Dlaczego płomień świeci?

No właśnie – dlaczego? Zapalona zapałka, lampka spirytusowa, lampa naftowa, zapalony gaz, węgiel, benzyna dają świecący płomień. Pytanie niby naiwne. Ale dlaczego?

Weźmy przykład z życia. Pracę spawacza widział chyba każdy. Do podłużnego palnika dwiema rurkami doprowadzone są gaz ziemny czy acetylen i tlen . Przed rozpoczęciem pracy spawacz odkręca na palniku zawór gazu palnego np. acetylenu. U wylotu palnika najpierw zapala się ten gaz. Powstaje duży, kłębiasty i świecący płomień. Teraz spawacz na palniku powoli otwiera zawór tlenowy. Kształt i barwa płomienia zmieniają się radykalnie. Z kłębiastego płomień przekształca się w mały ostry języczek. Ten bardzo słabo świeci i jest barwy niebieskawej. Jego temperatura wynosi około 2200°C.

I zupełnie inny przykład. Mamy stopić karborund, czyli węglik krzemu, którego temperatura topnienia wynosi 2300°C. Tu trzeba już będzie zastosować palnik tlenowo-wodorowy, który wytwarza temperaturę 3500°C. Obserwujemy pracownika topiącego takim palnikiem węglik krzemu i... No właśnie – płomienia palnika w ogóle nie widać. A to dlatego, że jest niewidoczny.

Skąd się bierze ta niezgodność zjawisk?

Sprawdzimy to zaraz doświadczalnie. Na rysunku widzimy płomień zwykłej świecy, do środka którego tuż nad knotem wprowadzona jest odpowiednio wygięta rurka szklana. Gdy do dolnego wylotu rurki zbliżymy otwarty ogień, np. zapałkę, to zaraz pojawi się płomień. Bierze się on stąd, że w środkowej partii płomienia świecy tuż nad knotem są lotne palne pary.

To doświadczenie ze świeczką jest proste i zrozumiałe, ale ciągle jeszcze nie znamy odpowiedzi na pytanie, dlaczego płomień świeci. Po opisie palnika tlenowo-wodorowego, którego płomień jest jednoznacznie niewidoczny, pytanie zmodyfikujemy. – Dlaczego niektóre płomienie, takie jak świecy, nafty czy benzyny, świecą, a inne jak np. wodorowy – nie?

Spróbujmy to wyjaśnić. Gdy spalamy substancje organiczne, a więc stearynę, acetylen, naftę, denaturat, gaz ziemny czy węgiel, to z rozkładu tych ciał powstają bardzo rozdrobnione cząstki węgla. Ich obecność możemy bardzo łatwo stwierdzić zarówno wizualnie, jak i doświadczalnie. Fakt, że powstały z organicznych substancji płomień świeci, jest dowodem częściowego spalania się cząstek węgla. To, że nie wszystkie gazowe substancje spalają się w płomieniu, wykazało doświadczenie ze świeczką.

Drugim dowodem obecności w płomieniu nafty, denaturatu czy stearyny cząstek węgla jest tak zwane kopcenie. Wystarczy przez płomień wymienionych substancji przesunąć powoli zimny pasek szkła albo biały porcelanowy spodek, żeby na szkle czy porcelanie osiadł czarny nalot sadzy, czyli właśnie cząstek węgla. Właśnie te nieopalone cząstki węgla, ogrzane do wysokiej temperatury, świecą.

