Какие процессы происходят при горении свечи. Горение свечи по научному.Выводы специалистов

В настоящих чтениях я предполагаю изложить вам историю свечи с химической точки зрения.
Я очень охотно берусь за этот вопрос, так как он очень интересен и чрезвычайно разнообразны пути, открываемые им для изучения природы. Нет ни одного закона, управляющего мировыми явлениями, который не проявился бы в истории свечи и которого не пришлось бы коснуться. Нет лучших дверей, более широко открытых для изучения природы, чем рассмотрение физических явлений, разыгрывающихся при горении свечи.
Начну с пламени свечи. Зажжем одну или две свечи; вы замечаете, как велика разница между лампой и свечой. В лампе имеется резервуар с маслом, в которое погружен фитиль, сделанный из хлопчатой бумаги. Конец фитиля зажигают; когда пламя доходит до масла, оно там гаснет, продолжая гореть в верхней части фитиля. Вы, без сомнения, спросите: как это может быть, чтобы масло, не горящее само по себе, поднималось по фитилю и стало бы гореть на конце его? Мы это исследуем!
При горении свечи происходят еще более диковинные вещи. Ведь мы имеем твердое вещество, не нуждающееся в резервуаре, – как может это вещество пробраться туда, где мы видим пламя, не будучи жидким? Или же, если оно превращается в жидкость, как может оно сохраняться, не разливаясь? Преудивительная вещь эта свеча!
В нашей комнате чувствуется сильное течение воздуха; для некоторых наших опытов это может оказаться вредным. Чтобы внести правильность в наше исследование и упростить его, я получу совершенно спокойное пламя; ибо, как можно исследовать какое-нибудь явление, если оно сопровождается всякими посторонними обстоятельствами?
Для нашей цели мы можем кой-чему поучиться у торговок, продающих свой товар вечером на улицах. Я часто наблюдал их приспособление. Они окружают свечу цилиндрическим стеклом, укрепленным на своего рода галерее, охватывающей свечу: по желанию стекло с оправой можно подымать и опускать. При помощи такого стекла можно получить совершенно спокойное пламя, которое легко исследовать во всех подробностях.
Прежде всего обратим внимание на то, как верхний слой свечи непосредственно под пламенем образует углубление вроде красивой чашечки. Воздух, притекающий к свече, поднимается кверху благодаря току, вызванному теплотой пламени; вследствие движения воздуха внешние слои свечи охлаждаются. Середина тает сильнее, чем края чашечки, так как посредине сильнее всего действие пламени, стремящегося опуститься вниз по фитилю.
Пока воздух равномерно притекает со всех сторон, до тех пор края чашечки остаются совершенно ровными, и расплавленная масса свечи, плавающая по чашечке, имеет горизонтальную поверхность. Стоит мне лишь подуть сбоку на свечу, как края чашечки сейчас же скашиваются, и расплавленная масса свечи вытекает, повинуясь тем же законам, которые управляют движением миров. Вы видите, таким образом, что чашечка в верхней части свечи образуется благодаря равномерно восходящему току воздуха, охлаждающего со всех сторон наружный слой свечи. Только те вещества пригодны для изготовления свечей, которые при горении способны образовать такую чашечку.
Мы можем сделать несколько наблюдений над влиянием восходящего тока воздуха, которые не мешает запомнить. Здесь с одной стороны свечи образовался натек, так что свеча в этом месте стала толще. В то время как свеча продолжает спокойно сгорать, утолщение остается на своем месте и образует на краю свечи выдающийся столбик; так как он возвышается над остальной массой воска и удален от середины свечи, то воздух легче охлаждает его и дает ему возможность противостоять действию тепла, несмотря на близость пламени.
Таким образом, как и во многих других случаях, ошибка или неправильный прием обогащают наше знание; не будь этих ошибок, мы, может быть, с трудом получили бы эти сведения. Невольно в этих случаях мы делаемся исследователями природы. Я надеюсь, что вы, встретив новое явление, не забудете спросить себя: «Где причина явления? Как все это происходит?» – и с течением времени непременно найдете ответ на ваши вопросы.
Другой вопрос, на который мы должны ответить, – это следующий: как поступает горючий материал из чашечки по светильне к тому месту, где происходит горение? Вы знаете, что у восковых, стеариновых свечей пламя не опускается по горящему фитилю к горючему материалу, расплавляя его целиком, но остается на своем месте, на некотором расстоянии от расплавленной массы и не нарушая целости краев чашечки. Я не могу себе представить лучшего приспособления: всякая часть свечи помогает остальным в достижении наилучшего действия. Разве не чудесно видеть, как постепенно сгорает это горючее вещество, как пламя трогает его, несмотря на то, что пламя это могло бы целиком разрушить воск, если бы дать ему слишком приблизиться к нему?
Каким образом пламя питается горючим материалом? При помощи капиллярного притяжения. «Капиллярное притяжение?» - спрашиваете вы. «Волосность»? Ну, название большого значения не имеет - его придумали, когда не было правильного представления о силе, которая обозначалась этим названием. Действие этого так называемого капиллярного притяжения оказывается в том, что горючий материал проводится к месту сгорания и там откладывается, и притом не как-нибудь, а как раз в середине очага, в котором происходит процесс горения.
Единственная причина того, что свеча не прогорает вдоль фитиля, состоит в том, что расплавленное сало тушит пламя. Вы знаете, что свеча сейчас же гаснет, если ее перевернуть так, чтобы расплавленная масса свечи стекала по фитилю до его конца. Это происходит оттого, что пламя не успевает нагреть достаточно сильно притекающий в большом количестве расплавленный горючий материал. Когда же пламя находится в обыкновенном своем положении, т.е. над расплавленной массой, то новые количества свежей массы расплавляются, постепенно поднимаются по светильне, и пламя может действовать со всей своей силой.
Теперь мы подходим к очень важному явлению, требующему подробного изучения; иначе вы не будете в состоянии вполне разобраться в том, что представляет собой пламя свечи. Я имею в виду газообразное состояние горючего материала. Чтобы вы хорошенько поняли меня, я покажу вам красивый, хотя и простой опыт. Когда вы тушите свечу, то вы замечаете, как подымается дымок от фитиля; вы, наверное, знакомы с неприятным запахом этих газов, испускаемых потушенной свечой. Если погасить свечу очень осторожно, то легко можно обнаружить газы, в которые превратилось твердое вещество свечи.
Я потушу теперь свечу так, чтобы не вызвать движения воздуха; для этого мне стоит лишь некоторое время подышать на свечу. Если я теперь поднесу горящую лучину на расстоянии 5–8 см от конца светильни, то вы увидите, как пламя по струе паров, идущих от свечи, перескакивает на фитиль. Все это надо производить достаточно быстро, в противном случае газы успевают остыть и сгуститься, или же струя горючих паров успеет рассеяться в воздухе.
Теперь мы рассмотрим очертание и строение пламени. Для нас важно ознакомиться с состоянием пламени, в котором оно находится на конце светильни, где пламя обладает таким блеском и красотой, каких мы нигде в других явлениях не можем наблюдать. Вы знакомы с прекрасным блеском золота и серебра, а еще более замечательным блеском и игрой драгоценных камней, вроде рубина и алмаза, но ничто не может сравниться с красотой пламени. Какой алмаз светит подобно пламени? В ночное время он черпает свой блеск именно от пламени, освещающего его. Пламя освещает мрак - свет алмаза ничто; он появляется лишь, когда луч света пламени падает на алмаз. Свеча светит сама.
Изучим подробнее строение пламени в том виде, в каком оно находится у нас внутри нашего стекла. Пламя это постоянно и однородно; оно имеет в общем ту форму, как изображено на нашем рисунке, но, смотря по состоянию воздуха и по величине свечи, форма эта может значительно видоизменяться. Оно образует конус, округленный в своей нижней части; верхняя часть конуса светлее нижней. Внизу, у светильни, легко обнаружить более темную часть, внутри которой сгорание не столь совершенно, как в верхних частях пламени.

