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Wie
definieren wir das Wort „Kerze‟? Wir könnten sagen, daß sie eine leicht
tragbare Quelle von Licht ist, aber sie hat einige Nachteile:
das Licht is nicht stark
wenn sie draußen
gebraucht wird, muß sie durch Glas- oder Plastikfenster geschützt werden
sie braucht eine Quelle
von unabhängiger Zündung
wenn sie nicht richtig
handhabt wird, kann sie eine Feuergefahr werden
Trotz dieser Nachteile,
werden wir sehen, daß die Kerze eigentlich ein Wunder von chemischer
Technik ist.
Bestandteile
Die
Kerze hat zwie Bestandteile: festen Brennstoff in der Form von Wachs
und einen eingelassen Docht, von faserigem Material gemacht.
Kerzenwachs
Kerzenwachs
ist normalerweise eine Mischung von Paraffins („Alkans‟ in chemischer
Ausdrucksweise) oder ähnlichen organischen Verbindungen. Das Wort
„Paraffin‟ ableitet sich von Latin und bedeutet „fehlen Neigung‟, damit
beschreibt es den Mangel von chemischer Reaktivität, es sei denn, sie
werden in der Auswesenheit von Sauerstoff oder
anderen
geeigneten Substanzen bedampft. Es gibt nur zwei Elemente, die
Kerzenwachs bilden: Kohlenstoff und Wasserstoff.
Kohlenstoff ist
einzig unter den Elementen, weil seine Atome sich zusammen in Ketten
und Ringe verbinden können, wenn es Moleküle formt. In Alkans wird
jedes Kohlenstoffatom zu zwei anderen Kohlenstoffatomen und zwei
Wasserstoffatomen verbunden. Am Ende der Kette wird der Kohlenstoff zu
drei Wasserstoffen verbunden. Jede Bindung besteht aus zwei geteilten
Elektronen, die die winzigen negativ geladenen Teilchen sind, die die
positiv geladenen Kerne von den Atomen umkreisen (Abb
1A).
So
können wir sehen, daß Alkans die allgemeine Formel C
nH2n+2 haben. Wenn
n = 1, ist das Molekül CH
4,
das wir als Methan kennen.Wenn
wir die
Kohlenstoffkette ausstrecken, produzieren wir (Abb
1B):
n =
2 C
2H6
ethane
n =
3 C
3H8
propane
n =
4 C
4H10
butane
Bemerkt daß,
wie die Kette länger wächst, die Möglichkeit sich zu gabeln sich
ergibt. So die zwei Isomer von Butan sind n-Butan und iso-Butan (Abb
2). Die zwei Isomer haben etwas andere chemische und
physische
Eigenschaften.
Bei Zimmertemperatur
sind die Alkans mit den
kürzesten Kohlenstoffketten Gase. Während die Kette sich
verlängert, werden die Verbindungen flüssig and dann fest. Die
Substanz, die wir als häusliches „Paraffin‟ (oder „Kerosin‟) kennen,
hat Kohlenstoffketten von etwa zehn Atomen. In Kerzenwachs sind die
Ketten von 20 bis 40 Kohlenstoffe lang, so es ist fester Stoff bei
Zimmertemperatur, aber es kann leicht geschmolzen und verdampft werden
durch das Auftragen von Hitze.
Kappilarwirkung
im Kerzendocht
Innerhalb
eines Körpers von Flüssigkeit wird jedes Molekül zu den umliegenden
Nachbarn angezogen. Wenn feste Gegenstände Flüssigkeiten berühren,
wirkt sich die Ausziehungskraft zwischen den Molekülen von der
Flüssigkeit und den vom festen Stoff auf das Benehmen der
Fläsche
der Flüssigkeit aus. Ein bekanntes Beispiel wird durch ein enges
Glasrohr gegeben, das in ein Gefäß hineingesteckt wird, das Wasser
hält. Die Ausziehungskraft zwischen den Wassermolekülen und den
Glasmolekülen übersteigt die Wasser-Wasser Anziehendkraft und so wird
das Wasser nach oben im Rohr gezogen, und die befeuchtete
Fläche
nimmt zu (Abb 3).
Wir nennen dieses
Phänomen „Kappilarewirkung‟.
Die gleiche Wirkung kann gesehen werden, wenn ein poröses Material (wie
Baumwollschnurr) in ein Gefäß hineingesteckt wird, das Flüssigkeit
hält. Die engen Lücken zwischen den Fasern ziehen die Flüssigkeit vom
Gefäß durch Kappilarewirkung. In einer beleuchteten Kerze wird
geschmolzener Wachs nach oben im Docht durch die gleiche Wirkung
gezogen.