Mamy więc namacalny dowód, że w płomieniu substancji organicznych przy niedostatecznym dopływie tlenu z powietrza zachodzi rozkład i wydzielony zostaje czysty węgiel w postaci sadzy. Użytkownicy lamp naftowych znali to zjawisko doskonale. Gdy knot był za bardzo wysunięty, to powstawała na nim zbyt duża ilość par nafty w stosunku do ilości dopływającego powietrza. To wtedy część par nafty zamienia się w sadzę. Mówi się, że lampa zaczyna „filować”. Objawem tego jest pokrycie się sadzą wnętrza szkła lampy, a jeśli proces taki trwałby dłużej, to płaskie powierzchnie w takim pomieszczeniu pokryłyby się osadem trudnościeralnej sadzy. (Dziś, kiedy lampy naftowe oglądamy już raczej w muzeach, warto pamiętać, że odkrył je, a może lepiej skonstruował Polak, Ignacy Łukaszewicz i w roku 1853 zastosował we Lwowie).

Teraz od substancji organicznych wydzielających w płomieniu cząstki węgla przejdziemy do metali świecących pod wpływem ogrzania.

Jak świecą metale?

Krótko mówiąc – różnie. Jedno co je łączy to fakt, że ogrzane do odpowiedniej temperatury – świecą. Ale natężenie i barwa emitowanego przez nie światła jest rozmaita.

Zacznijmy od najpopularniejszego przykładu, jakim jest żarówka. Po włączeniu prądu wolframowa spiralka, zwana fachowo żarnikiem, rozgrzewa się do ok. 2000°C i w tym stanie emituje promieniowanie zbliżone do światła białego.

Padło właśnie kilka nowych określeń, stąd żeby uniknąć nieporozumień, popatrzmy w tablicę 1 przedstawiającą widma emisyjne.

Pierwszy pasek od góry w tej tablicy to emisyjne widmo słoneczne. Właśnie to światło zwane jest białym. Jeżeli jednak to światło przepuścimy przez pryzmat, to otrzymamy widmo widzialne ciągłe utworzone z wiązek barwnych prążków o długości fali od 3900 A° do 7000 A° (1 A° =10–10 cm). W tym widmie barwy tęczy – od fioletu poprzez niebieską, zieloną, żółtą aż do czerwonej – tworzą jeden nieprzerwany obraz, czyli spektrum.

Zupełnie inny rodzaj widma emisyjnego dają metale ogrzane do odpowiedniej temperatury. Gdy atomy metali przez ogrzanie zostaną wprowadzone w stan pobudzenia, wtedy emitują promieniowanie o różnej długości fal. Nie jest to jednak widmo ciągłe, ale wiązka promieni o wąskim zakresie długości fal, którą nazywamy emisyjnym widmem prążkowym.

Jak świeci sód?

Dość teorii. Przechodzimy do doświadczeń. Niestety w domowym laboratorium będziemy mogli obserwować prążki widm emisyjnych tylko trzech metali – sodu, potasu i wapnia.

Na kawałeczek stalowej blachy trzymanej w szczypcach sypiemy odrobinę soli kamiennej NaCl, czyli chlorku sodu. Blaszkę wprowadzamy do płomienia palnika gazowego albo zwyczajniej kuchenki gazowej. (Bardzo korzystne byłoby prowadzenie doświadczeń w przyciemnionym pomieszczeniu). Od razu pojawi się bardzo intensywne światło żółte. Popatrzmy ponownie na tablicę 1. Wszystko się zgadza. Sód daje bardzo intensywny prążek żółty. W rzeczywistości pobudzone atomy sodu emitują bardzo blisko leżące, a więc prawie nakładające się prążki o długości fali 5890 A° i 5896 A°. Żółte linie sodu są tak intensywne, że są wykorzystywane do oświetlenia ulicznego. Intensywne żółte światło lamp sodowych doskonale zdaje egzamin tam, gdzie często pojawia się mgła. Światło białe, np. zwykłych reflektorów samochodowych, we mgle daje mleczną ścianę przed samochodem. A światło sodowe nie jest tak rozpraszane przez drobiny wody i umożliwia przez to widoczność nawet na kilkadziesiąt metrów. Żółte światło lamp sodowych wykorzystywali też różni oszuści. Takie przedmioty srebrne jak obrączki, spinki czy broszki w świetle sodowym mają wygląd złota. Bardzo niska cena takich niby-złotych wyrobów skusiła do kupna już niejednego naiwnego.