Представьте себе рисунок пламени, сделанный много лет тому назад Гукером, когда он производил свои исследования. На рисунке изображено пламя лампы, но его можно применить и к пламени свечи; резервуар для масла соответствует чашечке свечи, масло отвечает расплавленной свечной массе, а фитиль имеется в обоих случаях. Вокруг фитиля Гукер изобразил пламя, а вокруг последнего он совершенно правильно изобразил еще один невидимый слой, о котором вы, вероятно, ничего не знаете, если вообще незнакомы каким-либо образом с этим явлением. Он изобразил окружающий воздух, имеющий существенное значение для пламени и всегда находящийся вблизи него. Далее, он изобразил ток воздуха, вытягивающий пламя вверху; пламя, которое вы здесь видите, действительно вытягивается током воздуха и притом на довольно значительную высоту совершенно так же, как это изобразил Гукер на своем рисунке.
Легче всего убедиться в этом, выставив горящую свечу на свет и рассматривая ее тень, полученную на белом экране. Не правда ли, удивительно: пламя, обладающее достаточным светом, чтобы образовать тень других предметов, само дает тень? При этом ясно видно, как что-то такое, не принадлежащее самому пламени, обтекает его, поднимается кверху и увлекает за собой пламя.

Теперь обращу ваше внимание на другие факты. Различные виды пламени, которые вы имеете здесь перед собой, значительно разнятся друг от друга по своей форме; это зависит от различного распределения воздушных токов, охватывающих их. Мы можем получить такое пламя, которое по своей неподвижности напоминает твердое тело, так что его легко сфотографировать; такие фотографии необходимы для более подробного изучения природы пламени. Но это еще не все, что я хочу сообщить вам.
Если я возьму достаточно длинное пламя, то оно не станет сохранять некоторую устойчивую равномерную форму, но с удивительной силой будет ветвиться. Чтобы показать это явление, я вместо воска или сала свечи возьму новый горючий материал. В качестве светильни я беру большой ком ваты. Я погрузил его в спирт и зажигаю – чем отличается он от обыкновенной свечи? Той силой, с которой происходит горение; никогда у свечи мы не замечаем такого сильного и подвижного пламени. Вы видите, как великолепные языки пламени непрерывно вздымаются кверху! Направление пламени осталось тем же: оно стремится снизу вверх; но совершенно ново, по сравнению со свечой, это удивительное разделение пламени на отдельные ветки и выступы, на эти лижущие языки.
Отчего это происходит? Я объясню это вам, и, когда вы хорошенько разберете это явление, вам будет легко следовать за моим дальнейшим изложением. Я уверен, что многие из вас уже сами проделывали опыт, который я вам сейчас покажу.

Ведь многим из вас известна детская игра, состоящая в том, что в темной комнате льют спирт в чашку с изюмом или сливами и затем зажигают его. Эта игра как нельзя лучше воспроизводит рассматриваемое нами явление. Вот у меня чашка; чтобы опыт хорошо удался, нужно предварительно нагреть чашку; недурно нагреть и изюм или сливы. В свече мы наблюдали образование чашечки с расплавленным горючим материалом; здесь мы взяли чашку со спиртом, а роль светильни свечи играет изюм. Я зажигаю спирт, и сразу вырываются чудесные огненные языки; воздух через края чашки переливается в нее и вытесняет эти языки. Как так? Да так, что при сильном притоке воздуха, благодаря неравномерному горению, пламя не может ровной струей подниматься кверху. Воздух так неравномерно притекает в чашку, что пламя, которое при иных условиях могло бы представлять нечто цельное, в данном случае разрывается на множество отдельных частей, существующих независимо друг от друга. Я почти хотел бы сказать, что мы видим здесь множество отдельных свечей. Но вы не должны думать, будто те отдельные языки, какие здесь одновременно видны, в совокупности своей дали бы изображение пламени. Никогда пламя, какое мы получили при горении нашей ваты, не имеет той формы, какую мы видели. Это был ряд очертаний, следовавших так быстро одно за другим, что глаз не мог их рассмотреть в отдельности, и потому получилось впечатление от всех одновременно.

В прибор, изображённый на рисунке, поместили небольшие кусочки кристаллического вещества Х белого цвета и налили жидкость Y . После того как открыли кран, жидкость Y опустилась из воронки в нижнюю часть прибора и пришла в соприкосновение с веществом X , началась реакция, сопровождающаяся выделением бесцветного газа Z . Газ Z по газоотводной трубке поступал в стакан, на дне которого были установлены зажжённые свечи различной высоты (см. рис. 1.1).

