Рассказать друзьям
Химия 1 июля 2010

Изучаем процесс горения

В сегодняшнем эксперименте мы будем изучать химические основы горения на примере парафиновых свечей. Для проведения опыта нам понадобятся: одна 2-хлитровая банка, две пол-литровых, две свечи подходящей высоты, а также секундомер или часы с секундной стрелкой. Две свечи можно получить из одной большой, аккуратно разрезав ее ножом. Высота свечей должна быть немного меньше высоты пол-литровой банки.

Перед проведением эксперимента убедитесь, что вы соблюдаете все правила пожарной безопасности.

Для начала закрепим наши свечи в стеклянных банках: для этого достаточно поджечь одну из них, накапать расплавленного парафина на дно каждой банки и быстро поставить на него свечку. После затвердевания парафина свечи будут твердо стоять в банках.

На следующем шаге зажигаем правую свечу. Она горит стабильно, так как ее пламя действует в роли своеобразной “вытяжной трубы”: нагретый углекислый газ уходит вверх, а снизу подсасывается свежий воздух, содержащий кислород. В общем виде химическая реакция горения парафина описывается следующим образом:

CnH2n+2 + (1.5n+0.5)O2 = nCO2 + (n+1)H2O

(сам парафин представляет собой смесь углеводородов C18H38...C35H72)

Однако как только мы закроем горящую свечу сверху большой банкой, приток кислорода к пламени прекратится: доступным останется только тот, который был в банках. Следует ожидать, что, погорев немного, свеча погаснет сама собой (весь кислород “преобразуется” в углекислый газ, который заполнит всю банку). Так оно и происходит. Зафиксируем время, сколько смогло “продержаться” пламя: в нашем эксперименте оно составляет около 40 секунд.

В принципе, на этом можно было бы остановиться. Мы уже убедились, что образуется углекислый газ, который не поддерживает дальнейшее горение. Кроме того, при охлаждении на стенках банки можно наблюдать сконденсировавшиеся капли воды – это второй продукт реакции.

Однако можно и продолжить эксперимент. Убедимся, что в большой банке остался углекислый газ от горения правой свечи. Для этого закроем ее, пока разгорается левая свеча (в качестве крышки можно использовать любую тонкую пластину (я использовал обычный компакт-диск, заклеенный скотчем)). Потом быстро перенесем большую банку на левую свечу и уберем крышку. Так как в ней остался углекислый газ, то кислорода в новом объеме будет совсем немного, и левая свеча погаснет быстрее.

Итак, в ходе эксперимента мы выяснили следующее:
- при горении парафина выделяется углекислый газ и пары воды
- углекислый газ блокирует процесс горения (кстати, на таком же принципе основаны углекислотные огнетушители)
- можно собирать и переносить газ в емкости (углекислый газ в банке)

Домашнее задание:

- Можно ли сделать так, чтобы при горении свеча коптила? (Копчение указывает на неполное сгорание парафина, образующийся при этом свободный углерод и является копотью)

- Почему левая свеча горит так долго? Сделаем простую оценку: в момент закрытия правой свечи ей был доступен объем воздуха с кислородом 0.5 + 2 = 2.5 литра. Для левой – всего 0.5 литра (в 2-хлитровой банке остался только углекислый газ). Следовательно, она должна была погаснуть в 5 раз быстрее. В реальности же – всего раза в два. С чем это может быть связано?

За каждый из развернутых ответов на эти два вопроса – бонус 20 рублей на ваш номер сотового телефона.

