Płonąca świeca wydaje się być bardzo odległa od trzymającego w napięciu świata chemii, ponieważ wydaje się, że jest to nic innego jak spalanie związku organicznego:
Równanie takie jak to powyżej rzeczywiście zapewnia prosty opis początku i końca tego spalania, ale tutaj bardziej interesują nas kroki pośrednie!
“Nie ma prawa rządzącego jakąkolwiek częścią tego wszechświata, które nie wchodzi w grę i nie jest poruszane w tych zjawiskach. Nie ma lepszych, nie ma bardziej otwartych drzwi, przez które można wejść do studiowania filozofii przyrody, niż rozważenie fizycznych zjawisk świecy.Tak oświadczył wybitny angielski chemik i fizyk Michael Faraday w pierwszym ze swoich słynnych sześciu „wykładów bożonarodzeniowych” na temat „Chemicznej historii świecy” [1, 2], wygłoszonym w Royal Institution w Londynie, w Wielkiej Brytanii, przed młodzieńczej publiczności w 1860 i 1861 roku.
Próbujemy tutaj podążać śladami Faradaya i śledzić chemiczny los świecy od surowców do świątecznego spalania [3].
1. Stały blok paliwa
Wosk
Do połowy XVIII wieku wysokiej jakości świece wytwarzano prawie wyłącznie z wosku pszczelego. Takie świece wytwarzały wspaniały płomień, były atrakcyjne i wydzielały przyjemny zapach, ale uważano je za przedmiot luksusowy zarezerwowany głównie dla kościołów, klasztorów i domów szlacheckich. Zwykli ludzie musieli polegać na podrzędnych, tłustych świecach na bazie tłuszczu z wołowych nerek i łoju baraniego, które podczas spalania wydzielały duże ilości sadzy i musiały śmierdzieć okropnie.
Justus Liebig jako pierwszy zbadał chemiczną naturę wosku pszczelego, a woski w ogóle zostały następnie opisane jako mieszaniny estrów pochodzących z długołańcuchowych kwasów karboksylowych i długołańcuchowych alkoholi. Prawdziwy skład chemiczny wosku pszczelego pokazuje, że ta definicja była w rzeczywistości błędna, ponieważ normalnie występują również wolne długołańcuchowe kwasy karboksylowe, jak również długołańcuchowe węglowodory (Tabela 1).
Tabela. 1Skład Chemiczny Wosku Pszczelego.
Banalne nazwy stosowane do długołańcuchowych kwasów i alkoholi przyprawiają o zawrót głowy. Na przykład kwas triakontanowy (C29H59COOH) jest również określany jako „kwas melisowy”, a odpowiadający mu alkohol (C30H61OH) zarówno jako „alkohol melisylowy”, jak i „alkohol mirycylowy”. Do stosunkowo niedawna ta ostatnia trywialna nazwa była stosowana również do odpowiadającego jej C31związki. Ostateczne źródło odniesienia,Podręcznik chemii organicznej Beilsteina, pierwotnie zastosował niemiecki odpowiednik nazwy „kwas hipogaeinowy” do kwasu heksadecenowego C15H29COOH (wyizolowany z oleju arachidowego), ale po stwierdzeniu, że zaangażowane są tu różne izomery podwójnego wiązania, w nowszychBeilsteinaseria uzupełniająca ta nazwa już się nie pojawia.Beilsteinaodnosi się zarówno do C30H60i C30H62jako niemiecki odpowiednik „melenu”, ale w międzyczasie jedynymi trywialnymi nazwami, na które IUPAC zezwala dla takich substancji, są „kwas palmitynowy” i „kwas stearynowy”; wszystkie inne długołańcuchowe kwasy, alkohole i węglowodory należy zawsze nazywać systematycznie.