По мере заполнения стакана газом Z свечи гасли.

1. Какой газ получали в приборе, изображённом на рисунке? Как называется этот прибор?
2. Что могут представлять собой вещества X и Y ? Напишите уравнение возможной реакции между X и Y с образованием Z .
3. Почему свечи начали гаснуть? В каком порядке они гасли? Почему? Находит ли это свойство газа Z какое-либо применение?
4. Если газ Z пропускать в известковую воду, то сначала наблюдается помутнение, обусловленное выпадением осадка белого цвета. Однако дальнейшее пропускание Z приводит к полному растворению первоначально выпавшего осадка. Объясните данное явление, проиллюстрируйте свой ответ соответствующими уравнениями реакций.
5. Если в сосуд, заполненный газом Z , внести горящий магний, то металл будет продолжать гореть. Какие вещества образуются? Составьте уравнение данной реакции.
6. Известны вещества, которые реагируют с газом Z , при этом выделяется кислород. Приведите два примера таких веществ и соответствующие уравнения реакций.

Ответ:

1. Получали углекислый газ (газ Z ) в аппарате Киппа.

2 балла

1. Вещество X – нерастворимый карбонат, например карбонат кальция, в лабораторной практике часто используют кусочки мрамора. Y – кислота, образующая растворимые соли кальция, например соляная. Возможный вариант взаимодействия:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

1 балл

1. Свечи гаснут, т. к. углекислый газ не поддерживает горение (0,5 балла ). Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому первой погаснет самая маленькая свеча, а за ней постепенно более высокие свечи по мере заполнения стакана CO 2 . (1 балл ) Это свойство углекислого газа используется в работе углекислотных огнетушителей. (0,5 балла )

2 балла

1. При пропускании углекислого газа в известковую воду наблюдается образование осадка карбоната кальция:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O

При избытке CO 2 осадок растворяется, т.к. образуется растворимая кислая соль:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2

2 балла

1. При горении магния в углекислом газе образуются оксид магния и сажа:

2Mg + CO 2 = 2MgO + C

1 балл

1. Углекислый газ реагирует с пероксидами и надпероксидами:

• 2Na 2 O 2 + 2CO 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2
• 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2

2 балла

Всего 10 баллов .

Задача 2 «Состав глауберовой соли»

Навеску частично выветрившейся глауберовой соли (кристаллогидрата сульфата натрия) массой 28,6 г растворили в воде и прибавили избыток раствора хлорида бария. Образовалось 23,3 г осадка. Определите формулу исходной соли.

Ответ:

Задача 3 «Анализ наследства»

Юный химик Вася решил исследовать некий сплав, доставшийся ему в наследство от бабушки. Для начала Вася попытался растворить сплав в соляной кислоте, однако обнаружил, что при этом никакого растворения не происходит. Тогда он попробовал растворить его в горячей концентрированной азотной кислоте. При этом сплав разрушился, раствор окрасился в голубой цвет, однако на дне остался окрашенный осадок, который не растворялся даже при длительном нагревании в азотной кислоте. Вася отфильтровал осадок и высушил его. Поместив порошок в тигель и нагрев его до плавления, а потом охладив, Вася сразу понял, какое вещество было нерастворимым осадком.

1. Из каких двух металлов состоит сплав, который исследовал Вася?
2. Как растворить осадок, образующийся при нагревании сплава в азотной кислоте? Приведите уравнение реакции.
3. Как выделить второй компонент сплава из голубого раствора полученного после реакции с азотной кислотой? Приведите необходимые уравнения реакций.

Ответ:

1. Медь (по цвету раствора) и золото (нерастворимость в азотной кислоте и характерный вид компактного металла) по 2 балла
2. Растворение в царской водке 1 балл

Уравнение реакции:

Au + HNO 3 (конц.) + 4HCl(конц.) = H + NO + 2H 2 O 4 балла

(Подходят также варианты с соляной кислотой и хлором, селеновой кислотой, смесью азотной и плавиковой кислот и т.д. – оценивать полным баллом.)

1. Любой разумный метод, например:

Fe + Cu(NO 3) 2 = Cu + Fe(NO 3) 2 1 балл

Всего 10 баллов .

Задача 4 «Изомерные реагенты и продукты»

Два изомерных углеводорода А и В содержат по 90,57 % углерода (по массе).

При окислении горячим подкисленным раствором перманганата калия A и B окисляются в вещества C и D , которые также являются изомерами, причём вещество С активно используется в производстве полимеров. Вещество С достаточно устойчиво при нагревании, а нагревание вещества D приводит к образованию вещества E , которое также можно получить окислением углеводорода F (массовая доля углерода 93,75%) кислородом на оксиде ванадия(V).

1. Установите формулы веществ А –F и напишите уравнения всех упомянутых реакций.
2. Какой полимер получают на основе вещества С? Где он применяется?

Ответ:

Из массовой доли углерода находим брутто-формулу А и В :

ν(C) : ν(H) = (90,57/12) : (9,43/1) = 4: 5,

C 4 H 5 . Нечётного числа атомов водорода в углеводородах не бывает, поэтому молекулярная формула А и В – С 8 Н 10 . Это могут быть этилбензол или диметил-бензолы (ксилолы). Изомерные продукты окисления могут образоваться только из ксилолов.

Вещество C – продукт окисления А – используется в производстве полимеров, наиболее вероятно, что это терефталевая кислота, тогда А – 1,4-диметилбензол (пара-ксилол).

Вещество D – продукт окисления B – при нагревании отщепляет воду, наиболее вероятно, что это – фталевая кислота, которая при нагревании превращается в циклический ангидрид, тогда B – 1,2-диметилбензол (орто-ксилол).

Брутто-формула углеводорода F :

ν(C) : ν(H) = (93,75/12) : (6,25/1) = 5: 4,

C 5 H 4 , однако в реакциях окисления не происходит увеличения количества атомов углерода, следовательно, F содержит минимум 8 атомов углерода.

Удваивая индексы получаем, что F – С 10 Н 8 , нафталин.

Уравнения реакций:

Полимер – полиэтилентерефталат (ПЭТ) – применяется, например, для производства пластиковых бутылок.

