Inspirace 3U – listopad/prosinec 2024

Chemické složení svíčky

Svíčky se vyrábí nejčastěji z vosku (parafinového, včelího nebo rostlinného) nebo stearinu (rostlinného nebo živočišného). Nejlevnější a nejběžnější variantou je parafin získávaný rafinací ropy. Jedná se o směs nasycených alifatických uhlovodíků (alkanů) přibližně C20 až C40. Pro jednoduchost a základní úvahy o bilanci vznikajících produktů můžeme uvažovat svíčku z čistého parafinu o složení C_nH_2n+2. Vzhledem k tomu, že se vždy jedná o směs alkanů a počet atomů uhlíku je relativně vysoký, můžeme složení parafinu aproximovat stechiometrickým vzorcem CH₂. Pak bude rovnice hoření následující:

2 CH₂(s) + 3 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 2 H₂O(g)

Vzhledem k teplotě plamene svíčky (asi 800 °C) vzniká voda v podobě vodní páry (g). Pokud bychom přepokládali, že po uhasnutí svíčky počkáme tak dlouho, aby všechna voda zkondenzovala, pak ze 3 molů plynného kyslíku vznikají 2 moly plynného oxidu uhličitého. To je úbytek pouhých 7 % z celkového původního objemu vzduchu ve sklenici (obsah kyslíku ve vzduchu je 21 % obj., spotřebují se ho 2/3, tedy úbytek 7 %). To je příliš malá hodnota na vysvětlení pozorovaného úbytku objemu. (Pokud bychom připočítali zanedbané koncové atomy vodíku, zvýší se tato hodnota jen nepatrně.)

Kondenzace vody, zbytková vlhkost

Úvaha, že všechna vzniklá vodní pára zkondenzuje, také není přesná. Při zaklopení svíčky má vzduch vlhkost odpovídající vzduchu v místnosti, v zimě to může být ve vytápěném bytě 20 %, jinak se běžně pohybuje v rozmezí 40–60 %. Měřením se dá ukázat, že po skončení experimentu, když už se výška hladiny vody nemění, dosahuje hodnoty 70–80 %. Znamená to, že část vody vzniklé hořením zůstává v podobě páry a úbytek objemu vzduchu by měl být ještě menší než předchozí teoretická hodnota 7 %.

Rozpouštění CO₂ ve vodě 

Oxid uhličitý je omezeně rozpustný ve vodě a jeho rozpustnost silně závisí na jeho parciálním tlaku (tedy objemové koncentraci ve vzduchu, která se během experimentu mění) a teplotě. Hlavní je ale fakt, že rozpouštění do vody probíhá oproti době trvání experimentu pomalu a nemůže být zodpovědné za pohyb hladiny pozorovaný pouhým okem. 

Tepelná roztažnost plynů

Doposud jsme neuvažovali, že hořící svíčka ohřívá vzduch v nádobě, ale hlavně generuje horký CO₂ a vodní páru. Tedy ani v okamžiku přiklopení svíčky není možné předpokládat laboratorní teplotu vzduchu uvnitř nádoby. Přinejmenším, když svíčka zhasne, bude vzduch chladnout, zmenšovat svůj objem a významně přispívat ke zvýšení hladiny vody v nádobě. Ukazuje se, že vliv tepelné roztažnosti plynů je dominantní. Právě bublinky vzduchu unikající téměř vždy zpod nádoby při zaklopení jsou způsobeny ohříváním vzduchu uvnitř. Dalším důkazem je to, že hladina významně stoupá i potom, co svíčka zhasne (a kdy se přestane spotřebovávat kyslík). Navíc se před uhasnutím svíčky plamen významně zmenšuje, což snižuje rychlost nárůstu teploty plynů a chladnutí vzduchu v nádobě začíná dokonce už před zhasnutím plamene. Někdy je patrné, že po zhasnutí svíčky začne hladina stoupat skokově rychleji.

Neúplné spotřebování kyslíku

Zatím jsme předpokládali, že svíčka hoří tak dlouho, až se spotřebuje všechen kyslík. Tento předpoklad ale není samozřejmý. I pro hořlavé plyny (jako třeba methan) existuje určitá nutná minimální okolní koncentrace kyslíku, aby plyn dokázal hořet stabilním plamenem. Oprávněnost této námitky byla prokázána experimentálně tak, že do nádoby (zvonu) se svíčkou byla umístěna živá myš. Pokud by koncentrace O₂ skutečně klesala k nule, bylo by to na chování myši poznat, v krajním případě by po delší době pokus nepřežila. Ve skutečnosti nebyla na myši ani po uhasnutí svíčky pozorována žádná výrazná změna chování. To by nasvědčovalo faktu, že se naopak velká část kyslíku nespotřebovala. I to bylo později pomocí elektronických čidel prokázáno, zbytková koncentrace O₂ se pohybuje kolem hodnoty 17 % obj. To však znamená, že příspěvek úbytku kyslíku ke zvýšení hladiny je ještě výrazně menší než teoretická hodnota 7 % odpovídající jeho úplnému spotřebování.