.gif "Chemia świątecznej świecy — część 1 — ChemistryViews (2)")
W kontekście przemysłowym woski byłyby dziś definiowane nie pod względem ich właściwości chemicznych, ale raczej właściwości fizycznych: od przezroczystych do nieprzezroczystych, topniejących w temperaturze powyżej 40 ° C, dające ciecze o niskiej lepkości, oraz dające się polerować przy niewielkim nacisku . Wiele naturalnych i syntetycznych materiałów wykazuje właściwości wosku i nadaje się do produkcji świec.
Pierwszy wosk półsyntetyczny
Pierwszy półsyntetyczny wosk został przygotowany przez M. E. Chevreula na początku XIX wieku [4, 5]. Otrzymał ją w postaci ciała stałego po alkalicznym zmydleniu smalcu, a następnie zakwaszeniu, dając coś, co nazwał „stearyną”. Jego stearyna była twarda w temperaturze pokojowej i wykazywała białą nieprzezroczystość, tak cenioną przez chandlerów (wytwórców świec). Jego zakres topnienia 52–60 ° C był zbliżony do temperatury mięknienia, dzięki czemu świeca stearynowa zachowywała swój kształt nawet w ciepłym pomieszczeniu.
Stearyna jest obecnie rozumiana jako mieszanina kwasów palmitynowego i stearynowego.
Chevreul początkowo nazwał kwas tłuszczowy, który wyizolował ze smalcu, „acide margarique”, później przemianował go na „acide stearique”. Ten kwas tłuszczowy okazał się później ponownie mieszaniną: kwasu heksa- i oktadekanowego.
Dzisiaj kwas oktadekanowy, CH3[CH2]16COOH sam w sobie jest obecnie znany jako kwas stearynowy i kwas heksadekanowy, CH3[CH2]14COOH, jako kwas palmitynowy, natomiast rzadko spotykany kwas heptadekanowy, CH3[CH2]15COOH, jest czasami określany jako kwas margarynowy.
Parafina
Parafina jest wykorzystywana do produkcji świec od połowy XIX wieku. Mieszanina węglowodorów nasyconych, obecnie otrzymywana prawie wyłącznie z ropy naftowej. Temperatura topnienia parafiny zależy od długości łańcucha jej składników. Czyste parafiny są bezbarwne i przezroczyste oraz wykazują szeroki zakres temperatur mięknienia. Świece wykonane z parafiny stanowią obecnie ponad 95% udziału w rynku, a pozostała część jest oparta głównie na stearynie (ok. 3%) lub wosku pszczelim (ok. 2%).
2. Knot
Knot jest duszą świecy. Jego zadaniem jest pociągnięcie w kierunku płomienia wystarczającej ilości stopionego wosku, tak aby można było ustalić równowagę między ilościami stopionego i spalonego wosku. Jeśli pobiera zbyt mało, nadmiar ciekłego wosku zbiera się u podstawy knota i płomień gaśnie; jeśli ciągnie za dużo, wosk nie jest już w stanie spalić się całkowicie, więc świeca zaczyna dymić.
Nasi przodkowie mieli pełne ręce roboty z gorszymi knotami. W rezydencjach szlacheckich wynajmowano czasem „gasiących świece” tylko po to, aby przyciąć wszystkie knoty, zanim świece zaczną dymić. W zwykłym gospodarstwie domowym konieczne było oczywiście samodzielne uporanie się z tym problemem. Słynny niemiecki pisarz Wolfgang von Goethe jęknął kiedyś: „Nie wyobrażam sobie lepszego wynalazku niż świece, które paliłyby się bez potrzeby przycinania”.
Wynalezienie przez Julesa de Cambacérèsa w 1828 r. plecionego bawełnianego knota, nadal powszechnego dzisiaj, stanowiło ważny postęp w historii świecy. Siła ciągnienia takiego knota może być dostosowana do średnicy i rodzaju wosku świecy poprzez zmianę liczby włókien. Tak więc do świecy o średnicy 10 mm (90% parafiny, 10% stearyny) potrzebny jest knot z 24 włóknami bawełny, ale do świecy o średnicy 15 mm potrzebne są 33 włókna.
