Chapter1 混合与化合

证明铁屑

保罗叔叔先跑到附近的锁匠铺，他从锁匠的工作台上拿了一小撮东西，并且用废报纸将其包好。然后，他又跑到药店里买了一些药，也用废报纸包好，拿回了家。实验就开始了。

保罗叔叔打开一个纸包问孩子们：“这是什么呀？”

爱弥儿说：“这是一种黄色粉末，用手指捻这些粉末，会发出一种极轻微的声响，我想这种粉末一定是硫黄。”

约尔说：“没错，一定是硫黄，我们可以用它来做实验。”

说着，约尔就跑进厨房，取了一块烧红的木炭过来，撒了一些黄色的粉末在木炭上面。只见粉末开始燃烧起来，燃烧时的火焰呈蓝色，同时发出一股像硫黄火柴的味道，使人闻后感到窒息。

约尔得意地说：“这样就可以证明这些粉末是什么了。只有硫黄燃烧时的火焰是蓝色的，并且会发出呛人的臭气。”

保罗叔叔说：“是的，这是研磨得很细碎的硫黄末，也叫硫黄粉。现在，你们来看看这又是什么？”

说着，保罗叔叔解开了另一个纸包，里面是一撮金属粉末——这些粉末的表面发出金属样的闪光，让人一看就知道这是一种金属粉末。

爱弥儿说：“这东西很可能是铁屑。”

约尔说：“岂止是可能，它根本就是铁屑。保罗叔叔，这大概是你从锁匠铺拿来的吧？”

保罗叔叔说：“约尔，你虽然猜对了，但不应该这样草率地下结论。我们研究任何问题，在下结论之前都需要经过仔细考察，否则很容易做出错误的判断。就像刚刚的判断，你其实并没有充分的理由能证明这种金属碎屑是铁屑。因为仅从外观上观察，铅屑、锡屑、银屑、铁屑并没有太大的差别，它们都是银灰色的，也都能发出金属光泽。你刚才之所以确定那撮黄色粉末是硫黄，是由于你用炽热的木炭燃烧证明了。但是，你们现在能不能找出证据，证明这些金属屑是铁屑呢？”

两个孩子相互看了看，却没有一点儿头绪。最后，保罗叔叔给了他们一个提示。他说：“你们常玩的那块马蹄形磁铁在哪儿？想想看，磁铁能不能帮助我们解决眼前的问题？我常看见你们用磁铁来吸钉子、吸缝纫针，但是磁铁能吸起铅来吗？”

约尔说：“磁铁吸不起铅来，它能够吸起一把很沉的刀，但是连一小块铅都吸不起来。”

“那磁铁能吸起锡吗？”

“也吸不起来。”

“银和铜呢？”

“也吸不起来——我想起来了，磁铁能吸铁，这就是我们要做的实验。好的，让我来试试。”

说着，约尔便两步并作一步，急忙跑上楼，从堆满玩具和书的架子上取下磁铁，又急忙地跑下楼。他把磁铁靠近那些金属粉末，只见磁铁两端各挂着一串像发光的胡须一样的东西。

约尔叫道：“看，这些金属屑都被吸起来啦！我现在可以确定是铁屑了。”

保罗叔叔说：“是的，这些的确是铁屑，是我从锁匠工作台上拿来的。现在，我们既然已经确定这两样东西是什么了，就来进行进一步的化学研究吧！一定要留心观察。”

分离混合物

说着，保罗叔叔把这两样东西一起倒在一张大纸上，然后把它们搅拌在一起。

他说：“你们看看，这张纸上放着的是什么？”

约尔说：“太简单了，是硫黄和铁屑混合在一起的东西。”

“没错，这种混合起来的东西叫混合物。现在，你们还能从这堆混合物中把硫黄和铁屑分辨出来吗？”

爱弥儿仔细观察纸上的东西，说：“这也很简单，你看这些黄色的物质是硫黄，另外这些闪着金属光泽的物质是铁屑。”

“那么，你们能够把它们分离出来吗？”

“这有什么难的？只要花一点儿心力和时间就可以。我的视力很好，我可以用针把硫黄剔到一边，再把铁屑剔到另一边，这样它们就分开了。只是这件事情太烦琐，我恐怕没有足够的耐性。”