Видео

Комментарии ( 17 )
  • Михаил Матвеев 1 июля 2010, 07:59
    1. Копчение будет наблюдаться при недостаточном содержании кислорода в атмосфере горения. Как сделать, не знаю, м. б. добавить водяных паров.
    2. В большой банке кислород выгорел не полностью, а остался какой–то процент его, поэтому левая свеча горела дольше, чем в идеале.
  • Administrator 1 июля 2010, 08:17
    Михаил,
    1. По первому вопросу нужно точное решение. Общее направление мысли правильное – горение при недостатке кислорода, но у меня так не получилось. Пробовал просто прикрывать банку крышкой, пламя просто постепенно гаснет, и все. Никакого копчения нет sad .
    2. Не думаю, что в большой банке останется кислород. Пламя вызывает сильное перемешивание во всем объеме. Горячий углекислый газ поднимается вверх – остывает от банки – опускается вниз. Плюс у него плотность в 1.5 раза больше, чем у воздуха, поэтому тоже будет опускаться вниз.
  • Павел К 1 июля 2010, 11:03
    По видемому часть углекислого газа ушла вниз из 3 литровки. Скорее всего опыт удастся, если банку гермитизировать отрезком пластиковой крышки и перевернуть перед тем, как закрыть картонкой.
    P. S.
    CO2 = 46
    Воздух = 29
    Итого разница в 1,5 раза
    Зажечь свечу можно например химической реакцией марганцовки с серной кислотой
    KMnO4 + H2SO4 (конц.)
    получившийся оксид при взаймодействии с парафином воспламенит его
  • Михаил Матвеев 1 июля 2010, 11:14
    По процедуре: думаю, ответы надо было скрывать, чтобы "вторые" не видели ответы "первых", чтобы не было споров – соревнование ведь wink

    По существу: в башке больше ничо нет, шерстить инет щас нет возможности...
  • Administrator 1 июля 2010, 13:43
    Михаил, открытость комментариев – это нормально. Все равно засчитывается первый верный ответ.
    Инет щерстить не надо, тут больше логики и базовых знаний физики и химии. Ну и, естественно, представлять в голове все нюансы эксперимента.
  • Сергей 9 июля 2010, 19:40
    По второму вопросу: – "Почему левая свеча горит так долго? " почему то до сих пор нет комментария про интенсивность горения, если посмотреть по видео заметно, что при горении с большим количеством углекислого
    газа пламя меньше.
    По первому вопросу, есть предположение, возможно свеча будет коптить, когда фитиль длинный, т. е. фитиль горит и сжигает вокруг кислород.
  • Administrator 10 июля 2010, 08:42
    Сергей, согласен. Количественную оценку тут очень трудно сделать. Кто сказал, что пламя у обеих свеч горит одинаково интенсивно? На глазок, вроде бы одинаково, но, может быть, одна потребляет больше кислорода, чем вторая. И второе – сами процессы затухания пламени. В итоге, получается, что мы можем дать только качественную ("да, левая свеча горит меньше"), но никак не количественную оценку.
  • Андрей 4 августа 2010, 06:01
    По поводу горения. Свеча "съедает" не весь кислород, а очень мало. У меня была необходимость организовать безкислородную атмосферу, и я как раз думал сделать её свечой, но на форумах "пещерников" прочитал, что если в закрытой пещере погасла свеча – значит, кислорода лишь на пару процентов меньше. Ну и углекислого газа там процента два–три, что ли? Не помню.
    Ну, а кроме того, есть ещё такая вещь, как конвекция. Углекислый газ тяжелее воздуха и собирается снизу, а воздух сверху, таким образом, получается несколько богаче кислородом. Вот это и позволило свече прогореть подольшеsmile
    А как сделать, чтобы она коптила – навскидку и не скажу, поиграться надо.
  • Anatoly 4 августа 2010, 14:30
    По первому вопросу – нужно понизить температуру пламени. Например, ввести холодный металлический предмет, пока не нагреется – будет копоть образовываться.
  • Administrator 4 августа 2010, 18:06
    Андрей, не понял как связана мысль про конвекцию и про то, что "Углекислый газ тяжелее воздуха и собирается снизу, а воздух сверху, таким образом, получается несколько богаче кислородом". Если идет сильная конвекция от пламени, как я писал выше – тогда все внутри банки быстро перемешивается, и нет роли, где что собирается.