Zündung
Wir haben schon bemerkt,
daß
Paraffinwachs in fester Form nicht reaktiv ist. Wir müssen irgendwie
die einzelnen Moleküle trennen, so daß sie leichter mit
Sauerstoffmolekülen in der Luft reagieren können. Wir tun dies in dem
wir eine Hitzequelle zum unbedeckten Docht halten. Der Docht wird
innerhalb seinen Fasergruppen festen Wachs haben. Die Hitze schmelzt
den angrenzenden Wachs und dann verdampft einiger von ihm, einzelne
Moleküle werden in der Luft freigelassen.
Die Sauerstoffmoleküle
in der Luft existieren wie Paare von Atomen. Jedes Atom wird zum
anderen durch zwei Doppelelektronpaare (vier Elektronen zusammen)
gehalten. Bei Zimmertemperatur sind die Sauerstoffmoleküle nicht sehr
reaktiv aber wenn wir eine Hitzequelle auftragen, werden einige von
ihren Elektronen zu höheren Energiestufen angeregt. Die Bindungen
werden geschwächt und diese angeregten Elektronen beginnen neue Partner
zu suchen, das die Reaktivität des Moleküles vergrößert.
Lasst
die Schlact beginnen!
Unsere
Hitzequelle hat uns eine Wolke von einzelnen verdampften Wachsmolekülen
angrenzend zum Kerzedocht gegeben, die mit Elektron-angeregten
Sauerstoffmolekülen von der Luft umgeben sind. Der Verbrennungprozess,
der folgt, kann am besten wie eine Massaker beschrieben
werden,
mit Atomen, Molekülen und Molekülteilchen Atome von einandere greifen
(Abb
4). Am Anfang, greifen die Elektron-angeregten
Sauerstoffmoleküle Wasserstoffatome von den Wachsmolekülen an. Die
Folge ist Radikal, das eine Wasserstoff-Sauerstoff-Sauerstoff Kreuzung
ist, dessen wichtigstes Merkmal ein unpaariges Elektron ist. Dieses
Radikal ist
sehr reaktionsfreudig und wird andere Moleküle und
Radikale angreifen, um einen Partner für sein unpaariges Elektron zu
finden. Im Malstrom von Verbrennung, der folgt, werden einige von den
Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen in den Wachsmolekülen auch gebrochen,
Kohlenwasserstofferadikale und einzelne Kohlenstoffatome werden mit
unpaarigen Elektronen produziert. Es gibt Hunderte von
Zwischenreaktionen, die während des Verbrennungprozesses weitergehen.
Einige von den möglichen Zwischenprodukten werden hier gezeigt.
Diese
Produkte einschließlich Kohlenmonoxid und neue Sauerstoffmoleküle
können natürlich Wachsmoleküle wieder angreifen. Die Endprodukte sind
Moleküle von Wasser und Moleküle von Kohlendioxid. Die Oxidation der
Wachsmoleküle lässt Hitze frei, die noch festen Wachs schmelzt, das
durch Kappilarewirkung nach oben im Docht reihum gezogen und verdampft
wird. So ist der Verbrennungprozess selbsterhaltend, und die Kerze
setzt fort mit dem Brennen, nach dem wir die ursprüngliche Hitzequelle
entfernen.
Die
Kerzenflamme
Das offensichtlichste
Bestandteil in der Kerzenflamme ist sein goldnerer Schein, der die
Absicht der Kerze ist. Wie ergibt sich dieses Phänomen vom
Verbrennungprozess? Wir sahen oben, daß eins von den Zwischenprodukten
atomischer Kohlenstoff ist, mit den einzelnen Atomen die verzweifelt,
Partner für ihre unpaarige Elektronen suchen. Eine Methode, damit
paaren erreicht werden kann, ist sich mit anderen Kohlenstoffatomen zu
verbinden, so daß Elektonbindungen zwischen ihnen wiedergebracht werden
können. Das führt zu der Formung von Kohlenstoffteilchenen, oder Ruß.
In diesen Teilchen teilen die Kohlenstoffatome ihre Elektrone in beide
„üblichen‟ gepaarten Bindungen und auch in anderen komplizierteren
Anordnungen. Die Hitzeenergie, die während der Verbrennung freigelassen
wird, erhöht die Temperatur dieser Rußteilchen bis zum Erglühen, daß
den Schein der Flamme erzeugt. Natürlich werden bald diese heißen
Kohlenstoffteilchen von freien Sauerstoffmolekülen angegriffen, daß
Kohlendioxid formt (Abb
5).
Unterhalb der
leuchtenden Fläche der Flamme
kann eine blaue Region von Flamme gesehen werden (Abb 6).