Система оценивания:

Задача 5 «Изомерные реагенты, но разные продукты»

Два изомерных углеводорода А и B при присоединении брома образуют 1,2,3,4 – тетрабромбутан и 1,1,2,2 – тетрабромбутан соответственно. Углеводород А при жёстком окислении деструктурируется до углекислого газа. Углеводород B в тех же условиях даёт пропановую кислоту и углекислый газ.

1. Определите строение изомеров А и B .
2. Приведите уравнения реакций бромирования изомеров А и B .
3. Приведите уравнения реакций жёсткого окисления изомеров А и B . Объясните, почему в условиях жёсткого окисления изомер А деструктурируется до углекислого газа.
4. Предложите качественные реакции, с помощью которых можно отличить изомеры А и B .

Ответ:

1. Изомер А : H 2 C = CH – CH = CH 2 бутадиен–1,3

Изомер B : НС ≡ С – CH 2 – CH 3 бутин-1

2. Бромирование изомеров А и B

А : H 2 C = CH – CH = CH 2 + 2Br 2 → CH 2 Br – CHBr – CHBr – CH 2 Br

1,2,3,4 – тетрабромбутан

B : НС ≡ С – CH2 – CH 3 + 2Br 2 → CHBr 2 – CBr 2 – CH 2 – CH 3

1,1,2,2 – тетрабромбутан

3. Жёсткое окисление изомеров А и B можно осуществить, используя в качестве окислителя подкисленный раствор перманганата калия или хромовую смесь (K 2 Cr 2 O 7 ∙H 2 SO 4).

А : 5H 2 C = CH – CH = CH 2 + 22KMnO 4 + 33H 2 SO 4 → 20CO 2 + 11K 2 SO 4 + 22MnSO 4 + 48H 2 O

При энергичном окислении на промежуточной стадии реакции окисления бутадиена-1,3 образуются углекислый газ и щавелевая кислота. Эта дикарбоновая кислота проявляет восстановительные свойства и окисляется в оксид углеродаIV. (Эта реакция используется в аналитической химии для установления точной концентрации перманганата калия.)

H 2 C = CH – CH = CH 2 НООС – СООН НСООН CO 2 + H 2 O

B : 5НС ≡ С – CH 2 – CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CO 2 + 5CH 3 – CH 2 –COOH + 4K 2 SO 4 + 8MnSO 4 + 12H 2 O

4. Реакции для идентификации изомеров А и B . При взаимодействии терминальных алкинов с аммиачным раствором оксида серебра или хлорида

меди(I) легко образуются ацетилениды серебра или меди, которые выпадают из раствора в осадок.

НС ≡ С – CH 2 – CH 3 + OH → AgС ≡ С – CH2 – CH 3 ↓ + 2NH 3 + H 2 O

НС ≡ С – CH 2 – CH 3 + Cl → CuС ≡ С – CH 2 – CH 3 ↓ + NH 4 Cl + NH 3

Изомер А подобных реакций не даёт.

Система оценивания:

Задача 6 «Качественный анализ»

В четырёх пронумерованных пробирках находятся растворы фенола, ацетата натрия, глюкозы и ацетамида (амида уксусной кислоты). Определите содержимое каждой пробирки, выбрав для анализа подходящие реактивы.

Для решения задачи составьте таблицу результатов мысленного эксперимента, в которой будут указаны визуальные признаки происходящих реакций.

Схема таблицы:

Приведите уравнения реакций, используемых для идентификации указанных в задаче органических соединений.

Ответ:

Возможно использование других реактивов.

Для образования фенолов можно использовать реакцию с бромной водой или раствором хлорида железа(III).

C 6 H 5 OH + 3Br 2 (водн. р-р) → C 6 H 2 Br 3 OH↓ белый осадок + 3HBr

Раствор фенола + раствор FeCl 3 → фиолетовое окрашивание раствора.

Ацетамид можно определить по выделению аммиака при нагревании пробы вещества с раствором щёлочи.

CH 3 CONH 2 + KOH → CH 3 COOK + NH 3

Глюкозу легко обнаружить по появлению ярко-синего окрашивания при взаимодействии со щелочным раствором гидроксида меди(II) без нагревания.

Глюкоза в этом случае проявляет свойства многоатомного спирта. Цвет раствора обусловлен образованием комплексного соединения меди. При нагревании синего раствора образуется красный осадок оксида меди(I).

HOCH 2 (CHOH) 4 CHО + 2Cu(OH) 2 HOCH 2 (CHOH) 4 COOH + Cu 2 O + 2H 2 O

Глюкозу (как восстанавливающий углевод) можно обнаружить также с помощью реакции «серебряного зеркала).

HOCH 2 (CHOH) 4 – COH + 2OH → HOCH 2 (CHOH) 4 – CONH 4 + 2Ag + 3NH 3 + H 2 O

Ацетат натрия можно идентифицировать методом исключения, т. к. он не реагирует ни с одним из перечисленных реактивов. Однако доказать, что мы имеем дело с солью карбоновой кислоты, можно с помощью пробы на образование сложных эфиров: к раствору соли добавляют небольшое количество спирта (например, этанола) и несколько капель концентрированной серной кислоты и слегка нагревают. Если смесь вылить в воду, то на поверхности появятся капли сложного эфира с характерным запахом.

CH 3 COONa + C 2 H 5 OH + H 2 SO 4 → CH 3 COOC 2 H 5 этилацетат + NaHSO 4 + H 2 O

Система оценивания:

В итоговую оценку из 6-и задач засчитываются 5 решений, за которые участник
набрал наибольшие баллы, то есть одна из задач с наименьшим баллом не
учитывается .

СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ

На прошлой лекции мы рассмотрели общие свойства и расположение жидкой части свечи, а также и то, каким образом эта жидкость попадает туда, где происходит горение. Вы убедились, что когда свеча хорошо горит в спокойном воздухе, пламя всегда имеет форму вытянутого вверх язычка, т. е. форму более или менее постоянную и притом очень интересную. А теперь я обращу ваше внимание на то, какими средствами мы можем выяснить, что происходит в той или иной части пламени, почему это происходит, какое действие оно при этом оказывает и, наконец, куда девается вся свеча - ведь вы же прекрасно знаете, что зажженная свеча (если она хорошо горит) на наших глазах, сгорая, исчезает целиком, не оставляя в подсвечнике никаких следов, а это весьма любопытное обстоятельство. Чтобы тщательно исследовать свечу, я собрал несколько приборов, с применением которых вы познакомитесь по ходу лекции. Вот свеча; кончик этой стеклянной трубки я сейчас помещу в середину пламени, т. е. в ту часть его, которая на рисунке старины Гукера изображена сравнительно темной и которую вы всегда можете увидеть, если внимательно посмотрите на пламя (и при этом не будете колыхать его своим дыханием). Эту темную часть мы исследуем прежде всего.