Výška svíčky

Experimentálně bylo zjištěno, že za jinak stejných podmínek má vliv i výška svíčky. Čím je svíčka vyšší, tím hoří kratší dobu. Opět pomocí čidel byly měřeny koncentrace CO₂ v průběhu experimentu v různých výškách nádoby. Nejvyšší nárůst koncentrace po přiklopení svíčky ukázalo měření v horní části nádoby přesto, že CO₂ má vyšší hustotu než vzduch (jak se dá ukázat jinými experimenty se svíčkami). Vysvětlit se to dá tak, že na začátku vzniká horký CO₂, který má hustotu menší než okolní vzduch, stoupá vzhůru a jeho koncentrace roste shora nádoby. Důsledkem toho vysoká svíčka zhasne jako první. Zajímavé je, že autoři neuvádějí vliv výšky svíčky na výšku hladiny v nádobě.

Nedokonalé spalování 

Pokud se během experimentu plamen svíčky zmenšuje v důsledku zvyšování koncentrace CO₂ a snižování koncentrace O₂, bylo by možné uvažovat i částečné nedokonalé spalování parafinu za vzniku oxidu uhelnatého. V tomto případě by uhlík pro svoji oxidaci potřeboval polovinu kyslíku než při hoření na CO₂:

1 C(s) + ½ O₂ →  1 CO(g)

Dá se předpokládat, že pokud by se nedokonalé spalování uplatňovalo, tak jen relativně krátkou dobu před uhasnutím plamene. Spolu s faktem, že spotřeba kyslíku není hlavním faktorem ovlivňujícím konečnou výšku hladiny, to znamená, že vliv nedokonalého spalování bude jen velmi malý. Je třeba upozornit, že se jedná pouze o teoretickou úvahu, protože vznik CO (byť malého množství), nebyl experimentálně prokázán.

Na vánočním videu můžete vidět, že se experiment chová trochu jinak. Na začátku po přiklopení neunikají bublinky, plamen se zvětší a rozjasní a hoří nezvykle dlouho. Je to proto, že kádinka byla předem naplněna kyslíkem (nicméně plamen nehoří v čistém kyslíku, část ho při zaklopení vyteče).

-pH-

• dekahydrát tetraboritanu sodného (borax)
• zelený čistící dýmkový drát (lze koupit v kreativních potřebách)
• kádinka nebo zavařovací sklenice
• kancelářská sponka
• odměrný válec
• rychlovarná konvice
• špejle
• lžička
• navažovací lodička
• váhy

Nejprve si z dýmkového drátu vytvarujeme stromeček. Na stromeček připevníme kancelářskou sponku, pokud máme k dispozici, použijeme barevnou (je odolnější proti korozi). Podle velikosti vyrobeného stromečku vybereme kádinku nebo zavařovací sklenici vhodné velikosti. Stromeček se do ní musí vejít celý. Do sklenice připravíme nasycený roztok boraxu ve vroucí vodě. Rozpustnost dekahydrátu tetraboritanu sodného při 100 °C je 39 gramů na 100 gramů vody. Stromeček z dýmkového drátku zavěsíme pomocí špejle a kancelářské sponky do nasyceného roztoku a necháme krystalizovat. První krystalky se na drátku objeví už zanedlouho, ale nejlepšího efektu docílíme, pokud drátek necháme v roztoku přes noc. Po vyjmutí z roztoku necháme stromeček vysušit a máme hotovo.

• Roztok nevyléváme, uschováme ho v uzavřené popsané sklenici pro další krystalizaci. Pro další použití roztok přivedeme k varu v kádince a přidáme potřebné množství boraxu. 
• Z dýmkového drátu můžeme vytvořit libovolné tvary a použít jako ozdoby na stromek. 
• S pevným boraxem nemohou žáci ZŠ ani gymnázií pracovat ani pod dohledem učitele. Pro práci ve třídě doporučujeme následující rozdělení rolí: žáci vytvoří ozdoby z drátků a vyučující připraví nasycený roztok, do kterého připravené drátky ponoří. 
• Jako žákovskou variantu lze využít například chlorid draselný. Jeho rozpustnost při 100 °C je 57 gramů na 100 gramů vody. 

-pM-