De kaars en het water

[Michel Uphoff]

Nou wilde ik het ook echt weten. Dus net even een testje gedaan met een wat diepere schaal met water en een vrij grote cilindrische glazen vaas. Mijn hoop was dat de eventuele drukverhoging door expansie, en daarmee het weg borrelen van lucht in zo'n grote pot met kaarsje mee zou vallen.
 
Het viel heel erg mee, want er kwam geen belletje lucht onder de pot uit. Zodra het kaarsje uit ging steeg het waterniveau tot iets meer dan 20% hoogte (7 cm in een pot van 34 cm hoog), en bleef daar ook na afkoelen staan.
 
Dus lijkt mij de conclusie in bericht 13 geciteerd door Always terecht: Initieel expandeert de lucht, maar dit wordt gecompenseerd door het verlies aan gasvolume door oxidatie, en bij afkoelen krimpt het gas waardoor dan pas het waterniveau stijgt.
 
Er zit bijna 21% zuurstof in lucht en dat roept dan wel vragen op:
1: Wordt werkelijk vrijwel alle zuurstof verbruikt? Dat lijkt wel te moeten gezien de stijging.
2: Hoe zit het nu precies met het binden van zuurstof aan koolstof, waarom veroorzaakt de reactie tot CO2 en/of CO zoveel volumeverlies?

[always]

Er wordt natuurlijk ook nog H2O geproduceerd en dat kan condenseren op het glas. Heb je ook condens gezien?

[Michel Uphoff]

Nee, geen druppel.

[Benm]

Nou wilde ik het ook echt weten. Dus net even een testje gedaan met een wat diepere schaal met water en een vrij grote cilindrische glazen pot. Mijn hoop was dat de eventuele drukverhoging door expansie, en daarmee het weg borrelen van lucht in zo'n grote pot met kaarsje mee zou vallen.
 
Het viel heel erg mee, want er kwam geen belletje lucht onder de pot uit. Zodra het kaarsje uit ging steeg het waterniveau tot iets meer dan 20% hoogte (7 cm in een pot van 34 cm hoog), en bleef daar ook na afkoelen staan.
 
Dus lijkt mij de conclusie in bericht 13 geciteerd door Always terecht: Initieel expandeert de lucht, maar dit wordt gecompenseerd door het verlies aan gasvolume door oxidatie, en bij afkoelen krimpt het gas waardoor dan pas het waterniveau stijgt.
 
Er zit bijna 21% zuurstof in lucht en dat roept dan wel vragen op:
1: Wordt werkelijk vrijwel alle zuurstof verbruikt? Dat lijkt wel te moeten gezien de stijging.
2: Hoe zit het nu precies met het binden van zuurstof aan koolstof, waarom veroorzaakt de reactie tot CO2 en/of CO zoveel volumeverlies?

 
Het probleem is dat je begint met een pot vol warme lucht. Ik neem althans aan dat je eerst de kaars hebt aangestoken en daarna de pot erover hebt gezet. 
 
Idealiter werk je met een gesloten systeem, maar een kaarsje aansteken in een pot is nog best lastig. Ik heb een laser waarmee dat kan, maar vraag me af of dat gaat werken door het meestal matige glas van een pot.
 
Nog beter zou een stukje magnesiumlint zijn dat je electrisch ontsteekt, dan ben je meteen van de CO2 af.. maar heb ik alleen wat 'turnings' liggen waarmee dat, denk ik, niet lukt. 

[always]

"2: Hoe zit het nu precies met het binden van zuurstof aan koolstof, waarom veroorzaakt de reactie tot CO2 en/of CO zoveel volumeverlies?"
 
Een kaars bestaat voornamelijk uit C en H, met een verhouding van ongeveer 2 H-atomen per C-atoom. De chemische reactie is dus iets als 2CH2 + 3O2 --> 2CO2 + 2H2O. Ik denk dat de waterdamp snel neerslaat op het koude wateroppervlak. Per saldo verdwijnen er dan 3 gasmoleculen en komen daarvoor 2 terug. Aanvankelijk zit er 21% zuurstof in de lucht in het glas. 2/3-deel (14%) blijft dus gasvormig, en 1/3 deel condenseert. Daardoor ontstaat onderdruk en stijgt het waterpeil.
 
 
"It is not true that each oxygen molecule is replaced by one carbon dioxide molecule during the burning process; <b>two</b> oxygen molecules result in <b>one</b> carbon dioxide molecule and <b>two</b> water molecules (which condense). Remember oxygen is present in the air as a diatomic molecule. [A reader clarifies the water condensation in an email to me as follows: If the experiment were done with the sealing fluid able to support a temperature greater than 212 F and the whole system held above this temperature then the water product of combustion would remain gaseous and the pressure within the vessel would increase as a result of three gaseous molecules for every two prior to combustion and the sealing fluid would be pushed out.]"