Рис. 7.

Вот я беру ту согнутую стеклянную трубку, ввожу один конец ее в темную часть пламени, и вы сразу видите, как нечто, находившееся в пламени, входит в трубку и выходит из нее с другого конца. Если я введу другой конец трубки на некоторое время в колбу, вы увидите, как это нечто постепенно высасывается из средней части пламени, проходя через трубку в колбу и там ведет себя совершенно иначе, чем на открытом воздухе. Оно не только выходит из конца трубки, но падает на дно колбы, как тяжелое вещество. И действительно, оказывается, что это не газ, а воск свечи, перешедший в парообразное состояние. (Запомните разницу между газом и парами: газ остается газом, а пары - это нечто такое, что конденсируется.)

Когда вы задуваете свечу, вы ощущаете противный запах, получающийся от конденсации этих паров. Они сильно отличаются от того, что находится вне пламени, и чтобы вам это стало яснее, я собираюсь получить большее количество таких паров и поджечь их: ведь чтобы до конца изучить то, что есть в нашей свече в небольшом количестве, и иметь возможность исследовать его составные части, мы, как настоящие исследователи, должны научиться добывать его и в более значительных количествах. Теперь мистер Андерсон даст мне горелку, и я покажу вам, что собой представляют эти пары.

Вот в этой склянке я нагрею воск, чтобы он стал таким же горячим, как внутренность пламени этой свечи и вещество, окружающее фитиль. (Лектор кладет в склянку немного воска и нагревает его над горелкой.) Теперь, пожалуй, колба нагрета достаточно. Вы видите, что воск, который я туда положил, стал жидким и от него идет дымок. Сейчас будут подниматься пары. Продолжаю нагревание; теперь паров получается больше, вот я даже могу перелить пары из колбы в эту чашку и там их поджечь. Стало быть, это в точности те же пары, как в середине пламени свечи. Чтобы вы могли убедиться, что это действительно так, давайте выясним, не собраны ли у нас вот в этой колбе настоящие горючие пары из середины пламени свечи. (Лектор берет колбу, в которую была проведена трубка от свечи, и вводит в нее зажженную лучинку.) Видите, как эти пары горят. Итак, это у нас пары из середины пламени свечи, возникшие благодаря его собственному жару. Это один из первых фактов, которые вы должны продумать в связи с продвижением воска в процессе его горения и с теми переменами, которым он подвергается.

Рис. 8.

Сейчас я осторожно помещу в пламя кончик другой трубки. Действуя очень осторожно, нам удастся добиться того, чтобы эти пары проходили сквозь трубку к ее другому концу, где мы их зажжем и получим настоящее пламя свечи на некотором расстоянии от нее самой. Ну, вот, поглядите. Разве это не изящный опыт? Вы слышали о газопроводах, а тут мы устроили настоящий "свечепровод". На этом опыте вы видите, что есть два четко различимых процесса: один - это возникновение паров, а другой - это их сгорание, и каждый из этих процессов происходит в разных частях свечи.

Из того участка, где сгорание уже осуществилось, мне не удается получить пары. Я передвину кончик трубки (см. рис. 7) в верхнюю часть пламени, и как только из трубки уйдут находившиеся в ней пары, она будет выводить из пламени нечто такое, что уже не будет горючим: оно уже сгорело. Каким образом сгорело?

А вот как. В середине пламени вокруг фитиля имеются горючие пары; пламя окружено воздухом, который, как мы увидим, необходим для горения свечи, и между ними происходит интенсивное химическое взаимодействие, при котором воздух и горючее воздействуют друг на друга, и в то самое время, как получается свет, разрушаются пары, находившиеся внутри пламени.

Если вы станете выяснять, где находится самое горячее место в пламени, вы узнаете, что оно расположено очень любопытно. Вот я ввожу лист бумаги прямо в пламя - где самое горячее место? Вам видно, что не внутри. Оно расположено кольцом, как раз там, где, как я вам сказал, происходит химическая реакция; даже если ставить опыт так грубо, всегда получается кольцо (если только пламя не слишком будет колебаться от движения воздуха). Этот опыт каждый может легко повторить у себя дома. Возьмите полоску бумаги, выберите комнату, где нет сквозняка и поместите полоску прямо в середину пламени. Вы увидите, что бумага прогорит в двух местах, а в середине только слегка будет тронута огнем. Когда вы раз-другой удачно проделаете этот опыт, вы легко определите, где наиболее горячая часть пламени; вы сами убедитесь в том, что она там, где встречаются воздух и топливо.

Это в высшей степени важно для того, чтобы вы могли разобраться в дальнейшем. Воздух совершенно необходим для горения; мало того: вы должны понять, что необходим свежий воздух, иначе наши рассуждения и наши опыты не дадут правильного результата. Вот банка, в ней воздух; я опрокидываю банку и накрываю ею свечу; сперва свеча под банкой горит вполне благополучно и тем самым доказывает справедливость того, что я только что сказал. Однако скоро наступит перемена. Вот смотрите, как пламя вытягивается вверх, затем меркнет и наконец гаснет. А почему же оно гаснет? Не потому, что ему нужен просто воздух - ведь банка и сейчас так же полна воздуха, как вначале, а потому, что пламя нуждается в чистом, свежем воздухе. Банка полна воздуха, частично измененного, частично не измененного; но в ней недостаточно того свежего воздуха, который необходим для горения свечи. Все эти факты, которые вам, юным химикам, надо собирать и сопоставлять. Обдумав их, мы сможем сделать дальнейшие шаги, которые приведут нас к интересным результатам.

