A je úplne jedno, či sa bavíme o luxusnej parfumovanej sviečke so zlatým gravírovaním alebo o triviálnom voskovom šúľku z balíčka na prežitie – v oboch prípadoch ide v princípe o to isté: horľavý knôt obalený tuhým palivom. Sviečky existujú približne už 5 000 rokov a v priebehu času ich vynaliezaví ľudia postupne zhotovovali z rôznych, a to najmä živočíšnych surovín. Či už to bol obligátny včelí vosk, exotické jačie maslo, alebo dokonca aj sušené ryby. Jednoducho, čo príroda dala.
Kvalitné sviečky sa pred dvesto rokmi vyrábali napríklad zo spermacetu, voskovitej hmoty, získavanej z lebečnej dutiny vorvaňa tuponosého (Physeter macrocephalus). Keďže ide o jedného z najväčších cicavcov, asi neprekvapí, že z pätnásťmetrového exemplára sa vydolovali aj tri tony (!) sviečkového paliva. Uloviť obrovské vodné zviera však dozaista nebola každodenná záležitosť, a aj preto sa drvivá väčšina vtedajších sviečok vyrábala z oveľa dostupnejšieho tuku hovädzieho dobytka, oviec alebo ošípaných.
A hoci bol mastný zoomateriál pomerne lacný, s jeho kvalitou to už bolo podstatne horšie. Lojové sviečky totiž pri horení produkovali ťažký a smradľavý dym, čím dokázali udusiť aj ten najmenší náznak romantiky hneď v zárodku. Oveľa prijateľnejšou alternatívou boli sviečky z včelieho vosku. Horeli prakticky bezdymovým plameňom a ešte navyše aj krásne voňali. Boli však vzácne, a teda drahé, preto si ich mohli dovoliť iba zámožní občania a, samozrejme, bohatá cirkev. Ale čo majú spoločné včelie plásty, maslo z jaka, veľrybí tuk a bravčová slanina, ak je z toho všetkého možné vyrobiť funkčnú sviečku? Nuž, ide o univerzálne palivo, ktoré je známe pod spoločným názvom uhľovodíky.
.palivo
Úplnú revolúciu vo výrobe sviečok však spôsobil až objav parafínu v polovici 19. storočia. Od toho momentu bolo nielen možné produkovať sviečky masovo a lacnejšie, ale tie ešte navyše aj horeli vcelku slušne a esteticky. Parafín je vedľajší produkt destilácie surovej ropy a drvivá väčšina sviečok sa dnes vyrába práve z neho.
Relatívne mäkký voskový materiál sa skladá zo zmesi nasýtených uhľovodíkov (alkánov), pozostávajúcich z 20 až 40 atómov uhlíka v rámci jedného reťazca. A práve tie prepožičiavajú parafínu unikátnu kombináciu požadovaných vlastností: zatiaľ čo za izbovej teploty je dostatočne tuhý, pôsobením horúceho plameňa sa pomaly topí, vďaka čomu môže sviečka horieť. Bod topenia parafínu je pritom úmerný počtu uhlíkov v reťazci. Čím je dlhší, tým väčšia je mólová hmotnosť príslušného uhľovodíka a s ňou súvisí vyššia teplota topenia vosku. Dôsledkom potom je, okrem iného, aj proporčne dlhší čas horenia sviečky. Parafín má však ešte jednu zaujímavú a celkom užitočnú vlastnosť – mimoriadne odpudzuje vodu. Nuž, a keďže tá má väčšiu hustotu ako vosk, zapálené čajové sviečky v nej dokážu nádherne plávať.
.knôt
Ako je parafín telom, tak je knôt dušou každej sviečky. Najčastejšie sa skladá z pevne spletených vlákien prírodnej bavlny alebo syntetického nylonu. Všetky knôty sa však pred použitím do sviečok impregnujú – paradoxne – spomaľovačmi horenia. Ak by tomu tak nebolo, knôt by veľmi rýchlo zhorel a sviečka by vôbec nefungovala. Zatiaľ čo nasýtenie knôtu dusičnanom amónnym zabezpečí jeho akurátnu horľavosť, prídavok kyseliny boritej zaručí, že po sfúknutí plameňa sviečky už knôt nebude ďalej tlieť. Kľúčovou úlohou knôtu je však „nacucnúť“ teplom roztopený parafín a následne ho priviesť do plameňa, aby tam mohol (z)horieť.