“是的，要把它们完全分开不是一件容易的事情，无论你有着怎样的耐性也不可能完成。然而它们确实是可以分开的。不过，这个小堆好像既看不见硫黄的黄色也看不见铁屑的金属色，只有黄与银灰互相掺杂的灰黄色——如果你没有过人的眼力和熟练的手指，肯定无法把它们分开。但是我知道一定还有其他方法可以分开它们。看看你们两个谁能想出来？”

约尔说：“我想出来了！”他一边说，一边把磁铁的两端（或称两极）在混合物上来回移动。

爱弥儿说：“等等，我也想出来了。刚刚叔叔已经提到磁铁了，所以想到了也不稀奇。”

保罗叔叔对爱弥儿说：“只要能够找到解决问题的办法就很好。而如果能够立刻想出解决方法就更好了。但你也别着急，不久你就可以和约尔一争高下了。现在，我们来看看约尔的方法管不管用。”

约尔继续把磁铁放在铁屑和硫黄的混合物上移动，结果金属屑被磁铁吸引，就像刺毛般地聚集在磁铁上面，而把硫黄撇在了一边。

约尔得意地说：“太棒了！如果这样反复吸，不到10分钟就可以把它们完全区分开。”

保罗叔叔说：“好了，不用再吸了。你的方法确实很不错，既简单又有效。现在，让我们再把铁屑放回到硫黄里。你们使用磁铁来分开这两种物质虽然很便捷，但是磁铁并不是唾手可得的东西。你们能不能再想出一种方法把它们分开？这回就不能用磁铁了。其实有一个极好的方法，不需要用到什么特别的器械——你们想想看，这两种物质中哪一种比较重？”

两个少年化学家同声答道：“铁重。”

“假设我们把铁放到水里，它会怎么样？”

“它会沉到水底。”

“那硫黄呢？——它会怎样？我说的是硫黄粉末，可不是块状的硫黄，因为块状的硫黄也会沉在水底。”

爱弥儿害怕又被哥哥占先，便抢着说：“我知道！我知道！如果把这些混合物一起倒入水中，铁屑就会沉下去，而硫黄——嘿嘿——硫黄——”

保罗叔叔看见约尔好像要插嘴的样子，连忙阻止他：“嗨，约尔，先让你弟弟把话说完。”

爱弥儿红了红脸接着说：“硫黄会浮在水面上——也有可能会沉在水底，但不会像铁屑沉得那么快。”

保罗叔叔嘉许地说：“爱弥儿，我刚刚不是说，你不久就可以和约尔一争高下了吗？看我说得没错吧？你说得很不错，你说话时之所以吞吞吐吐是因为你对于硫黄的状态不十分确定。现在，我来做个实验给你看。”

于是，保罗叔叔盛了一大杯水，抓起一把混合物放到水里，同时用木条搅动液体，等到杯子中的水被搅动得十分浑浊时，他便停下动作，等待结果。没过多久，铁屑因为比较重而下沉到水底，硫黄粉却还不停地在水中兜圈子。然后，他把含有硫黄的混合液体倒在另一只杯子里，又等了一会儿，只见粉末依旧悬浮（即半沉半浮）在水中。此时，铁屑与硫黄已经被分开了，铁屑在第一只杯子里，而硫黄在第二只杯子里。

保罗叔叔说：“你们看，这种方法的效果和刚刚使用磁铁的效果一样，而所需要的用具却更加简单。我们以后要做的也都是这类不需要特别用具就能操作的实验。好了，现在你们已经清楚，利用上面的方法，我们很容易就能把这两种混合物完全分离开来，不过我们现在不需要分离它们了。把我们方才所学得的总结一下，就是：由两种或两种以上的不同物质混合成了一种混合物，它们的混合是可以用各种简单的方法分开来的。放在你们面前的是一堆硫黄和铁屑的混合物，它们可以用磁铁、水，或费一点儿时间和耐性一粒粒地用手分离开来。而现在，我们需要进行更进一步的实验。”

人生第一个化学实验

说着，保罗叔叔把铁屑和硫黄的混合物放在一只脸盆里，并往里加了一点儿水，用手指把它们搅拌成糊状。然后，他找出一个无色广口的玻璃瓶，把糊状物倒入瓶中，接着将这个瓶子放到太阳光之下，让它获得一点儿热量。因为正值酷暑，所以依据保罗叔叔的预料，实验很快完成了。

他说：“你们留心看，马上会有神奇的事情发生。”