Вот, например, масляная лампа, которую я вам уже показывал. Это старинная лампа Аргана, очень удобная для наших опытов. Сейчас я увеличу ее сходство со свечой. (Лектор закрывает отверстие в середине фитиля, через которое воздух проникает внутрь пламени.) Вот фитиль; вот масло, которое по нему поднимается; а вот и пламя конусообразной формы. Оно плохо горит, потому что доступ воздуха уменьшен. Я ограничил доступ воздуха к пламени только его внешней стороной, и вот пламя заметно уменьшилось. Снаружи я не могу увеличить доступ воздуха, потому что фитиль и так большой; но если (как это хитроумно устроил Арган) я открою для воздуха проход в середину пламени, вы увидите, насколько лучше и светлее станет гореть лампа. Если же прекратить доступ воздуха, смотрите, как лампа коптит, - а почему?

Теперь у нас накопилось несколько очень интересных фактов, в которых надо разобраться: во-первых, горение свечи; во-вторых, ее угасание от недостатка воздуха; в-третьих, теперь к этому прибавилось неполное сгорание, а оно для нас настолько интересно, что я хочу, чтобы вы в нем разобрались так же досконально, как и в том случае, когда свеча горит наилучшим образом. Теперь я устрою большое пламя, так как нам нужны иллюстрации как можно более крупные. Вот фитиль большого размера. (Лектор зажигает комок ваты, пропитанный скипидаром.) В конечном счете все это - та же свеча. Если у нас фитили крупнее, то и снабжение воздухом должно быть больше, иначе сгорание будет менее совершенным. Вот смотрите, как от этого пламени в воздух летят хлопья горючего вещества. Чтобы эта не полностью сгоревшая часть не причиняла вам неудобства, я устроил вытяжную трубу, куда она и уносится. Посмотрите на сажу, летящую от пламени. До чего здесь неполное сгорание - ведь у нас пламя не получает достаточного воздуха. Так что же тут происходит? Дело в том, что отсутствует нечто, необходимое для горения свечи, и это приводит к очень плохим результатам. А что происходит со свечой, когда она горит в чистом воздухе, мы уже видели. Когда я вам показывал одну сторону бумажки, обожженную кольцом пламени, я мог бы, перевернув этот листок, показать вам, что от горения свечи получается такая же сажа - то есть уголь, или, иначе говоря, углерод.

Но прежде чем это показать, давайте я объясню вам кое-что совершенно необходимое для понимания всего вопроса. Хотя в качестве основного предмета лекций я взял свечу и для иллюстрации общего понятия "горение" показываю вам ее горение в форме пламени, мы все-таки должны выяснить, всегда ли горение происходит именно в этой форме и бывают ли и другие виды пламени. Мы скоро убедимся, что они действительно бывают и что они для нас в высшей степени важны.

Пожалуй, лучший способ убедить молодежь - это продемонстрировать разительный контраст. Вы знаете, что порох сгорает с пламенем; мы вполне можем называть это пламенем. Порох содержит углерод и другие вещества, которые в совокупности заставляют его сгорать с пламенем. А вот немного железных опилок. Я хочу сжечь эти два вещества вместе. У меня тут есть деревянная ступка, в которой я их смешаю. (Прежде чем перейти к этим опытам, разрешите мне высказать надежду, что никто из вас не наделает беды, пытаясь их повторить для забавы. Ведь все это можно хорошо проделать, только если соблюдать осторожность, а небрежность может очень плохо кончиться.) Так вот, стало быть, тут у меня немножко пороху, который я кладу на дно этой маленькой деревянной ступки и смешиваю с ним железные опилки. Цель моя состоит в том, чтобы от пороха опилки загорелись и на воздухе, а тем самым была бы наглядно показана разница между веществами, сгорающими с пламенем и без пламени. Вот полученная смесь; теперь, когда я ее подожгу, вы должны будете следить за процессом горения, и вы увидите, что горение будет двоякое. Вы увидите, как порох будет гореть с пламенем, а железные опилки будут взлетать в воздух. Вы увидите, что и они тоже будут гореть, но не давая пламени. Каждая частичка железа будет гореть отдельно. (Лектор поджигает смесь.) Смотрите: порох горит с пламенем, а вот железные опилки - они горят совсем иначе. Итак, вы воочию убедились в существовании двух различных типов горения, и именно на них основаны все практические применения и вся красота пламени, используемого нами в качестве источника света. Повторяю: будем ли мы для освещения пользоваться маслом, газом или свечами - пригодность всех их зависит от тех различий в процессе горения, которые вы только что наблюдали.

Бывают такие своеобразные виды пламени, что без некоторого хитроумия и умения подмечать тонкие различия невозможно определить, какой тут наблюдается тип горения. Возьмем, например, вот этот порошок. Он очень горючий; он состоит из массы отдельных зернышек. Порошок этот называется ликоподий.

Каждая из его пылинок может дать пары и вспыхнуть отдельным огоньком. Сейчас я зажгу немножко ликоподия, и вы увидите, что произойдет… Мы увидели целое облако пламени, как будто единое, нераздельное; однако это потрескивание (лектор обращает внимание на звук, возникающий при горении) доказывает, что сгорание было не непрерывным и не равномерным. Это и есть искусственная молния, которую вы видели в пантомимах, и надо сказать, что она очень хорошо имитирует настоящую. (Лектор дважды проделывает этот опыт, продувая ликоподий из стеклянной трубки сквозь пламя спиртовки.) Это пример горения, отличающийся от горения опилок, к которым мы еще вернемся.

Возьму теперь свечу и буду исследовать ту часть ее пламени, которая на глаз кажется самой яркой. Оказывается, там-то я и нахожу черные частицы, возникновение которых из пламени вы уже несколько раз наблюдали; сейчас я добуду их иначе. Вот я очищаю свечу от наплывов воска, получившихся из-за ветра. Теперь я беру стеклянную трубочку, которой мы уже пользовались в одном из предыдущих опытов, н вставляю ее в пламя, но на этот раз повыше, так, чтобы ее кончик был едва погружен в яркую часть пламени. Вы видите, каков результат: вместо белых паров, которые получались раньше, теперь из трубочки выходит копоть, черная как чернила. Безусловно, это нечто совершенно иное, чем те белые пары; поднесем к концу трубочки горящую лучинку, и мы увидим, что выходящие пары и сами не горят и лучинку гасят. Так вот, эти частицы, как я уже и раньше вам говорил, - это всего-навсего копоть свечи. Недаром Свифт советовал лентяям развлекаться, расписывая на потолке узоры с помощью свечи. Так что же это за черное вещество? Это тот же самый углерод, который имеется в свече. Как же он возникает из свечи? Очевидно, он был в свече, - ведь откуда бы ему взяться иначе?