To však nie je celkom triviálna úloha, lebo pre správne fungovanie sviečky je nutné dosiahnuť ideálnu rovnováhu medzi množstvom roztopeného a zhoreného vosku. Ak by totiž knôt nasával príliš málo tekutého parafínu, jeho prebytok by sa zhromažďoval tesne pod plameňom, až by ho nakoniec zalial a uhasil. Naopak, ak by knôt dodával plameňu príliš veľa tekutého vosku, ten by nemal čas kompletne zhorieť a sviečka by začala dymiť.
Čo sa teda deje v optimálnom prípade? Nuž, zapálený knôt rýchlo zohreje studený povrch tuhého parafínu, ktorý sa začne topiť. Vznikne malilinké jazierko tekutého vosku, ktorý je kapilárnymi silami materiálu knôtu unášaný až na jeho horný koniec. Tu dochádza k splyneniu kvapalného parafínu, ktorého pary následne začnú horieť. Vosk sa totiž nikdy nespaľuje v tuhom alebo tekutom stave, ale výlučne len vo forme uhľovodíkových pár. Uvoľnené teplo následne roztápa čoraz viac vosku a sviečka horí až dovtedy, kým sa jej neminie všetko parafínové palivo.
.plameň I.
Ako každé horenie organického materiálu, aj spaľovanie parafínu je z chemického hľadiska exotermickou (teplo uvoľňujúcou) oxidáciou. Zjednodušene povedané, uhľovodíky reagujú so vzdušným kyslíkom za vzniku vody a oxidu uhličitého, pričom sa zároveň produkuje svetlo a teplo. (Pre špecialistov: vysokoteplotnou pyrolýzou alkánov dochádza k vzniku rôznych C, H, O-radikálov, ktoré sa vzájomne rekombinujú.)
Keď sa zblízka a poriadne zahľadíme do horiacej sviečky, všimneme si minimálne tri, bystrozrakejší aj štyri rôzne farby jej plameňa: oranžovú a červenohnedú tesne nad knôtom (tmavá zóna), modrú pro okrajoch (emisná zóna) a nakoniec typickú žltú farbu celej zvyšnej časti plameňa (svetlá zóna). Každá z nich, samozrejme, zodpovedá špecifickým chemickým dejom.
Na úplnom spodku plameňa dochádza vďaka dobrému nasávaniu vzduchu k úplnému spaľovaniu parafínu, čo sa prejaví modrým sfarbením podobne, ako je to pri plynových horákovch. (Pre fajnšmekrov: modrú emisiu spôsobuje chemiluminiscencia excitovaných CH-radikálov.) Nečudo, že v tejto časti plameňa dosahuje teplota okolo 1 400° C.
Paradoxne, len o kúsok vyššie sa nachádza jeho najstudenšia časť. Plameň v tesnej blízkosti knôtu má totiž „len“ osemsto stupňov Celzia a to z dôvodu značne obmedzeného prístupu kyslíka do tejto vnútornej oblasti. Spaľovanie vosku je tým pádom nekompletné a dochádza k vzniku a hromadeniu sadzí (mikročastíc uhlíka), čo sa prejaví viditeľne tmavšími odtieňmi červenej a žltej.
Nuž a nakoniec najväčšiu, a nepochybne aj najkrajšiu časť plameňa sviečky tvorí intenzívne svietiaca vrchná žltá zóna. Jej teplota sa pohybuje medzi hodnotami oboch nižšie položených oblastí a dosahuje približne 1 200° C. Keďže aj do tejto časti plameňa má vzduch obmedzený prístup, parafín sa tu nespaľuje kompletne, hoci predsa len v oveľa väčšej miere, ako v studenšej tmavej zóne. V každom prípade, zďaleka nie všetky molekuly parafínu tu zhoria na vodu a oxid uhličitý, zvyšok sa premení na atómy a molekuly uhlíka. Dá sa o tom presvedčiť veľmi jednoduchým pokusom: stačí podržať čisté sklíčko nad plameňom voskovej sviečky a za pár sekúnd sa pokryje nepriehľadnou vrstvou čiernych sadzí. Fajn, ale prečo potom vydáva zapálená sviečka to krásne žlté svetlo? Paradoxne, práve vďaka nespáleným čiastočkám čierneho uhlíka, ktorý má tú unikátnu vlastnosť, že pri teplotách nad tisíc stupňov začína jasne žiariť. V tomto prípade už nejde o chemickú reakciu, ale o fyzikálny proces a zároveň dokonalú optickú ilúziu. Prehriate mikročastice sadzí totiž premieňajú svoju „nadbytočnú“ tepelnú energiu na viditeľné svetlo, ktorého červená a žltá spektrálna zložka sú však oveľa intenzívnejšie ako modrá farba. Summa summarum tak horúci plameň sviečky nakoniec vnímame zrakom ako žltý.
.plameň II.