两个孩子一眨不眨地盯着瓶子看，热切地希望他们人生第一个化学实验能够成功。这个玻璃瓶子里将要发生什么变化呢？他们等了将近15分钟的时间，只见瓶子里原本灰黄色的混合物渐渐转黑，最终颜色变得像煤烟一般，同时有一缕缕水蒸气伴着嗤嗤声从瓶口冒出，而且有少量黑色的物质被喷射出来。

保罗叔叔说：“约尔，你拿着这个玻璃瓶子看，可千万别放手。”

约尔莫名其妙地跑过去把瓶子拿在手里。突然惊叫道：“啊呀！好烫！好烫！”约尔险些没拿住玻璃瓶。他立刻把瓶子放在地上，将身子转向叔叔，好像不小心触摸到了灼热的铁块一般搓着手。接着，他说：“叔叔，怎么会这么烫呢？烫得我简直连一秒钟都拿不住。要是这个瓶子曾经放在火上烧过，我还能想得到它很烫；可是这瓶子从没放在火上加热过呀，谁能想得到它会自己变得这么烫。”

爱弥儿听了这番话，也想自己去试试。他先用指尖碰了碰瓶子，然后勇敢地把它拿在手里，但是他刚刚拿到手里，也像约尔一样立刻放了下来。从他的面部表情看出，他也对这无缘无故就发热的瓶子感到惊奇迷惑。

他想：“这混合物中只加了一些水，水不是燃料，所以不应该会发热，而太阳虽然很热，但是无论如何总不会使瓶子烫得用手都拿不住。这其中的道理，真是想不明白。”

我亲爱的读者们，请你记好，保罗叔叔的化学实验将带给你许多不可思议的事情。凡是研究化学的人都仿佛置身于一个崭新的世界当中，睁开眼睛所看见的，都是新奇的事物。但是，你可不能太过慌张，你需要仔细地观察，把所见的事物都记在心里。现在，虽然你可能觉得这些事物看起来神奇莫测，但等到将来，你就会渐渐明白其中的道理了。

观察实验结果的方法

接着，保罗叔叔说：“我们已经知道，这个瓶子里的东西显然自己会发热，而且温度还很高，让你们的手都被烫痛了。至于我们刚刚所见到的其他现象，只能认为是使瓶子发热的某些变化的结果。我用来搅拌这些混合物的水已经变成了水蒸气，所以有白色的水雾从瓶口逸出，伴随这些逸出的水雾又有嗤嗤的声音，以及固体物质的轻微爆发。要是我刚才放进去更多的铁屑和硫黄——要是我的混合物不只是一两把，而有一升那么多甚至更多——那么，我们的实验结果一定还要使你们更为吃惊。现在，我要进行一个更加奇妙、有趣的实验。

“将适量的铁屑和硫黄的混合物放在一个大的地洞里，在上面浇些清水、堆些湿润的泥土，筑成一个小山丘。当这小丘爆发时，可以像火山一样，小山丘四周的地面会震动，堆起的泥土会裂开许多条缝隙，从这些缝隙中会喷射出缕缕的水蒸气，并发出嗤嗤的声音猛烈爆发，甚至有飞跃的火焰。这个实验被称为人造火山。但是我在这里需要补充一句，真正的火山，其起因和作用完全与这个不一样，不过此刻我们是不需说明二者之间的区别的。你们在空暇的时候，可以使用少量的铁屑和等量的硫黄做一个人造火山来玩。你们所筑的小山丘无论有多小都可以带来许多趣味。至少，它会裂开几条缝隙，射出一些热腾腾的水蒸气。”

爱弥儿和约尔听完后就决定等到空暇时，一定取些铁屑和硫黄粉进行一次人造火山实验。正当他们热烈地讨论着这个计划的时候，玻璃瓶里发生的反应已经渐渐减弱了，温度开始下降，用手摸着也不会觉得烫了。保罗叔叔拿起瓶子，把瓶子里的东西倒在一张纸上，只见那些东西像是煤烟一样的深黑色粉末。

他说：“现在，你们仔细看一看，还能不能找到黄色的硫黄，哪怕只有一点点？”

两个孩子拿出一根针，仔细检查黑色物质，可是一粒硫黄粉末都没找到。他们问道：“硫黄都到哪里去了？我们亲眼看见它被放进瓶子里，所以它就应该在这堆物质里。而且刚刚实验的时候，它也没有跑出瓶子，跑出瓶子的只是一些水蒸气啊！它一定还在里面，不过我们怎么找都找不到，不知道为什么。”

约尔接着说：“我们找不到它是不是因为它已经变成黑色粉末了？现在，我们可以用火来试试，一定能够解决这个问题。”