Теперь слушайте внимательно и следите за ходом моего объяснения. Вам вряд ли приходило в голову, что вещество, летающее в лондонском воздухе в виде частиц копоти и сажи, - это как раз то, что придает самую красоту и жизнь пламени, в котором оно сгорает точно так же, как у нас сгорали железные опилки. Вот тонкая проволочная сетка, не пропускающая пламени. Я думаю, вам почти сразу будет видно, что когда я ее опущу на пламя таким образом, чтобы она касалась той его части, которая обычно бывает самой яркой, сетка придавит пламя, и пламя начнет коптить.

Теперь мне нужно, чтобы вы поняли следующий пункт моего рассуждения. Всякий раз, когда какое-нибудь вещество горит так, как горели железные опилки в пламени пороха, т. е. не переходя в парообразное состояние, а либо становясь жидким, либо оставаясь твердым телом, оно чрезвычайно ярко светится. Чтобы наглядно доказать вам это, я отвлекусь от свечи и приведу несколько других примеров. Ведь то, что я вам должен рассказать, применимо ко всем веществам, горючим и не горючим, - они интенсивно светятся, если остаются в твердом состоянии; именно присутствием твердых частиц в пламени свечи и объясняется ее яркий свет.

Вот платиновая проволочка - тело, которое от нагревания не изменяется. Я ее раскалю на этом пламени - смотрите, до чего она ярко светится. Я сделаю пламя малосветящимся, и хотя платиновая проволочка получит от него мало тепла, вы все же увидите, что этого нагрева будет достаточно, чтобы довести накал проволочки до гораздо большей яркости, чем яркость самого пламени. В этом пламени содержится углерод; а теперь я возьму такое пламя, в котором углерода нет.

Вот в этом сосуде находится некое горючее вещество - пока назовите его парами или газом, как хотите, - в котором нет твердых частиц; поэтому я и беру его как пример пламени, горящего без всякого твердого вещества. Когда я введу в это пламя твердое тело, вы увидите, до чего пламя жаркое и как ослепительно оно заставляет светиться это твердое тело. Вот трубка, через которую подается особый газ, называемый водородом; о нем вы все узнаете на следующей лекции. А вот здесь - вещество, называемое кислородом, при помощи которого водород может гореть; в результате их смешения мы получаем несравненно более высокую температуру, чем от пламени свечи. Если же, поместить в это пламя какое-нибудь твердое вещество, получается свет.

Возьмем кусок извести - вещества, которое не горит и не испаряется при высокой температуре (а не испаряясь, остается твердым и раскаленным). Сейчас вы сможете наблюдать, как известь будет светиться. Сжигая водород в кислороде, получаем очень высокую температуру; пока еще света очень мало - не из-за того, что мало тепла, а из-за отсутствия твердых частиц - но вот я держу этот кусочек извести в кислородно-водородном пламени - смотрите, как он ослепительно светится! Это и есть прославленный "друммондов свет", соперничающий со светом вольтовой дуги и почти равный солнечному свету.

А вот здесь у меня кусочек углерода, или древесного угля, который будет гореть и давать нам свет точно так же, как если бы этот углерод сгорал в качестве составной части свечи. Высокая температура пламени свечи разлагает пары воска и высвобождает частицы углерода; они поднимаются вверх, раскаленные и светящиеся, как светится сейчас вот этот кусочек, а затем уходят в воздух. Но эти частицы, сгорев, никогда не уходят из пламени в форме углерода - нет, они переходят в воздух в виде совершенно невидимого вещества, о котором мы поговорим в дальнейшем.

Подумайте, как прекрасен этот процесс, при котором такое невзрачное вещество, как уголь, делается таким сияющим! Вы видите, что дело здесь сводится к следующему: всякое яркое пламя содержит эти твердые частицы; и все то, что горит и дает твердые частицы - будь то во время горения, как это происходит в пламени свечи, будь то непосредственно после горения, как в примере с порохом и железными опилками, - все это дает нам прекрасный свет.

Сейчас я вам это проиллюстрирую. Во-первых, вот кусочек фосфора, которому свойственно гореть ярким пламенем. Из этого мы теперь можем сделать вывод, что фосфор обязательно дает такие твердые частицы либо в момент самого горения, либо после него. Вот фосфор зажжен, и я накрываю его стеклянным колпаком, чтобы не дать улетучиться тому, что получится в результате горения. Что это за клубы дыма? Этот дым состоит как раз из тех частиц, которые получаются от горения фосфора.

Рис. 9.

Далее, вот два вещества - бертолетова соль и сернистая сурьма. Я их слегка перемешаю, и тогда их можно будет сжечь различными способами. Чтобы показать вам образчик того, что такое химическая реакция, я капну на них серной кислоты, и они мгновенно вспыхнут. (Лектор поджигает смесь серной кислотой.) Теперь по внешнему виду этого явления вы можете сами судить, получается ли при горении твердое вещество. Я вам указал и ход рассуждения, который приведет вас к ответу на этот вопрос, положительному или отрицательному: ведь что же представляет собой это яркое пламя, как не выделяющиеся твердые раскаленные частицы?

Вот тут у мистера Андерсона накаленный в печи тигелек. Я сейчас брошу в него цинковых опилок, и они будут гореть таким пламенем, как у нас горел порох. Этот опыт вы можете сделать дома. А теперь мне нужно, чтобы вы посмотрели, каков будет результат сгорания цинка. Вот он горит. И прекрасно горит - можно сказать, как свеча. Но что это за клубы дыма? И что это за облачка, похожие на клочки шерсти, разлетающиеся по всей аудитории и дающие вам знать о себе, не дожидаясь, чтобы вы подошли ко мне их рассмотреть? В старину их называли "философской шерстью". Некоторое количество этого пушистого вещества у нас останется и в тигле.