Horeuvedené skutočnosti však platia len za predpokladu, že na horiacu sviečku zároveň pôsobí gravitačná sila. Za týchto okolností je plameň vždy kónický – naspodku rozšírený a smerom nahor sa zoštíhľuje – z dôvodu prúdenia (konvekcie) v smere opačnom, než naň pôsobí zemská príťažlivosť. Vznikajúci horúci plyn je totiž ľahší ako okolitý studenší vzduch, ktorý je tým pádom nasávaný zdola a z bokov plameňa. Prirodzene, aj vzduch navôkol sa teplom sviečky zahrieva a spolu so splodinami horenia následne putuje smerom nahor. Výsledkom je potom krásne žltý a vysoký plameň.
Bude však to isté platiť aj bezváhovom stave? Americká NASA sa pred časom rozhodla nájsť odpoveď. Astronauti na kozmických staniciach ISS a MIR uskutočnili sériu experimentov s horiacimi sviečkami v uzavretom kontajneri. Samozrejme, primárne im nešlo o vytvorenie vianočnej atmosféry vo vesmíre, skôr o získavanie dôležitých informácií ohľadom spaľovania rôznych materiálov, potenciálneho vzniku sadzí, ale najmä o možnostiach uhasenia prípadného ohňa v ich prechodných domovoch. A zistili veľmi zaujímavé veci. Úplne prvou a najbizarnejšou bola farba a tvar kozmického plameňa. Žiadna sviečka totiž nehorela štíhlym žltým plameňom, ale zásadne iba guľatým a navyše modrým! Pričom vyprodukované svetlo bolo také slabé, že astronauti mali problém rozpoznať, či sviečka vôbec horí.
Čo sa to stalo? Keďže kyslíka tam bolo dosť (aj kozmonauti musia dýchať), príčinou môže byť absencia konvekčného prúdenia v prostredí bez gravitácie. V bezváhovom stave totiž neexistuje „ľahší“ a „ťažší“ plyn, pretože všetko „váži“ rovnako. Preto spaliny nestúpajú nahor a ich výsledný tvar je guľatý. Dôsledkom toho je však relatívny nedostatok kyslíka na spaľovanie vosku a zároveň nahromadenie oxidu uhličitého v bezprostrednom okolí vesmírneho plameňa. Oba faktory tak spôsobia jeho výrazne nižšiu teplotu, vďaka čomu je nielen obmedzená tvorba väčších čiastočiek sadzí, ale tie ešte navyše ani nemôžu svietiť nažlto. Nuž, Vianoce v kozme asi nikdy nebudú také romantické, ako na Zemi.
Autor je chemik.
Kvalitné sviečky sa pred dvesto rokmi vyrábali napríklad zo spermacetu, voskovitej hmoty, získavanej z lebečnej dutiny vorvaňa tuponosého (Physeter macrocephalus). Keďže ide o jedného z najväčších cicavcov, asi neprekvapí, že z pätnásťmetrového exemplára sa vydolovali aj tri tony (!) sviečkového paliva. Uloviť obrovské vodné zviera však dozaista nebola každodenná záležitosť, a aj preto sa drvivá väčšina vtedajších sviečok vyrábala z oveľa dostupnejšieho tuku hovädzieho dobytka, oviec alebo ošípaných.
A hoci bol mastný zoomateriál pomerne lacný, s jeho kvalitou to už bolo podstatne horšie. Lojové sviečky totiž pri horení produkovali ťažký a smradľavý dym, čím dokázali udusiť aj ten najmenší náznak romantiky hneď v zárodku. Oveľa prijateľnejšou alternatívou boli sviečky z včelieho vosku. Horeli prakticky bezdymovým plameňom a ešte navyše aj krásne voňali. Boli však vzácne, a teda drahé, preto si ich mohli dovoliť iba zámožní občania a, samozrejme, bohatá cirkev. Ale čo majú spoločné včelie plásty, maslo z jaka, veľrybí tuk a bravčová slanina, ak je z toho všetkého možné vyrobiť funkčnú sviečku? Nuž, ide o univerzálne palivo, ktoré je známe pod spoločným názvom uhľovodíky.
.palivo
Úplnú revolúciu vo výrobe sviečok však spôsobil až objav parafínu v polovici 19. storočia. Od toho momentu bolo nielen možné produkovať sviečky masovo a lacnejšie, ale tie ešte navyše aj horeli vcelku slušne a esteticky. Parafín je vedľajší produkt destilácie surovej ropy a drvivá väčšina sviečok sa dnes vyrába práve z neho.