Kłopoty z potasem

I znów rzut oka na tablicę 1. W czwartej linijce widzimy w widmie emisyjnym potasu dwa prążki. Ponieważ związki tego metalu są względnie dostępne, spróbujemy wykonać doświadczenie, żeby w płomieniu samemu zobaczyć emisyjne prążki. Łatwo dostępne sole potasu to:

– saletra potasowa KNO3, a więc nawóz sztuczny i środek do konserwacji mięsa,

– nadmanganian potasu KMnO3 – lek stosowany w roztworach do dezynfekcji,

– chlorek potasu, KCl – lek o nazwie kaldyum.

Z tablicy wynika, że potas barwi płomień na niebieskofiołkowo. Tak jak poprzednio przy badaniu widma sodu, na stalową blaszkę trzymaną w szczypcach sypiemy odrobinę soli potasu i blaszkę wprowadzamy do płomienia palnika. Czekamy kilka sekund i jeszcze kilka, ale płomień ma stale barwę żółtą i żółtą. Nawet po kilku minutach nie zobaczymy spodziewanego fioletu. A powodem naszego niepowodzenia jest wszędobylski sód. To jego obecność tak silnie barwi płomień na żółto, że całkowicie maskuje fioletowy pasek potasu.

Czy jest na to jakaś rada, jakieś wyjście?

Jest. Musimy tylko patrzeć na płomień przez niebieski filtr. Takim powszechnie przez chemików używanym filtrem jest tak zwane szkiełko kobaltowe. Sole kobaltu dodane do wytopu barwią masę szklaną na ciemnoniebiesko.

Oczywiście w domowych warunkach szkiełka kobaltowego nie wytworzymy, ale jeśli go nie kupimy, to z pełnym powodzeniem do naszego doświadczenia użyjemy filtru cieczowego. Za tą szumną nazwą kryje się po prostu woda zabarwiona na ciemnoniebiesko i wlana do małej płaskiej buteleczki. Najodpowiedniejszym barwnikiem byłoby indygo, ale z powodzeniem możemy użyć barwnika niebieskiego z kompletu stosowanego do jajek wielkanocnych.

Zanim przystąpimy do badania emisyjnego widma potasu, mała lekcja z ostrożności przed wszechobecnym sodem. Weźmy kawałek cienkiego drutu stalowego i jego koniec wprowadźmy do płomienia palnika gazowego. Poczekajmy, aż końcówka rozgrzeje się do czerwoności, ostudźmy ją, zanurzmy w 10% kwasie solnym i ponownie ogrzejmy w płomieniu do czerwoności. Opisane doświadczenie ma na celu oczyszczenie końcówki drutu stalowego z wszelkich zanieczyszczeń. W ten sposób oczyszczoną końcówkę drutu, oczywiście po zupełnym ostygnięciu, ściskamy dwoma palcami i znów wprowadzamy do płomienia. Natychmiast pojawi się dobrze nam znana żółta barwa widma sodu. Niech to będzie dla nas ostrzeżeniem, że sód jest niemal wszechobecny. Wystarczy już dotyk palca, żeby drucik został nim zanieczyszczony. To właśnie stąd jest konieczny niebieski filtr. Inaczej nie zobaczymy fioletowego prążka widma potasu .

Filtr gotowy, a więc czas wziąć się do roboty.

Koniec cienkiej stalowej blaszki czyścimy przez kilkakrotne ogrzewanie w płomieniu po poprzednim zwilżeniu 10% HCl. Na tak oczyszczoną blaszkę sypiemy odrobinę jednego z już podanych związków potasu. Teraz blaszkę z solą wprowadzamy do płomienia palnika i obserwujemy barwę płomienia poprzez szkiełko kobaltowe czy filtr wykonany z zabarwionej wody.

Ci eksperymentatorzy, którzy pracowali czysto i starannie, w nagrodę zobaczą fioletową barwę płomienia.