Для следующего опыта я возьму тот же цинк, но не в опилках, а кусочком, чтобы продукты горения не разлетались по всему залу. Вы увидите, что, по существу, будет происходить то же самое. Вот кусочек цинка, вот горелка (лектор указывает на водородное пламя) , и теперь мы примемся за дело- постараемся сжечь этот металл. Вы видите, что он светится - стало быть, происходит горение; а вот и белое вещество, в которое, сгорая, превращается цинк. Итак, если я буду считать это водородное пламя подобием пламени свечи и покажу вам какое-нибудь вещество, вроде цинка, горящим в водородном пламени, вы убедитесь, что это вещество светится только во время горения, т. е. пока оно накалено. Вот я беру белое вещество, получившееся от сгорания цинка, и помещаю его в водородное пламя. Смотрите, как оно чудно светится - и именно потому, что это твердое вещество.

Вернусь теперь к тому пламени, какое мы рассматривали раньше, и выделю из него частицы углерода. Возьмем камфару, которой свойственно гореть коптящим пламенем. Но если я через эту трубочку проведу частицы копоти в водородное пламя, вы увидите, что они будут сгорать и испускать свет, так как мы их нагреем вторично. Вот, смотрите. Здесь частицы углерода, зажженные вторично. Это те самые частицы сажи, которые хорошо были видны на фоне белой бумаги. Теперь же, оказавшись в жарком пламени водорода, они воспламеняются и поэтому дают такой яркий свет. Если же частицы не выделяются, пламя у нас получается несветящимся. Пламя светильного газа дает такой яркий свет именно благодаря тому, что во время горения из этого газа образуются частицы углерода, которые присутствуют в его пламени, точно так же, как и в пламени свечи.

Яркость пламени можно очень быстро изменить. Вот, например, яркое газовое пламя. Если я буду подводить столько воздуха к пламени, чтобы газ полностью сгорал, прежде чем успеют выделиться эти частицы, у меня такой яркости не получится.

Устроить это можно вот как. На горелку я надеваю колпачок из тонкой проволочной сетки, а затем зажигаю газ над колпачком; видите, газ горит несветящимся пламенем, так как перед сгоранием с газом смешивается достаточное количество воздуха. Если же я подниму сетчатый колпачок, то под ним. как вы видите, газ не горит. Углерода в этом газе вполне достаточно; однако вы видите, каким бледным, голубоватым пламенем горит он там, где к нему обеспечен доступ воздуха, и они могут смешаться перед сгоранием. Такой голубоватый оттенок получается и в том случае, если я буду дуть на яркое газовое пламя так, чтобы сжигать весь этот углерод до того, как он успеет раскалиться. (Лектор иллюстрирует свои слова на опыте, дуя на газовую горелку.) Единственная причина, почему от такого дутья пламя теряет яркость, заключается в том, что углерод смешивается с достаточным количеством воздуха для его сгорания, прежде чем он в пламени выделится в свободном состоянии. Вся разница в цвете пламени происходит исключительно от того, что твердые частицы не успевают выделиться, прежде чем газ сгорает.

Итак, вы убедились на опыте, что при сгорании свечи получаются некоторые вещества и что в числе этих продуктов сгорания находится уголь, т. е. сажа. Этот уголь, сгорая, дает некий другой продукт; теперь мы займемся выяснением, что это за другой продукт горения. Мы видели, как что-то улетучивалось и исчезало. Теперь мне нужно, чтобы вы поняли, сколько вещества улетает в воздух, а для этой цели мы устроим горение в несколько большем масштабе. Вот от этой свечи поднимается нагретый воздух. Двух-трех опытов будет достаточно, чтобы показать вам восходящий ток газа. Но чтобы дать представление о количестве вещества, которое таким образом летит вверх, я сейчас проделаю еще один опыт и постараюсь уловить часть получающихся продуктов горения. Для этого у меня есть детский воздушный шар: сейчас я им воспользуюсь только как своего рода меркой для тех продуктов горения, которыми мы в данный момент занимаемся. А пламя я устрою простое - такое, чтобы оно наилучшим образом соответствовало поставленной мною цели.

Рис. 10.

Вот эта тарелка будет представлять собой, так сказать, "чашечку" свечи; горючее - спирт, налитый в тарелку; над ним я помещу эту трубу для тяги - такое устройство лучше, чем если бы я предоставил это дело случаю. Сейчас мой помощник зажжет горючее, - а здесь, у верхушки трубы, мы будем улавливать продукты горения. То, что мы получаем у верхушки трубы, это, вообще говоря, то же самое, что получается при сгорании свечи; но здесь пламя не светящееся, так как мы взяли вещество, бедное углеродом. Запускать шар я сейчас не собираюсь, моя цель не в этом, а я его сюда прилажу, чтобы показать вам результат действия веществ, поднимающихся как от свечи, так и от этого пламени в вытяжной трубе. (К верхнему отверстию трубы приставляется горловина шара, и он сразу начинает наполняться.)

Вы видите как шар рвется кверху, но отпустить его нельзя: ведь он, пожалуй, может наткнуться на газовые лампы вон там, наверху, а это было бы очень некстати. (По просьбе слушателей гасят верхние лампы, лектор отпускает шар, и тот улетает вверх.)

Ну, вот, разве это не доказывает вам, какой значительный объем вещества получается при горении? А теперь смотрите (лектор помещает над свечой широкую стеклянную трубку) : через эту трубку проходят все продукты горения этой свечи, и вы сейчас увидите, что трубка совсем помутнеет. Я беру горящую свечу, накрываю ее банкой и, чтобы вам было видно происходящее, освещаю ее с противоположной от вас стороны. Как видите, стенки банки затуманиваются и свет слабеет.

Именно продукты сгорания и заставляют свет меркнуть, и от них же и мутнеют стенки банки. Если вы, придя домой, возьмете ложку, которая лежала на холоде, и подержите ее над пламенем свечи (только так, чтобы ложка не закоптела), вы увидите, что она запотеет, как эта банка. Еще лучше удастся опыт, если вы сумеете раздобыть для него серебряное блюдо или что-нибудь вроде этого. А теперь, чтобы заранее подготовить вас к нашей следующей встрече, скажу вам, что это помутнение получается от воды. На следующей лекции я покажу вам, что ее нетрудно будет получить в жидком виде.