Relatívne mäkký voskový materiál sa skladá zo zmesi nasýtených uhľovodíkov (alkánov), pozostávajúcich z 20 až 40 atómov uhlíka v rámci jedného reťazca. A práve tie prepožičiavajú parafínu unikátnu kombináciu požadovaných vlastností: zatiaľ čo za izbovej teploty je dostatočne tuhý, pôsobením horúceho plameňa sa pomaly topí, vďaka čomu môže sviečka horieť. Bod topenia parafínu je pritom úmerný počtu uhlíkov v reťazci. Čím je dlhší, tým väčšia je mólová hmotnosť príslušného uhľovodíka a s ňou súvisí vyššia teplota topenia vosku. Dôsledkom potom je, okrem iného, aj proporčne dlhší čas horenia sviečky. Parafín má však ešte jednu zaujímavú a celkom užitočnú vlastnosť – mimoriadne odpudzuje vodu. Nuž, a keďže tá má väčšiu hustotu ako vosk, zapálené čajové sviečky v nej dokážu nádherne plávať.
.knôt
Ako je parafín telom, tak je knôt dušou každej sviečky. Najčastejšie sa skladá z pevne spletených vlákien prírodnej bavlny alebo syntetického nylonu. Všetky knôty sa však pred použitím do sviečok impregnujú – paradoxne – spomaľovačmi horenia. Ak by tomu tak nebolo, knôt by veľmi rýchlo zhorel a sviečka by vôbec nefungovala. Zatiaľ čo nasýtenie knôtu dusičnanom amónnym zabezpečí jeho akurátnu horľavosť, prídavok kyseliny boritej zaručí, že po sfúknutí plameňa sviečky už knôt nebude ďalej tlieť. Kľúčovou úlohou knôtu je však „nacucnúť“ teplom roztopený parafín a následne ho priviesť do plameňa, aby tam mohol (z)horieť.
To však nie je celkom triviálna úloha, lebo pre správne fungovanie sviečky je nutné dosiahnuť ideálnu rovnováhu medzi množstvom roztopeného a zhoreného vosku. Ak by totiž knôt nasával príliš málo tekutého parafínu, jeho prebytok by sa zhromažďoval tesne pod plameňom, až by ho nakoniec zalial a uhasil. Naopak, ak by knôt dodával plameňu príliš veľa tekutého vosku, ten by nemal čas kompletne zhorieť a sviečka by začala dymiť.
Čo sa teda deje v optimálnom prípade? Nuž, zapálený knôt rýchlo zohreje studený povrch tuhého parafínu, ktorý sa začne topiť. Vznikne malilinké jazierko tekutého vosku, ktorý je kapilárnymi silami materiálu knôtu unášaný až na jeho horný koniec. Tu dochádza k splyneniu kvapalného parafínu, ktorého pary následne začnú horieť. Vosk sa totiž nikdy nespaľuje v tuhom alebo tekutom stave, ale výlučne len vo forme uhľovodíkových pár. Uvoľnené teplo následne roztápa čoraz viac vosku a sviečka horí až dovtedy, kým sa jej neminie všetko parafínové palivo.
.plameň I.
Ako každé horenie organického materiálu, aj spaľovanie parafínu je z chemického hľadiska exotermickou (teplo uvoľňujúcou) oxidáciou. Zjednodušene povedané, uhľovodíky reagujú so vzdušným kyslíkom za vzniku vody a oxidu uhličitého, pričom sa zároveň produkuje svetlo a teplo. (Pre špecialistov: vysokoteplotnou pyrolýzou alkánov dochádza k vzniku rôznych C, H, O-radikálov, ktoré sa vzájomne rekombinujú.)
Keď sa zblízka a poriadne zahľadíme do horiacej sviečky, všimneme si minimálne tri, bystrozrakejší aj štyri rôzne farby jej plameňa: oranžovú a červenohnedú tesne nad knôtom (tmavá zóna), modrú pro okrajoch (emisná zóna) a nakoniec typickú žltú farbu celej zvyšnej časti plameňa (svetlá zóna). Každá z nich, samozrejme, zodpovedá špecifickým chemickým dejom.
Na úplnom spodku plameňa dochádza vďaka dobrému nasávaniu vzduchu k úplnému spaľovaniu parafínu, čo sa prejaví modrým sfarbením podobne, ako je to pri plynových horákovch. (Pre fajnšmekrov: modrú emisiu spôsobuje chemiluminiscencia excitovaných CH-radikálov.) Nečudo, že v tejto časti plameňa dosahuje teplota okolo 1 400° C.
