等到叔叔给瓶子装满混合物后,埃米尔就勇敢地握住了瓶子。他神情严肃,身体站得笔直,像一个炮兵发射了他的炮弹。轮到朱尔斯的时候,他颤抖着双手略带兴奋地做了这个实验。两个孩子交替着开火,直至用尽了所有的爆炸物。连续的爆炸声使家人非常疑惑,保罗叔叔和他的侄子们究竟是如何用化学药品、瓶子和装置来产生爆炸的。
“我们的氢枪没有弹药了,反正是开不了枪了。现在我们来看看氢和氧燃烧后剩下了什么。氢和氧的混合气体爆炸时发生了化合,同时瓶中喷出了一道不甚明亮的火焰,生成了一种新的物质。这种化合物是一种无色的蒸汽,必须在冷凝后才能进行检验。一次性点燃大量的气体混合物是非常危险的,而且不符合我们仔细钻研的目的。因此,我们每次只需点燃少量的氢和氧的混合物,使它们慢慢化合。也就是说,我们得点燃一个氢管,使它在空气中燃烧,以便我们仔细观察。
“现在我们来准备这个装置吧。这个装置跟吹肥皂泡的装置一样,只需将装置上端的稻草直管换成针眼般大小的尖嘴玻璃管即可。尖嘴玻璃管的制作方法如下:取一根容易融化的玻璃管,放在酒精灯火焰上加热,用手指旋转,使其均匀受热。等到玻璃管变软时,将糊状的融化部分拉成一条线,使两截玻璃管中间仅由一条线状玻璃相连。用一把锋利的锉刀从中间斩断,这样就做成了两根满足我们实验要求的尖嘴玻璃管。取一根尖嘴玻璃管,将其钝端插入广口瓶塞子两个孔中的一个。用一根玻璃直管插入另外一个孔,以便注入酸液。我要补充一点,如有必要的话,可以用陶土管替代尖嘴玻璃管。当然,如果有双颈广口瓶就更好了,一个瓶颈放尖嘴玻璃管,另一个放注入酸液的玻璃管。
“我把水、锌和硫酸放到广口瓶中,氢就会释放出来,从尖嘴玻璃管的尖嘴喷出。我将在这个喷嘴处点火,但在个操作前我们必须谨慎考虑。我们已经知道,氢和空气的混合物会发生爆炸。现在从广口瓶中释放出来的氢还混有空气,如果我们此时用火柴在喷嘴处点火,这些危险的混合物就会在瓶中发生爆炸,瓶子可能因无法承受这种冲击而炸成碎片,即使瓶子没有爆炸,瓶塞也会弹出来,造成酸液喷溅,将我们的衣服腐蚀出红色的斑点,甚至进入我们的眼睛。我警告你们,如果你们要自己制备氢,要注意这种爆炸性混合物。在点燃氢之前,必须要时刻注意它是否混入了空气。
“此刻实验装置中释放的氢肯定混有空气。所以必须让气体再释放一会儿。当瓶中的空气逸出时,氢也会和空气一起逸出。因此,当瓶口不再有空气逸出时,才能进行实验。但是,由于没有指示器来指示这个时间点,我们必须等一会儿,等待的时间宜长不宜短,以保证我们的安全。耐心即是谨慎。”
他们等着氢继续释放出来,在通过玻璃管的尖嘴逸出时,氢还吹着口哨。过了几分钟后,叔叔觉得可以安全操作了,便说道:“差不多到时间了。”
“现在广口瓶中已经没有空气了,即使有的话,含量也非常少。为安全起见,我仍然给广口瓶缠上毛巾,以限制碎片和液体的飞溅。完成这一操作后,我用一张点燃的纸条靠近氢喷嘴。氢立即着了火,安静地燃烧起来,还发出了暗淡的淡黄色火焰。所有危险都过去了。既然最初点燃氢时没有发生爆炸,就不会有危险了。瓶中所有的空气已经被赶了出来,从尖嘴玻璃管出来的只有纯净的氢。现在我们已经不需要毛巾了,但如果怀疑瓶中有爆炸性混合物,仍然需要使用毛巾。为了看清楚瓶中发生的情况,我现在拿掉起保护作用的毛巾。不用担心爆炸了,让我们来仔细检验氢的火焰。
“我们看到,随着氢的持续逸出,尖嘴玻璃管上的火焰燃烧非常稳定,火焰呈暗淡的黄色,发出极其微弱的光芒。这就是氢燃烧的外观。虽然它的火焰并不明亮,但温度却非常高。你们可以感受一下。”
两个孩子各自伸着指头靠近这暗淡的火焰,却都很快就缩了回来。因为氢火焰实在是太烫了。
埃米尔尖叫道:“太烫了!这火焰虽然看起来很暗淡,实际上温度却很高。”
“很正常,因为氢是最佳的燃料。你还记得铁匠演示给我们看的操作吗?”