约尔相信自己已经找到解决这个问题的办法，便跑到厨房拿了一些炽热的木炭，把一撮黑色的粉末撒在上面。但是，他把木炭吹得发红，等了好长时间，却没有看见硫黄燃烧的现象——蓝色火焰，接着他又撒了好几把黑色粉末，结果还是一样。他失望极了。

约尔大声地说：“真是奇怪，硫黄明明在黑色粉末里，却燃烧不起来。”

爱弥儿说：“而且连铁屑也不见了。黑色粉末黑乎乎的，一点儿都没有铁的金属光泽。让我们用磁铁再来试试看能不能把铁屑分离出来。”

说着，他就拿起磁铁在黑色粉末上面来回移动，但是结果却和之前一样，没有任何变化，在磁铁的两极也没有聚集像刺毛般的金属屑。

爱弥儿耐着性子来回移动磁铁一段时间，最终他失望地说：“好奇怪！刚才我们明明看见里面有很多铁屑，但现在不知道为什么连一粒都没有了。要不是我刚才亲眼看着它们被放进去，我一定会说这里面没有铁屑呢。”

约尔表示同意：“可不是嘛！要不是我刚才看见这东西是用硫黄和铁屑搅拌而成的，我一定也会说里面没有硫黄呢。但是，它们明明就应该在里面，现在却变得无影无踪了；这东西明明是用硫黄和铁屑搅拌而成的，现在却找不到一点儿硫黄和铁屑了，还真是不可思议。”

保罗叔叔让他们自己讨论，因为他认为观察是学习的重要方式，努力从观察中得到的结果比从别人那里听取来的印象更为深刻。最后，两个孩子还是想不出方法来拣出硫黄和铁屑，于是，他开始从旁指导两个孩子。

初识化合反应

保罗叔叔说：“现在，你们还想把这两种物质一粒粒地分离开吗？”

两个孩子回答：“我们没有办法了，我们再也找不出其中有一点儿硫黄或铁屑的痕迹了。”

“用磁铁来试试呢？”

“磁铁也没有用，它什么都没有吸起来。”

“那么用水来试试看呢？”

约尔说：“恐怕也没有用吧，因为这些黑色的粉末似乎只是一种东西，没有谁轻谁重的分别。但是让我们来试试也好。”

说着，他拿起一把黑色粉末撒到一杯清水里，搅拌之后，黑色粉末一起沉到了杯底，毫无分离的迹象。

保罗叔叔说：“这样看来，用之前的方法已经不能把它们分离开了。而且，这些黑色粉末的外观和性质已经完全改变了，如果先前不知道它们是用什么东西来合成的，你们一定不会想到其中有哪些物质存在。”

孩子们说：“是啊，谁能想到这东西是由铁屑和硫黄合成的呢？”

保罗叔叔接着说道：“我刚刚说过，这些黑色粉末的外观已经改变了：硫黄本来是黄色的，铁屑本来是银灰色的，然而这两种物质结合之后，在外观上既观察不到黄色，也观察不到银灰色，而是变成了深黑色的。同样，它们的性质也改变了：硫黄本来容易燃烧，燃烧时火焰呈蓝色，放出使人窒息的带有臭味的气体，但是这些黑色粉末却不能燃烧；铁本来能被磁铁吸引，但是这些黑色粉末却不被磁铁吸引。所以我们可以断定这种粉末既不是硫黄也不是铁屑，而是另外一种性质截然不同的物质。

“我们应该把这种物质称为硫黄和铁屑的混合物吗？不能，因为我们无法用任何简单的方法鉴别出它的成分来，而且它的性质也与之前的两种物质并不相同。像这样的一种结合方式，比我们知道的所谓‘混合’更为紧密，这在化学上称为‘化合’。”

“混合”让物质的各个成分保留着原有的性质，“化合”却使各个成分失去原有的性质而表现出某种新物质的新的性质。

“当几种物质混合后，我们往往能够用简单的方法把它们分离开来。但是，当几种物质化合后，却绝不能够用某些简单的方法把它们分离开。因此，我们可以说，两种或两种以上的物质化合后，就不能再用拣选的方法把它们分离开了；换言之，就是它们原本特有的性质已经消失，而表现出某种新的性质了。