In
dieser
Region werden Moleküle von Kohlenmonoxid, die während der Zwischenphase
des Verbrennungprozesses geformt wurden, wieder in Kohlendioxid
oxydiert. Das blaue Licht wird ausgestrahlt, wenn angeregte Elektronen
zu tieferen Energiestufen zurück sinken.
Dochtbeschneiden
Ein
Problem, das sich auf frühere Versionen von Kerzen auswirkte, ergab
sich, wenn der feste Wachszylinder herunterbrannte, daß eine zunehmende
Länge von Docht freilegte. Der Docht würde endlich zusammenbrechen und
würde geschmolzenen Wachs hinunter kleckern. Außerdem würde es die
Kerze verunstalten, wenn sich der zusammengebrochene Docht mit dem
Verbrennungprozess einmischte , dann führte das zu einer instabilen
rauchenden Flamme.
Eine Methode, mit dem
Problem zu handeln, war
Dochttrimmer zu gebrauchen, die einer Schere glich, die Länge von
freigelegtem Docht zu reduzieren. Eine bessere Lösung war die Erfindung
des selbsttrimmenden Dochtes, wie auf modernen Kerzen finden. Das
Dochtmaterial wird geflochten, so daß es sich lockt, wie seine
freigelegte Länge zunimmt. Bei dieser Methode verbraucht das Teil der
Flamme, das am heißesten ist (an seinem Rand) das Ende des Dochtes, wie
die Kerze verbrennt (Abb 7).
Die
Funktion von modernen Kerzen
Obwohl nicht mehr als
eine Hauptlichtquelle gebraucht, hat die bescheidene Kerze heute
nützliche Funktionen:
als eine Notquelle von
Licht
für dekorative Zwecke
als ein Spender von
Düften, wenn der Wachs mit geeigneten Substanzen behandelt wird
Sie
gaben ihr Alles für euch
So,
sie kann bescheiden sein, aber ihr werdet verstehen, daß die Kerze
tatsächlich ein kluges Beispiel von chemischer Technik ist. Und das
nächste Mal, das ihr über jene warme, feine Kerzenflamme staunt,
erinnert euch, daß Trillionen von Atomen und Molekülen zum Tode
kämpfen. Sie opfern sich, nur, um euch im sanften Glühen von goldenen
Licht zu bestrahlen.
How do we define the
word 'candle'? We could say it is an easily portable source of light,
but it has several drawbacks:
the light is not strong
when used outdoors it
must be shielded by glass or plastic windows
it needs an independent
ignition source
when not properly
handled it can become a fire hazard
Despite these drawbacks,
we'll see that the candle is in fact a marvel of chemical engineering.
Components
The candle has two
components: solid fuel in the form of wax and an embedded wick made of
fibrous material such as cotton.
Candle
wax
Candle
wax is usually a mixture of paraffins ('alkanes' in chemical parlance)
or similar hydrocarbon organic compounds. The word 'paraffin' derives
from Latin and means 'lacking affinity', thereby describing the lack of
chemical reactivity of paraffins unless they are vapourised in the
presence of oxygen or other appropriate substances. There are just two
elements making up paraffin wax: carbon and hydrogen.
Carbon is
unique amongst the elements because its atoms can link together in
chains and rings when forming molecules. In alkanes, each carbon atom
is bonded to two other carbon atoms and two hydrogen atoms. At the end
of the chain the carbon is bonded to three hydrogens (Fig
1A). Each
bond comprises two shared electrons, which are the tiny negatively
charged particles orbitting the positive nuclei of the atoms.
Thus
we can see that alkanes have the generic formula C
nH2n+2. When n = 1
the molecule is CH
4,
which we know as methane. If
we extend the carbon
chain we produce (Fig 1B):
n =
2 C
2H6
ethane
n =
3 C
3H8
propane
n =
4 C
4H10
butane
Note
that as the chain grows longer, the possibility of branching arises. So
the two isomers of butane are n-butane and iso-butane (Fig
2). The two
isomers have slightly different chemical and physical properties.
At
room temperature the alkanes with the shortest carbon chains in their
molecules are gases. As the chain lengthens the compounds become liquid
and then solid. The substance that we know as domestic 'paraffin' (or
kerosene) has carbon chains of approximately ten atoms. In candle wax
the chains are 20 to 40 carbons long, so it is a solid at room
temperature but can be readily liquified and vapourised by the
application of heat.
Capillary
action in the candle wick
Within
a body of liquid each molecule is attracted to the neighbours
surrounding it. When solid objects come into contact with liquids the
attraction between the molecules of the liquid and those of the solid
affects the behaviour of the surface of the liquid. A well known
example is given by a narrow glass tube inserted into a vessel
containing water. The attraction between the water molecules and the
glass molecules exceeds the water-water attractive force and so the
water is pulled up into the tube, increasing the 'wetted' area (Fig
3).
