虑把这块废铁用来做实验。知识是思想最好的养料。那些无知的人觉得一无是处的东西,见多识广的人可以将它捡起来研究,而且经常会有重大的发现。朱尔斯捡起那把旧刀,立刻发现上面淡红色的铁锈与铁在氧中燃烧之后附着在瓶壁上的细小粉末十分相似。他叫他的弟弟也留意这一相似之处。
“这里有一块旧铁,”他们说,“从来没有人把它放在充满氧的瓶子里燃烧过,但它生的铁锈和那根发条被烧过之后产生的粉末是一样的,这是怎么发生的?我们去问问保罗叔叔。”
为了回答他们的问题,保罗叔叔在课堂上对他们说:
“大部分金属在打磨之后,如果一直放在那里的话,它们的表面就会慢慢生成一层与原有光泽不同的覆盖层。如果你用小刀把一块铅切开,界面部分会闪闪发光,但这一光泽很快就会褪去,而切下的截面也很快会变得和其他部分一样暗淡无光。一些暗灰色的东西覆盖在原本发亮的表面上。铁和钢也是这样的,当它们刚从工厂里生产出来的时候都是闪闪发光的,但是在空气中暴露一段时间之后光泽就会变得越来越暗淡!刚开始它们像银一样闪闪发光,后来渐渐地被淡红色的斑点所覆盖,而且斑点的面积一天天变大,直到覆盖了整个表面甚至深入到金属里面。我们把这一过程叫做生锈,总有一天金属会最终变成一堆像泥土一样的红色物质。这就是为什么你们在花园里找到的那把刀会变成那样。
“铅也会生锈,不过方式略有不同。它不是变成像泥土一样的红色物质,而是变成一种灰色的泥状物质。刚刚我们切开铅之后,新的截面很快就会有暗灰色的薄层,这就是铅开始生锈的标志,早晚这一薄层会变成一层厚厚的泥一样的物质。同样,锌也会生锈,生锈之后的锌表面是一层暗灰色,而里面仍然是明亮的白色。铜也会生锈,在生锈过程中,铜的表层会被绿色的薄层覆盖。因此我们常见的金属都有一个共同的缺陷:他们明亮耀眼的颜色都会变成泥状物质脱落下来,总之,他们都会生锈。
“这就是事实。为什么会这样呢?我们不必想太远就可以找到原因。你们已经见过铁在氧中燃烧之后会在瓶子里形成很多粉末,这些淡红色的粉末与铁锈看起来一模一样。事实上,这不是别的,就是铁锈。如果我们把几小块锌放在一个铁匙里,过几天再把铁匙放在炽热的煤炭上,就会看到锌熔化、着火并且变成一种白色片状物质,这种物质就是锌锈。把铅放在具有充足空气的火炉中,经过足够长时间的熔化后,铅就会变成一种黄色泥状物质,即是铅锈。把一块铜片放在火上加热,铜片就会失去原有的红色光泽而变成黑色,同时伴随着漂亮的绿色火焰,由此形成的黑色物质就是铜锈。简单说来,这些不同种类的锈都是由金属过度燃烧形成的,它们是金属与氧化合之后产生的,因而也可以说它们都是氧化物。
“目前我们已经对这部分比较熟悉了,这要归功于我们做的金属燃烧实验。不过现在我们来学习一点新的东西。这些在发光发热的燃烧中产生的氧化物(即是在绚丽的火焰中产生的铁锈),与在自然界中金属表面慢慢形成的锈并没有明显的不同。把一块铁埋在潮湿的土中,它的表面会慢慢产生一层淡红色物质;而要是把另一块铁放在一个充满氧的瓶子里用明亮的火焰燃烧,会发生与之前那块铁相同的化学反应。如果一块锌表面被浅灰色的薄层覆盖,把这块锌放在铁匙里熔融并产生美丽的火焰,最终形成白色片状物质。这两个例子中发生的过程在本质上是相同的,都是空气中的氧与金属化合了。普通的锈一般都是氧化物,或者说是一种燃烧之后的金属,不论燃烧在何时何地发生,不论过程中是否进行加热。这里应该再举几个其他例子。
“一块木头长时间暴露在空气中,就会渐渐腐烂:它会逐渐变黑,最后腐烂成棕色的木屑。木头的这种腐烂过程实际上是放缓之后的燃烧过程,不同之处只在于前者是缓慢进行的,而后者是在火的作用下快速完成的。这块腐木与火堆里燃烧的木头一样,会与空气中的氧结合,而且像木头燃烧一样,这一过程也会放出热量。我们都知道热量是由此产生的。麦堆里面会比较温暖,一堆干草在遇潮之后也会变得很热,就像要起火一样。这两种情况都是因为植物组分与空气中的氧结合而缓慢燃烧。因此我们知道,朽木其实是处于一种缓慢燃烧过程中,而且可以放出热量。
“为什么我们很难感觉到这种热量呢?理由很简单。假如一根原木需要经过十年时间才能慢慢的腐烂掉,而同样一根原木只需要一个小时就可以被烧为灰烬。这两个过程都放出热量,但是前一过程中能量释放很慢,需要花费十年的时间,因此很难被察觉到;而另外那根在火堆里燃烧的原木则不一样,它会迅速释放大量热量,因为要在一个小时之内完成这一过程,因而我们可以很轻易地感觉到。由此可见,虽然一些化学反应在本质上相同,但是一些快速反应的剧烈程度却不一样,就像物质的燃烧那样。一个腐烂的老树干、一堆冒热气的动物粪便、一堆内里发热的潮湿的草、一根在壁炉上燃烧的炽热的木头,这些都是燃烧快与慢的不同例子。在这些过程中,空气中的氧都会与可以燃烧的固体物质结合,唯一不同的只是燃烧率。燃烧有快有慢,快速燃烧时物质会着火,而且释放大量热和光;慢速的燃烧只是慢慢消耗,没有任何火焰或光亮,而且发出的热量也不易察觉。第一种燃烧剧烈但很短暂,第二种燃烧难以发觉却会持续较长时间。
“金属的生锈就像一堆植物组分的腐败一样,是慢速燃烧的结果。当金属暴露于空气中,尤其是在潮湿空气中,金属会与氧结合并被氧化。也就是说,它会形成我们所说的氧化物。这就解释了为什么旧刀片表面会有淡红色薄层、为什么新切开的铅会立即失去光泽、为什么锌的里面有光泽而表面却被浅灰色的薄层包裹。铁表面的红色薄层是铁氧化物,铅表面的灰色层是铅的氧化物,而锌表面的浅灰色薄层则是锌的氧化物。与潮湿空气长时间接触会使金属像是被慢慢燃烧了,至少金属的表面像是这样。
“几乎所有金属都有类似反应,它们会被空气中的氧侵蚀生锈。铁锈是黄色或红色的,铜锈是绿色的,铅和锌的锈是灰白色的。但它们生锈的难易程度不同。在常见的金属中,铁最易生锈,其次是锌和铅,接下来是铜和锡,再下来是银,银可以长时间保持其光泽。金是一个例外,它从不生锈,正由于它的这种永不褪色的品质它才变得非常珍贵。那些很久以前就传承至今的金币和金饰品尽管在潮湿的土壤中埋藏了很久,但看起来仍然干净明亮,就像刚刚制造出来的一样,要是换作其他金属早就完全生锈了。”