Właściwości palne świecy można poprawić, jeśli ułożymy ją w taki sposób, że spiralnie spleciony knot po osiągnięciu określonej długości wygina się na bok w płomieniu, powodując, że czubek knota wystaje w najgorętszą część płomienia . Następnie, podczas spalania, nastąpi coś w rodzaju „automatycznego przycinania knota”. Dalszą poprawę uzyskuje się poprzez impregnację knota wodnym roztworem soli amonowych, kwasu borowego i fosforanów. Sole amonowe zapobiegają zbyt szybkiemu spalaniu się knota, podczas gdy kwas borowy i fosforany wytwarzają stopioną kulkę na końcu knota, która z kolei zapobiega wpadaniu kawałków popiołu do kałuży wosku, jednocześnie unikając poświaty na koniec knota, gdy płomień zgaśnie.
3. Produkcja świec
Świece wykonuje się na różne sposoby, począwszy od indywidualnego nalewania zgodnie z tradycją, po sterowaną komputerowo produkcję high-tech. Podstawowa zasada jest prosta: wyśrodkowany knot musi być pokryty stałym paliwem (woskiem), albo za pomocą formy, do której wlewa się wosk, albo przez wielokrotne zanurzanie knota w płynnym wosku, albo może jakoś przez wyciskanie wosku mieszanka wokół knota.
Sam wosk może zawierać jeden lub więcej środków zwiększających zmętnienie i/lub rozpuszczalny lub drobno rozdrobniony barwnik. Zmętnienie można również wywołać celowym wprowadzeniem powietrza, procesu, który można również wykorzystać do przygotowania szczególnie lekkich świec („pływających świec”).
Gotowe świece mogą być pokryte kolorowym woskiem, a przygotowanie może być jeszcze bardziej ulepszone o końcową obróbkę artystyczną (na zdjęciu po prawej).
4. Płonąca świeca
Rozważmy teraz przepływ ciepła związany ze spokojnie palącą się świecą (patrz rys. 1). Część ciepła spalania jest wykorzystywana do topienia wosku, który jest następnie wciągany przez siły kapilarne do knota i odparowywany z powierzchni knota. W trakcie dalszej podróży gazowy wosk spala się, dając wodę i dwutlenek węgla. Podobnie jak w przypadku komina, unoszące się z płomienia gorące, lekkie gazy zasysają świeże powietrze z otoczenia w kierunku podstawy i boków płomienia.
Rysunek 1.Płomień świecy.
To zimne powietrze ochładza również powierzchnię stałej świecy, dzięki czemu górna krawędź nie topnieje. To z kolei prowadzi do powstania solidnego obrzeża otaczającego wgłębienie w kształcie spodka wypełnione roztopionym woskiem.
Ogólnie rzecz biorąc, pomiędzy topniejącym a palącym się woskiem ustala się stan stacjonarny, a płomień przyjmuje wydłużony kształt, który wynika bezpośrednio z unoszenia się w górę, towarzyszącego prądom powietrza.
5. Świeca — trudny przedmiot do zbadania
Dokładne eksperymentalne badanie płomienia świecy nie jest w rzeczywistości możliwe. Przyczyny tego powinny być raczej oczywiste: po pierwsze, płomień nie byłby stabilny w zamkniętym urządzeniu; ponadto nic w samym procesie spalania tak naprawdę nie podlega zmianom.
Można oczywiście zmieniać takie rzeczy jak skład wosku, wymiary świecy czy materiał i geometria knota, ale oczywiście nie podczas spalania. Sondy, które mogłyby zostać wprowadzone do płomienia, zmieniłyby jego kształt i rozkład temperatury, zniekształcając w ten sposób wszelkie wyniki pomiarów.