[Benm]

Kaarsjes aansteken door een  glazen pot (nouja, bierpul bij gebrek aan...) blijkt lastig - en komt een hoop damp vanaf maar de lont gaat eerder in tweeen dan dat het vlam vat. Binnenkort eens kijken of het lukt een stukje houtskool te verbranden... minder damp en meer oppervlak om raak te schieten (weer een gat in het behang, grmbl!). 

[Michel Uphoff]

Het probleem is dat je begint met een pot vol warme lucht.

 
Nou, dat lijkt mij niet. Het is een forse pot, een cilindrische bloemenvaas 34 cm hoog 20 cm doorsnede dus pakweg 10 liter inhoud, en een waxinevlammetje. In die pakweg halve seconde die het duurt om die pot over het lichtje te zetten zal die 10 liter lucht m.i. maar weinig opwarmen.
 
Ik zal het binnenkort nog eens proberen of het mij lukt om het kaarsje in de geplaatste pot elektrisch met een gloeidraadje aan te steken, maar verwacht eigenlijk dat het heel weinig uit gaat maken.

[Thionyl]

Zijn de files van het Chemieforum nog toegankelijk? Mij lukt dat niet zo.

[Michel Uphoff]

BenM: Het probleem is dat je begint met een pot vol warme lucht.

En dat lijkt inderdaad het geval te zijn. Kennelijk wordt ook in de korte tijd dat die vaas over de kaars wordt gezet er sneller dan ik dacht een hoeveelheid lucht uit de vaas geperst door verwarming.

Gisteren dan even de test gedaan met een accu en een gloeidraadje. Daarmee de pit aansteken bleek heel lastig, totdat ik een stukje luciferkop met een spiraalvormig stukje heel dun koperdraad op de pit vast bond en toen de accu aansloot. Dat werkte prima.
 
Het resultaat was dat er geen lucht onderuit de vaas werd geperst, maar ook dat na doven van het kaarsje er slechts ongeveer 2 centimeter water omhoog geduwd werd ipv ongeveer 7.
 
Vervolgens nog eens goed gekeken wat er gebeurde als ik de vaas over een reeds brandend pit zette, en terwijl ik het plaatste verdween er inderdaad aardig wat lucht onderuit de vaas. Dat gaat heel snel, en was mij niet eerder opgevallen.
 
Daarna het vlammetje tot het minimum gereduceerd (pitje bijna helemaal weggeknipt, nog nèt een vlammetje zichtbaar), zodat die snelle verwarming van de lucht tijdens het plaatsen werd tegengegaan. Dan nauwelijks luchtbellen onderin bij het plaatsen, maar ook dan slechts een centimeter of 2 stijging.
 
In alle gevallen bleek een heel dunne, vrijwel niet zichtbare, laag waterdamp op de binnenzijde van de vaas neergeslagen te zijn.

[Benm]

Toch wel dus
 
Ik denk dat een belangrijk aspect ook is dat de lucht niet heel erg heet hoeft te zijn om dit effect te krijgen. Als je lucht laat afkoelen van 350 naar 300 kelvin heb je al een contractie die tegen de 20% loopt - vergelijkbaar met wat je zou verwachten aan volume 'verbruikte zuurstof'. 
 
Ontsteken met een via een laser aangetikte lucifer had ik ook nog even over gedacht, maar besloten dat niet te doen gezien de verbranding van een luciferkop netto gas oplevert. Met een klein stukje van de kop zal dat effect beperkt zijn. 
 
Die 2 cm stijging is in lijn met wat ik zou verwachten voor de verbranding van (CH2) waarbij de zuurstofconcentratie niet helemaal tot nul terugloopt - het is puur het vrijkomende en vervolgens condenserende water van de verbranding. Misschien dat de CO2 nog wel oplost als je het lang laat staan - kwestie van proberen?

[Jan van de Velde]

Zijn de files van het Chemieforum nog toegankelijk? Mij lukt dat niet zo.

Ik weet niet wat je met "files" bedoelt, maar  alle topics van Chemieforum van enigerlei waarde zijn onverkort meegekomen naar Wetenschapsforum.

[tempelier]

Ze hebben mij dat proefje ook laten zien op de middelbare school.
 
Het is alweer een tijdje terug maar ik meen dat ze het niet met een kaars deden maar met fosfor.
Dat begint spontaan te branden als het niet als te koud is.

[Benm]

Het verschil met fosfor is dat het verbrandingsproduct daar een vaste stof is. In de praktijk reageert het als een malle met het water, maar ook dat levert geen gas als CO2 op. Indien de reactie alle zuurstof verbruikt zou je bij fosfor (of magnesium oid) dus wel een 21% volumedaling verwachten.

[tempelier]

Ik dacht eigenlijk (maar het is wel lange geleden hoor) dat het oxide nogal snel in water oploste.
 
Als dat zo is moet je het wel met een of andere reagens kunnen zien.

[Benm]

Oplossen of reageren is hier iets dat je naar smaak kunt invullen, maar grofweg levert de verbranding P2O5 op dat in contact met water direct fosforzuur vormt. Als je een indicator toevoegt zul je ongetwijfeld zien dat de pH rap naar beneden gaat.