“你们还需要注意的是，化合所产生的新的物质的新性质并不是从参与化合的物质的本性中得来的。对于以前没有研究过这种新奇事情的人们，谁能想到黄色、易燃的硫黄，会成为黑色、不可燃的粉末呢？谁能想到具有金属光泽、可被磁铁吸引的铁，可以成为深黑色、毫无磁性的物质呢？对于这种事情若不是预先有一点儿知识，简直是不能判断的。你们以后可能时常会看见，化合会使物质发生根本的改变：把白的变成黑的，把黑的变成白的；把甜的变成苦的，把苦的变成甜的；把无毒的变成剧毒的，把剧毒的变成完全无毒的。以后遇到两种或两种以上的物质化合时，你们需要好好地注意它们的结果。

“此外还有一点需要特别注意，在化合反应进行时，例如，我们的硫黄和铁屑的混合物，物质自身会发出高热，温度甚至高到用手拿不住。我想约尔一定会永远记着这种源于意外的高热所引起的兴趣。对于这一点，我得告诉你们，像这样的升温，在化合反应中并不少见，并不是硫黄与铁屑化合反应中的特殊现象。每当两种或两种以上的物质化合时，总要放热，不过所放出的热量有多少的不同：有时放热很少，必须用最精密的仪器才能观测到温度的变化；有时——这种情况最多——放热很多，手触摸会感觉到烫，甚至于有时可以达到炽热或白热，可以用眼睛观察到。”

凡是化合反应总是会放出一些热量；反之，凡是放热或发光的反应，几乎表示那里正发生着化合反应。

生活中的化合反应

约尔插口道：“保罗叔叔，我想问你一件事情，我们在煤炉中烧煤，是不是那里也有不同的物质在发生化合反应？”

“当然。”

“那么，其中的一种物质一定是煤了？”

“没错，是煤。”

“那么，另外一种是什么呢？”

“还有一种存在于空气中的物质，它是一种看不见但却真实存在着的物质，关于这种物质，我们在将来适当的时候会讲到。”

“在厨灶中发光、放热而燃烧着的柴火呢？”

“那里也发生着化合反应，一种物质是柴火，另外一种也是存在于空气中的物质。”

“用于照亮的油灯和蜡烛呢？”

“那里也发生着化合反应。”

“那么，我们每次点火，就每次都促使一种化合反应发生吗？”

“对啊，是你促使两种不同的物质发生化合反应了。”

“真有趣，化合反应！”

“不但有趣，而且也非常有用处。就是因为它有用处，我才把它怎样使物质发生奇异变化的情况讲给你们听。”

“你能不能把这些奇异的事情都告诉我们呢？”

“只要你们用心，我会把我所知道的奇异的事情都讲给你们听。”

“哦，这个你不用担心。我们会牢牢记在心里，不会忽略一个字的。与其要我学习多位数的除法或是动词的活用，我宁可学这种功课呢。爱弥儿，你说是不是这样？”

爱弥儿点点头说：“可不是嘛！我愿意整天学习这种功课，我总有一天要抛开那些文法功课，去做一个人造火山来玩的。”

保罗叔叔劝他们说：“如果你们要我讲化学，就不要因为你们对于化学的兴趣而忽略了文法。化学固然有用，但是语言的用处也不小啊！动词的活用虽然似乎很难，但是你们可不能忽略了它。现在，我们再来谈谈化合反应这个题目。

“如之前所说的，化合反应常常伴随着放热或发光、爆发、炸裂、光芒的射出、火花的飞溅——总之，凡是像爆竹一样的现象——等等，都是两种物质化合时常有的事。在化合时，那两种物质都结合得十分紧密，我们甚至可以说，它们结婚了。热和光是祝贺它们结婚的爆竹与灯彩。你们不要笑话我这种比喻，这比喻其实是很贴切的。化合反应真的像是结婚一样：它把两个物质合为了一个物质。

“现在，我不得不告诉你们，硫黄和铁屑‘结婚’后所变成的东西是什么。我们不能称它为硫黄，因为它不再是硫黄了；我们也不能称它为铁屑，因为它也不再是铁屑了。我们同样也不能称它为硫黄和铁屑的混合物，因为它起初虽然是混合物，但后来已经不再是混合物了。这东西在化学上称为硫化亚铁（FeS），这个名词使我们想起这两种物质是受了化学婚姻的约束而结合起来的。”

铁元素是变价元素，常见价态为0、+2及+3价，当硫单质与铁单质化合时，由于硫单质的得电子能力，即氧化性较弱，并不会氧化0价的铁单质至其最高价，因此，只得到硫化亚铁，即+2价铁的硫化物。原著在此处有错误，后文均已改正。