Rzeczywiście możliwe jest zastosowanie nowoczesnych bezkontaktowych metod laserowych do ustalenia chwilowych temperatur, a także stężeń niektórych składników (np. N2, o2, CO, DOM2O), nawet przy niestabilnych płomieniach, ale wiąże się to z dużym wysiłkiem i wydatkami z punktu widzenia aparatury. W wyniku takich eksperymentalnych przeszkód w rzeczywistości wiemy bardzo niewiele o szczegółach rzeczywistych procesów zachodzących w płomieniu świecy. Niemniej jednak przeprowadzono wiele dokładnych badań nad innymi, technicznie ważniejszymi rodzajami płomieni, np. związanymi z wytwarzaniem ciepła lub dymu lub powstającymi podczas spalania w różnych typach silników, silników odrzutowych i rakiet. Odpowiednie wyniki umożliwiają z pewną dozą pewności ekstrapolację na przypadek świecy, dostarczając nam przynajmniej pośredniego obrazu chemii wewnątrz tego rodzaju płomienia.
Strefy płomienia
W fazie gazowej, przy temperaturach we wnętrzu płomienia świecy dochodzących do 1400°C, istnieją wysokoenergetyczne półprodukty, które dla większości z nas wyglądają dość egzotycznie, bo nie znajdziemy ich w podręcznikach.
Wizualnie można wyróżnić cztery odrębne strefy (patrz ryc. 1):
- ciemna strefa I we wnętrzu płomienia, gdzie cząsteczki parafiny ulegają głównie rozkładowi termicznemu
- niebiesko-zielony świecący obszar (Strefa II) głównej strefy reakcji wzdłuż bocznych i dolnych krawędzi płomienia
- jedyna lekko świecąca część strefy reakcji (Strefa III), znajdująca się na górnej i zewnętrznej krawędzi, oraz
- bladożółta i świetlista Strefa IV, rozciągająca się od środka do widocznego wierzchołka płomienia.
Bibliografia
[1] M. Faraday,Chemiczna historia świecy, Dover, Mineola, USA2002.
[2] M. Faraday,Historia naturalna świecy, Verlag Franzbecker, Hildesheim, Niemcy1980.
[3] M. Matthai, N. Petereit,Mydła, oleje, tłuszcze, woski 2001,3(3).
[4] C. Gottmann,Chemia naszych czasów 1979,13, 176–183.https://doi.org/10.1002/ciuz.19790130603
[5] J.Walker,nauka Amer. 1978,238, 154.
prof. Klausa Rotha
Wolny Uniwersytet w Berlinie, Niemcy.
Artykuł został opublikowany w języku niemieckim w:
i został przetłumaczony przez WE Russey.
Chemia świątecznej świecy — część 2
W części drugiej prześledzimy losy pojedynczej cząsteczki wosku w płonącej świecy, a także rozważymy świecę płonącą przy braku grawitacji.
Innyartykuły Klausa Rotha opublikowane przez magazyn ChemistryViews:
- WEspresso — przygotowanie w trzech krokach
Klaus Roth udowadnia, że bez podstawowej znajomości chemii nie da się stworzyć kulinarnego arcydzieła
DOI: 10.1002/chemv.201000003 - WCzekolada — najszlachetniejszy polimorfizm
Klaus Roth udowadnia, że tylko chemia jest w stanie wytworzyć tak niebiańską przyjemność
DOI: 10.1002/chemv.201000021 - Wwino musujące, szampan i spółka
Klaus Roth pokazuje, że tylko chemia może wywołać takie mrowienie
DOI: 10.1002/chemv.201000047 - WChemia kaca — alkohol i jego konsekwencje
Klaus Roth pyta, w jaki sposób maleńka cząsteczka, taka jak etanol, może leżeć u podstaw tak wielu ludzkich nieszczęść?
DOI: 10.1002/chemv.201000074 - WStrach chemika przed fugu
Klaus Roth pokazuje, że strach chemika przed fugu lub rozdymką rozciąga się tak daleko, jak charakterystyczna i intrygująca trucizna, którą niesie
DOI: 10.1002/chemv.201000104