We call this phenomenon capillary action. The same effect can be seen
when a porous material (such as cotton string) is inserted into a
vessel containing liquid. The narrow gaps between the fibres draw the
liquid away from the vessel by capillary action. In a lit candle,
molten candle wax is drawn up the wick by the same action.
Ignition
We
have already noted that paraffin wax is not reactive in solid form. We
must somehow separate the individual molecules so that they can more
readily react with oxygen molecules in the air. We do this by holding a
heat source to the exposed wick, which will have within its fibres
clusters of solid wax molecules. The heat melts the adjacent solid wax
and then vapourises some of it, releasing individual molecules into the
atmosphere.
The oxygen molecules in
the air exists as pairs of
atoms. Each atom is held to the other by two double-electron pairs
(four electrons altogether). At room temperature the oxygen molecules
are not highly reactive but if we apply a heat source some of their
electrons are excited to higher energy levels. The bonds are weakened
and these excited electrons start to look for new partners, which
increases the reactivity of the molecule.
Let
battle commence!
Our
heat source has given us a cloud of individual vapourised wax molecules
adjacent to the candle wick surrounded by electron-excited oxygen
molecules from the air. The combustion process which follows can best
be described as a massacre, with atoms, molecules and molecule
fragments tearing atoms from each other. To begin with, the
electron-excited oxygen molecules wrench hydrogen atoms away from the
wax molecules. The result is a radical, comprising a
hydrogen-oxygen-oxygen hybrid, whose most important feature is an
unpaired electron. This radical is very highly reactive and will attack
other molecules and radicals, seeking a partner for its unpaired
electron. In the maelstrom of combustion some of the carbon-carbon
bonds in the wax molecules are also broken, producing hydrocarbon
radicals and individual carbon atoms with unpaired electrons. There are
hundreds of intermediate reactions going on during the combustion
process. Some of the possible intermediate products are shown here (Fig
4), including carbon monoxide molecules and new oxygen
molecules, which
of course can attack wax molecules again. The end products are
molecules of water and molecules of carbon dioxide. The oxidation of
the wax molecules releases heat, which melts more solid wax, which is
in turn drawn up the wick by capillary action and vapourised. Thus the
combustion process is self-sustaining and the candle will continue to
burn after we remove the initial ignition source.
The
candle flame
The
most obvious component in the candle flame is its golden glow, which is
the purpose of the candle. How does this phenomenon arise from the
combustion process? We noted above that one of the intermediate
combustion products is atomic carbon, with the individual atoms
desperate to find partners for their unpaired electrons. One method of
achieving pairing is to combine with other carbon atoms so that
electron bonds can be restored between them, resulting in the formation
of carbon particles, or soot. In these particles the carbon atoms share
their electrons in both 'standard' paired bonds and other more complex
arrangements. The heat energy released during the combustion processes
raises the temperature of these particles of soot to incandescence,
producing the glow of the flame. Of course, before too long these hot
carbon particles are also attacked by free oxygen molecules, forming
carbon dioxide (Fig 5).
Below the luminous area
of the flame can
be seen a blue-coloured region of flame (Fig
6). In this region,
molecules of carbon monoxide formed during the intermediate stage of
the combustion process are being further oxidised into carbon dioxide
and the blue light is emitted when excited electrons drop back to lower
energy levels.
Wick
trimming
A problem afflicting
earlier
versions of candles arose when the solid wax cylinder burned down,
exposing an increasing length of wick, which would eventually collapse
and dribble molten wax down the side of the candle. Besides disfiguring
the candle, the collapsed wick also interfered with the combustion
process, leading to unstable, smoky flame generation.
A method
of dealing with the problem was to use wick-trimmers, which resembled
scissors, to reduce the length of exposed wick. A better solution was
the invention of the self-trimming wick, as found on modern candles.
The wick material is braided in such a way that it curls as its exposed
length increases. In this way the hottest part of the flame (at its
edge) consumes the end of the wick as the candle burns (Fig
7).
The
function of modern candles
Although no longer used
as a primary light source, the humble candle these days still has
useful functions:
as an emergency source
of light
for decorative purposes
as a dispenser of
fragrances when the wax is treated with appropriate substances
They
gave their all for you
So,
it may be humble, but you will appreciate that the candle is indeed a
clever example of chemical engineering. And the next time you marvel at
that warm, delicate candle flame, remember that trillions of atoms and
molecules are fighting to the death, sacrificing themselves just to
irradiate you in the soft glow of golden light.
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