Świecenie cyny

Teraz płomień palnika pomoże nam przy wykrywaniu cyny.

Po pierwsze, rozpuśćmy kawałeczek cyny na gorąco w kwasie solnym. W ten sposób otrzymamy roztwór chlorku cyny (II)

Sn + 2HCl ––––> SnCl2 + H2

Do tego celu możemy użyć cyny stosowanej do lutowania albo po prostu zeskrobanej z puszek po konserwach w miejscach ich łączenia. Teraz wlewamy do małej zlewki 10–15 cm3 rozcieńczonego kwasu solnego HCl i około 4 kropli roztworu SnCl2, a następnie wrzucamy do środka kawałeczek blaszki cynkowej. Do burzącej się i syczącej zawartości zlewki zanurzamy teraz czystą, napełnioną wodą probówkę i zaraz wkładamy ją w górną część płomienia palnika gazowego .

Przypatrzmy się uważnie wyglądowi probówki w płomieniu. Najlepiej będzie to zrobić na tle czarnego papieru postawionego za palnikiem i w przyciemnionym pomieszczeniu.

No i jaki efekt?

Dolna powierzchnia probówki pokryje się wyraźnie niebieskawą poświatą. Po chwili świecenia poświata zniknie, ale wystarczy probówkę znów włożyć do zlewki i wprowadzić do płomienia, a pojawi się znowu.

Jeżeli więc chcemy wykryć cynę, kawałeczek badanego metalu rozpuszczamy w kwasie solnym i kilka kropli tego roztworu wlewamy do naczynia, w którym odbywa się reakcja cynku z kwasem solnym. Cynk i kwas solny potrzebne są tutaj po to, żeby dostarczyć pęcherzyków wodoru. Jeżeli badany stop zawiera cynę, wtedy lotny związek cyny z wodorem osiada częściowo na powierzchni probówki, a wprowadzony razem z nią do płomienia wywołuje bardzo wyraźne i charakterystyczne świecenie.

To jest bardzo czuła reakcja, stąd pozwala na wykrywanie nawet minimalnych ilości cyny.

Świecenie boru

A teraz z kolei poznamy płomieniowe wykrywanie związków boru, pierwiastka o symbolu chemicznym B.

Zawierają go takie związki jak boraks – Na2B4O7, czy kwas borowy (tzw. kwas borny) – H3BO3.

Jeżeli więc chcemy wykryć bor, to musimy wykonać prosty przyrządzik. Do probówki dopasowujemy szczelny korek gumowy. W korku wiercimy otwór i osadzamy w nim cienką rurkę szklaną, która powinna być lekko zgięta i zwężona na jednym końcu, jak to zresztą dobrze widać na rysunku .

Po wyjęciu korka do probówki wsypujemy kilka gramów boraksu albo kwasu borowego, wlewamy

2–3 cm3 (ale nie więcej) kwasu siarkowego i na koniec 2–3 cm3 denaturatu. Probówkę zamykamy korkiem z rurką, potrząsamy kilka razy i wstawiamy do naczynia z wrzącą wodą. Po chwili do zwężonego wylotu rurki przykładamy zapaloną zapałkę. Natychmiast otrzymamy długi wąski język płomienia. Zwróćmy uwagę na jego barwę – jest wyraźnie zielona.

Właśnie ta wyraźnie zielona barwa płomienia dowodzi, że w probówce są związki boru. Zapamiętajmy, że jeżeli jakikolwiek związek boru ogrzejemy z kwasem siarkowym i denaturatem, to utworzą się lotne związki boru, które barwią płomień na zielono. A więc palą się uchodzące przez rurkę pary ogrzanego denaturatu, a zamieszczone z nim lotne związki boru barwią płomień na zielono.

Za miesiąc naszymi detektywami wykrywającymi różne pierwiastki będą perełki. Tak, perełki – fosforanowe i boraksowe.