Ognista fala
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (2/2024):
Według możliwej do sformułowania w miarę nieskomplikowanej definicji, płomień jest złożonym układem fizyko-chemicznym, który stanowi wynik reakcji pirolizy i utleniania, emitując przy tym światło. Jest to proces, który zachodzi w warunkach odpowiedniej temperatury oraz obecności tlenu lub innego utleniacza. Warto zaznaczyć, że płomień jest obszarem, gdzie spalanie odbywa się w fazie lotnej, co oznacza, że zarówno paliwo, jak i utleniacz znajdują się w stanie gazowym.
Wewnątrz płomienia można wyróżnić różnorodne strefy, z których każda charakteryzuje się innymi właściwościami fizykochemicznymi oraz procesami zachodzącymi w jej obrębie. Istnieje wiele czynników wpływających na wygląd płomienia, między innymi rodzaj spalanej substancji oraz ilość i dostępność utleniacza. Warto podkreślić, że to właśnie te czynniki determinują intensywność emitowanego ciepła oraz rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, głównie w postaci podczerwieni i światła widzialnego.
Chemicy i fizycy od wieków badają strukturę i właściwości płomienia, co pozwoliło na zgłębienie jego złożonej natury. Dzięki temu zdobyliśmy głębsze zrozumienie procesów zachodzących w płomieniu oraz możliwość wykorzystania go w różnych dziedzinach nauki i technologii, np. w przemyśle, w badaniach laboratoryjnych czy też w energetyce. Nie możemy jednak stwierdzić, że wiemy już w tym temacie wszystko, a badania wciąż trwają, więc w miarę rozwoju naukowych metod badawczych odkrywamy coraz to nowe aspekty płomienia, co prowadzi do stałego poszerzania naszej wiedzy na jego temat. Zrozumienie mechanizmów spalania i procesów zachodzących w płomieniu ma kluczowe znaczenie nie tylko dla chemii i fizyki, ale także dla inżynierii, ekologii oraz bezpieczeństwa przemysłowego i cywilnego.
Warto również wspomnieć, że płomień nie tylko stanowi obiekt badań naukowych, ale często jest też źródłem inspiracji dla artystów i twórców, którzy próbują uchwycić jego dynamiczne i fascynujące formy w swoich dziełach. Dzięki temu płomień staje się nie tylko przedmiotem naukowych dociekań, lecz także inspiracją dla kreatywności ludzkiej [1].
Dobierając odpowiednie warunki można uzyskać zaskakujący wygląd i zachowanie się płomienia. Pewnym urozmaiceniem opisywanego doświadczenia jest fakt towarzyszącego mu - zaskakującego w tych okolicznościach - efektu akustycznego.
Wykonanie
By przeprowadzić doświadczenie potrzebujemy dużego naczynia szklanego o wąskiej szyjce. Po eksperymentach jakie przeprowadziłem okazało się, że najodpowiedniejsze do tego celu jest widoczna duża szklana butla (Fot.1). Jej pojemność wynosi 10dm3. Można też zastosować duże butle na wodę mineralną wykonane z tworzywa sztucznego, trzeba jednak zachować dużą ostrożność, ze względu na możliwą palność tego typu materiałów.
Jako paliwo wykorzystamy 99% alkohol izopropylowy C3H7OH. Używa się go np. do czyszczenia elementów optycznych i jego zdobycie nie stanowi problemu.
Trzeba pamiętać, że izopropanol może być szkodliwy. Należy unikać wdychania par tej lotnej cieczy. Przy zanieczyszczeniu innymi substancjami, albo w razie nieprawidłowego prowadzenia doświadczenia może dojść do eksplozji i rozerwania szklanego naczynia. Należy stosować odpowiednie środki ochrony osobistej!
Przygotowanie doświadczenia jest proste: do naczynia trzeba wprowadzić kilka mililitrów izopropanolu, nakryć i pozostawić do odparowania. Ciecz jest stosunkowo lotna, więc powinno to zająć kilka, najwyżej kilkanaście minut. Doświadczenie warto jest prowadzić w stosunkowo niskiej temperaturze, około 15°C. Wtedy utlenianie alkoholu zachodzi spokojniej i łatwiej zaobserwować opisywany efekt.
Po odparowaniu alkoholu wystarczy przyłożyć płomień do otwartej szyjki naczynia. Po dokonaniu zapłonu (Fot.2A) możemy zaobserwować interesujące zjawisko: powstaje płaski, kolisty płomień podążający stosunkowo powoli w dół (Fot.2B-C). Jednocześnie można usłyszeć dźwięk o dosyć niskiej częstotliwości. Płomień gaśnie dopiero po dotarciu do dna naczynia (Fot.2D).
Front płomienia wygląda też pięknie w widoku od dołu (Fot.3).
Wyjaśnienie
Wyjaśnienie obserwowanego zjawiska jest stosunkowo nieskomplikowane. Izopropanol jest lotnym, łatwopalnym alkoholem. Jego pary są cięższe od powietrza, zbierają się więc przy dnie wypierając powietrze wraz z zawartym w nim tlenem.
Do utleniania potrzebne są oba składniki: paliwo i tlen. Razem występują jedynie na styku warstwy par alkoholu i powietrza. Jest to powodem płaskiej formy płomienia. W czasie spalania paliwo jest zużywane, co objawia się zmniejszeniem objętości alkoholu w fazie gazowej. Dlatego obserwujemy wędrówkę kolistego płomienia w dół.
Co szczególnie interesujące, w obrębie płomienia można zauważyć powstanie dosyć regularnego układu komórek konwekcyjnych, co jest szczególnie dobrze widoczne w niektórych fazach doświadczenia w widoku od dołu (Fot.4). Jest to swoisty przykład samoorganizacji, którego efekt przypomina zjawiska opisane po raz pierwszy przez Bénarda [2] [3]. Wspomniany uczony badał procesy konwekcyjne w cieczach.
W czasie spalania dochodzi do uwolnienia pewnych ilości gazów: dwutlenku węgla CO2 i pary wodnej H2O. Uchodzą one z dużą prędkością przez wąską szyjkę butelki, co powoduje powstanie drgań będących źródłem dźwięku. Po ustaniu spalania powstaje drugi dźwięk - jest on jednak dużo krótszy i cichszy. Powodem tego jest zmniejszanie się objętości ochładzających się gazów pozostałych w naczyniu, a dźwięk jest wtedy spowodowany powietrzem zasysanym do wnętrza naczynia. W każdym razie opisany układ możemy potraktować jako swoisty przykład rezonatora Helmholtza [4].
Literatura:
- [1] Ples M., Niepalne fajerwerki z Kraju Kwitnącej Wiśni, Chemia w Szkole, 1 (2022), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 46-50 powrót
- [2] Bénard H., Les tourbillons cellulaires dans une nappe liquide, Revue Générale des Sciences, 1900, 11, str. 1261-1271, 1309-1328 powrót
- [3] Getling A. V., Rayleigh–Bénard Convection: Structures and Dynamics, World Scientific, 1998 powrót
- [4] Patton L., Hermann von Helmholtz, w: Stanford Encyclopedia of Philosophy, CSLI, Uniwesytet Stanforda, 2014 powrót
Wszystkie fotografie zostały wykonane przez autora
Marek Ples