Paradoxne, len o kúsok vyššie sa nachádza jeho najstudenšia časť. Plameň v tesnej blízkosti knôtu má totiž „len“ osemsto stupňov Celzia a to z dôvodu značne obmedzeného prístupu kyslíka do tejto vnútornej oblasti. Spaľovanie vosku je tým pádom nekompletné a dochádza k vzniku a hromadeniu sadzí (mikročastíc uhlíka), čo sa prejaví viditeľne tmavšími odtieňmi červenej a žltej.
Nuž a nakoniec najväčšiu, a nepochybne aj najkrajšiu časť plameňa sviečky tvorí intenzívne svietiaca vrchná žltá zóna. Jej teplota sa pohybuje medzi hodnotami oboch nižšie položených oblastí a dosahuje približne 1 200° C. Keďže aj do tejto časti plameňa má vzduch obmedzený prístup, parafín sa tu nespaľuje kompletne, hoci predsa len v oveľa väčšej miere, ako v studenšej tmavej zóne. V každom prípade, zďaleka nie všetky molekuly parafínu tu zhoria na vodu a oxid uhličitý, zvyšok sa premení na atómy a molekuly uhlíka. Dá sa o tom presvedčiť veľmi jednoduchým pokusom: stačí podržať čisté sklíčko nad plameňom voskovej sviečky a za pár sekúnd sa pokryje nepriehľadnou vrstvou čiernych sadzí. Fajn, ale prečo potom vydáva zapálená sviečka to krásne žlté svetlo? Paradoxne, práve vďaka nespáleným čiastočkám čierneho uhlíka, ktorý má tú unikátnu vlastnosť, že pri teplotách nad tisíc stupňov začína jasne žiariť. V tomto prípade už nejde o chemickú reakciu, ale o fyzikálny proces a zároveň dokonalú optickú ilúziu. Prehriate mikročastice sadzí totiž premieňajú svoju „nadbytočnú“ tepelnú energiu na viditeľné svetlo, ktorého červená a žltá spektrálna zložka sú však oveľa intenzívnejšie ako modrá farba. Summa summarum tak horúci plameň sviečky nakoniec vnímame zrakom ako žltý.
.plameň II.
Horeuvedené skutočnosti však platia len za predpokladu, že na horiacu sviečku zároveň pôsobí gravitačná sila. Za týchto okolností je plameň vždy kónický – naspodku rozšírený a smerom nahor sa zoštíhľuje – z dôvodu prúdenia (konvekcie) v smere opačnom, než naň pôsobí zemská príťažlivosť. Vznikajúci horúci plyn je totiž ľahší ako okolitý studenší vzduch, ktorý je tým pádom nasávaný zdola a z bokov plameňa. Prirodzene, aj vzduch navôkol sa teplom sviečky zahrieva a spolu so splodinami horenia následne putuje smerom nahor. Výsledkom je potom krásne žltý a vysoký plameň.
Bude však to isté platiť aj bezváhovom stave? Americká NASA sa pred časom rozhodla nájsť odpoveď. Astronauti na kozmických staniciach ISS a MIR uskutočnili sériu experimentov s horiacimi sviečkami v uzavretom kontajneri. Samozrejme, primárne im nešlo o vytvorenie vianočnej atmosféry vo vesmíre, skôr o získavanie dôležitých informácií ohľadom spaľovania rôznych materiálov, potenciálneho vzniku sadzí, ale najmä o možnostiach uhasenia prípadného ohňa v ich prechodných domovoch. A zistili veľmi zaujímavé veci. Úplne prvou a najbizarnejšou bola farba a tvar kozmického plameňa. Žiadna sviečka totiž nehorela štíhlym žltým plameňom, ale zásadne iba guľatým a navyše modrým! Pričom vyprodukované svetlo bolo také slabé, že astronauti mali problém rozpoznať, či sviečka vôbec horí.
Čo sa to stalo? Keďže kyslíka tam bolo dosť (aj kozmonauti musia dýchať), príčinou môže byť absencia konvekčného prúdenia v prostredí bez gravitácie. V bezváhovom stave totiž neexistuje „ľahší“ a „ťažší“ plyn, pretože všetko „váži“ rovnako. Preto spaliny nestúpajú nahor a ich výsledný tvar je guľatý. Dôsledkom toho je však relatívny nedostatok kyslíka na spaľovanie vosku a zároveň nahromadenie oxidu uhličitého v bezprostrednom okolí vesmírneho plameňa. Oba faktory tak spôsobia jeho výrazne nižšiu teplotu, vďaka čomu je nielen obmedzená tvorba väčších čiastočiek sadzí, ale tie ešte navyše ani nemôžu svietiť nažlto. Nuž, Vianoce v kozme asi nikdy nebudú také romantické, ako na Zemi.
Autor je chemik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.