“你是说给锻炉中煤块浇水,使铁条变成白热的操作吗?”
“是的。水被燃烧的煤块分解后,会释放出氢,氢燃烧后会放出大量的热。”
“那么,这苍白的火焰能将铁条加热至赤热吗?”
“岂止是赤热,白热都可以。看这里,我将一根铁条的一端放在这火焰上,立刻就会发出耀眼的光芒。铁匠给煤块浇水使铁条加热至白热,运用的就是这个原理。
“氢还有一种特性,虽然不重要却很有趣。氢燃烧时会唱歌。只要我给它合适的乐器,它就能唱歌。这件乐器是手杖一样细长的玻璃管,粗短的玻璃管也可以,只是音调会发生相应的变化,玻璃管越宽,音调越低,玻璃管越窄,音调越高。要是没有这种玻璃管,也可以使用玻璃灯罩、纸板或者纸筒来代替。可以将它们制作成各种长度和口径。我已经事先准备了一些管子,其中有一支是玻璃管。先从它开始。”
保罗叔叔垂直握着玻璃管罩在了氢火焰上,随即从那里传来一阵乐音,持续而又饱满,简直就像风琴管一样。随着玻璃管的上下移动,火焰被包围的部分也时大时小,因此音调也或高或低,从一个八度突变到另一个八度,给人带来了强烈的听觉震撼。这声音时而震颤,时而整齐,交替不断,时而像某处肃静的教堂里发出的庄严祷告,时而又像高调的假声。总之,无论音调高低,总带有刺耳的嗡嗡声。保罗叔叔又分别选了长的、短的、粗的、细的、纸做的、玻璃做的、金属做的、纸板做的各种管子做了试验。他用刺耳的音调将全音阶中所有音试了个遍。
孩子们再也受不了这嘈杂的乐音,便堵住了自己的耳朵,禁不住笑道:“简直是杂音荟萃!要是公牛(狗的名字)在的话就好了,如果听见这笛声和琴声,它肯定也会叫嚷着参加这个氢管弦音乐会的。这样就太有趣了。我们去把它找来吧。”
公牛被找到了,它以为有骨头吃了,就兴冲冲地跑了进来。公牛听到这疯狂的音乐后,对这奇怪的声响感到甚是困惑,立刻惊讶地嚎叫起来,这叫声全然成了氢乐章的伴奏。对这滑稽的音乐会和演唱会,埃米尔和朱尔斯笑得前仰后合,连叔叔都放下了一如既往的严肃。
“赶快把这只捣蛋狗赶出去,不然我也跟着你们一块嬉闹,关于氢的课程就上不下去了。”
公牛被赶出去了,教室又恢复了平静。
保罗叔叔接着说道:“你们得明白,我做这个实验不仅仅只是为了娱乐,在这个疯狂的音乐会的背后有着严肃的动机——在回答完你们两个就在舌边的问题后,我会做出解释的。氢火焰为什么会唱歌?在玻璃管的包围下,氢从喷嘴中喷出时,会与周围的空气混合,因此就会不断地形成爆炸性的混合物,引发连续的小型爆炸,玻璃管中的空气柱也随之震动。我们听到的声音就是这种震动引发的。
“现在暂且撇开这个话题,让我们来看看氢燃烧后变成了什么东西。我再拿起这个玻璃管,用一根缠有吸水纸的棍子将玻璃管内壁擦干净,不要有丝毫的水汽,然后再把它放到氢火焰上方。现在不要听氢唱歌,注意看玻璃管中发生了什么。玻璃管的内表面很快就结出了细密的薄雾,渐渐地,薄雾越来越多,最后汇聚成无色的液体沿内壁流下来。这种氢燃烧后生成的液体,便是氢和空气中的氧化合的结果。从外观上来看,我们可以把它叫做水,但在这之前,我们必须尝一下味道才能确定。