    Anatoly, также можно внести любой предмет в среднюю зону пламени, где происходит неполное сгорание. Тогда копоть осаждается на предмете. Именно так коптят стекла. А еще это можно пронаблюдать вот здесь:

    http://livescience.ru/article_11/

    Тут отлично видно, как закоптился стержень и полиэтиленовый пакет.

    До сих пор жду последний правильный ответ, откуда в закрывающей банке мог взяться лишний кислород wink . Подсказка: думать в сторону теплового расширения газов.
  • Anatoly 4 августа 2010, 19:49
    А... подсказка делает всё просто. За время пока шаманили со второй свечкой, воздух в банке остыл, пары осели и через щели попал свежий воздух, с кислородом.
    Интересно опыт повторить переставив банку быстро. Время горения второй свечи должно уменшиться.
  • Anatoly 4 августа 2010, 19:50
    (попал т. к. в банке стало понижаться давление)
  • Administrator 5 августа 2010, 06:36
    "Интересно опыт повторить переставив банку быстро"

    Т. е. зажечь обе свечи, потом закрыть первую, дождаться, пока погаснет, и потом быстро переставить банку на вторую? Думаю, можно, т. к. долгое ожидание было сделано лишь для красоты эксперимента.
  • Алексей 20 октября 2011, 21:17
    По поводу первого вопроса–ответ думаю уже есть. Нужно сделать какие–нить манипуляции, чтобы происходило неполное окисление: это может быть к примеру поднесенный какой–нить предмет–пары горящего парафина будут резко охлаждаться, не успевая полностью сгореть(это пока предмет холодный). Если не ошибаюсь, то вроде может получиться с добавлением некоторых химических веществ на фитиль свечи.
    По поводу второго пункта:
    Вообще, горение свечи в таком случае можно рассматривать как инерционное звено n–го порядка. В самом простом случае, если скорость сгорания кислорода прямопропорциональна(хотя она может быть пропорциональна квадрату, кубу... концетрации). В таком случае, чем меньше кислорода в банке, тем медленнее он и сгорает. В общем случае VCO2(t)=K1*e^(–k2/t). Это нелинейное уравнение содержания углекислого газа объясняет, почему при "чистом" воздухе в 0,5 литра свеча будет гореть в два раза дольше, чем при 2,5 литрах–просто сначала горение будет очень интесивное и за первые 10 секунд используется почти 2 литра воздуха и останется как во втором случае только 0,5 литра, которые и будут догорать еще 30 секунд.
  • esfir 2 января 2014, 06:37
    Цитата:"Восковые свечи должны иметь рыхло сплетенный фитиль из толстых волокон, для всех остальных свечей фитили делают из туго сплетенных нитей. Это связано с вязкостью свечной массы в расплавленном состоянии: для вязкого воска нужны широкие капилляры, а легкоподвижные парафин, стеарин и жиры требуют более тонких капилляров, иначе из-за избытка горючего материала свеча станет сильно коптить."
    Вариант: подложить в расплавленный около фитиля парафин кусок рыхлой веревки.
  • арт 22 декабря 2015, 22:17
    1. Для того, чтобы свеча коптила, надо сделать в днище банки отверстие0,5см для притока кислорода и играть крышкой. 2. В результате горения получается не только углекислый газ, но и метан, и чем меньше банка, тем меньше его объем и тем меньше времени горит фитиль
  • Павел 22 февраля 2016, 02:03
    Я замечал, что коптить начинает тогда, когда фитиль смочен немного, т.е. температура нагрева самого фитиля ниже средней при горении сухих фителей. Само же пламя, естественно, при этом имеет нормальную температуру, т.к. горит кислород, а фитиль только лишь поддерживает горение. Надо плюнуть на палец, провести по фитилю и поджечь -- будет коптить
Ваш комментарий
 
Кому:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Комментарий:
 
  гостевые комментарии проверяются модератором