“现在用的玻璃管太细了,从它的内壁流下的水滴连指尖都不能润湿,所以我们要做小小的变通,用一个瓶口更大的广口瓶来代替玻璃管。先将广口瓶内壁擦干净,然后罩在氢火焰上方。瓶子内壁又出现了薄雾,结成水滴流了下来。如果多等一会儿,会结出很多水滴留到瓶口,这样你们就能用手指蘸到水。”
火焰在广口瓶的笼罩下燃烧了一会儿,叔叔将瓶子上下摇动,凝结的液体聚集到了一处,稍稍倾斜,便聚集到了瓶口处。在叔叔的要求下,孩子们急忙用指尖蘸了这种液体来尝它的味道。
“它没有味道,没有气味,也没有颜色,我想它可能是水吧。”
“你不用加‘可能’这两个字。因为它就是水。我让氢唱歌,正是希望你们明白这件奇妙的事情。水是氢燃烧后的产物,它是氢和氧构成的。水通常被看做是火的对立物,实际上,它是产热最高的最佳燃料氢和支持金属燃烧的氧,化合而成的。这两种气体的含量并不相等,氢与氧的比为二比一。这也就解释了,为什么两瓶氢和一瓶氧混合后,能够发出最大的爆炸声。这种混合物的爆炸会产生少量的水,这些水在高温的作用下变成了蒸汽,猛烈地冲出瓶口,并发出巨大的响声。爆炸声如此剧烈,连窗户都咯咯作响,你们可能会认为一定生成了大量的水。实际上,虽然声响很大,生成的水却极少,也许只有一小滴。你们应该通过化学计算来判断。化学告诉我们,要生成一升水,必须要有一千八百六十升气体混合物,其中包括六百二十升氧和一千二百四十升氢。我们使用的瓶子的容量为四分之一升,那么能生成多少水呢?基本上少得可怜。为了庆祝一滴水的诞生,这个化学婚礼简直太隆重了。
“现在我们来看看使用硫酸和金属锌或铁来制备氢的理由。我们知道,如果金属是第一次转化成氧化物,它就会与一种酸化合。而盐正是由酸和氧化物通过这种化合形成的。将锌、硫酸和水一起放入广口瓶时,这种酸会生性偏好于首次变成氧化物的金属;而这种金属本身又偏好于氧。酸和金属化合时会使水分解,释放出氢,而氧则被锌夺走了。因此,这种金属化合或燃烧时会消耗水,而这水能提供一切物质燃烧所必须的元素——氧。金属燃烧或者氧化后,生成的氧化物会立即与硫酸化合,生成一种称为硫酸锌的盐。总之,锌借助水发生的作用,与锌在火盆借助空气发生的作用是完全相同的。那里的锌发生了燃烧,或者转化成了氧化物。我想你们刚才肯定非常纳闷,为什么反应液体在没有火加热的情况下变热了。事实上,氢发生装置产生的热量是锌燃烧引起的。现在谜团已经解开了。
“我刚才说过,锌转化成了一种盐。这种盐叫做硫酸锌,易溶于水,由于有极少量的分解,体积会略有减小。这种金属会像糖一样融化在水中。现在来看看我们的氢装置。它已经停止反应了。除了少量黑色的金属杂质外,所有的锌已经消失,转化成了一种盐,但反应液体跟原来一样,仍然是无色透明的。我们就让这瓶子立在角落里吧,瓶中的溶解物会慢慢结晶,生成味道辛辣的白色沉淀物,这种白色物质就是硫酸锌。”