Зададимся детским вопросом: почему свеча горит? Если поджечь один фитиль, он сгорит почти мгновенно. Его аналог — бикфордов шнур, или пропитанная селитрой нитка, горит со скоростью 1 см в секунду. Чтобы присоединенный к нему заряд взорвался через минуту, шнур должен быть длиной около 60 см. Твердую свечную массу, не важно, парафин, стеарин или воск, не удастся даже поджечь. Для этого нужны очень высокие температуры. А свеча зажигается от одной спички и горит долго и ровно. На наших глазах она медленно тает и исчезает совсем (при условии хорошего горения). Куда она девается?
Посмотрим на составляющие свечной массы. Парафин — это минеральный воск, жироподобное твердое вещество, сложная смесь углеводородов состава CnH2n+2, где n принимает значения от 18 до 35. Получают его вытапливанием или кристаллизацией парафинового дистиллята, остающегося после выделения из нефти летучих фракций — бензина, керосина, лигроина и солярового масла. Чистый парафин имеет белый цвет, неочищенный — светло-коричневый. Плавится он при температуре от 45 до 60 C. Вязкость расплава мала.
Стеарин — это стеариновая кислота с примесью некоторых насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, например пальмитиновой и олеиновой. Пчелиный воск вырабатывают медоносные пчелы для строительства сот. Это твердое светло-желтое вещество с характерным запахом, по химическому составу — соединение сложных эфиров, свободных жирных кислот и воды. Температура плавления — от 60 до 70 C.
Давайте возьмем парафиновую свечу, расправим кончик фитиля, выглядывающий из верхнего края, и спичкой подожжем его. Пламя побежит по фитилю вниз и коснется парафина. Он начнет нагреваться и таять. На макушке свечи образуется ямка с лужицей расплавленного парафина в ней, как в чашечке. Внешняя часть свечи остается холодной, и ее можно спокойно держать в руках. В расплаве парафина фитиль меркнет и гаснет — в этом можно убедиться, резко опрокинув свечу: жидкость мгновенно затушит его. Значит, жидкий парафин, как и твердый, сам не горит. А фитиль горит только выше жидкой субстанции. Что же тогда является горючим и как оно попадает вверх, в зону горения?
Фитиль — туго скрученная двойная или тройная нитка — играет роль капилляра, по которому расплавленная свечная масса поднимается вверх. Капельки жидкого парафина втягиваются в щелки между нитями. Вспомним доисторические бесфитильные свечи из полых узких стеблей тростника. Там жидкий жир благодаря явлению капиллярного притяжения поднимался к верхушке сам, втягиваясь в мельчайшие поры на внутренней поверхности стебля.
В восковых свечах фитиль немножко другой — он не скручен туго, а имеет рыхлое плетение, поскольку расплавленный воск имеет вязкость много большую, чем парафин, и капилляры для него должны быть шире. Так расплавленные парафин или воск легко движутся наверх, в зону горения. Там они продолжают нагреваться, и с какого-то момента начинается процесс испарения. Вот эти-то пары парафина и горят! Окружающий воздух, а точнее кислород, будучи окислителем, поддерживает горение, и свеча, то есть газообразный парафин, горит чисто и ясно.
Накроем горящую свечу стеклянной банкой. Она быстро погаснет, и чем меньше будет банка, тем быстрее, потому что не будет притока воздуха. А если вместо воздуха подавать чистый кислород, горение будет еще ярче, активнее и... Этот опыт дома повторять не стоит — недалеко и до пожара. Азот, которого в воздухе более 70%, сдерживает горение, умеряет его.
Давайте понаблюдаем за пламенем свечи. Если нет дуновения ветра, оно ровное и спокойное, по форме напоминает вытянутую продолговатую каплю.
Факел пламени вытягивается холодными восходящими потоками воздуха. Они обхватывают его, и поэтому язычок пламени может подняться достаточно высоко. Они же охлаждают внешнюю поверхность свечи и не дают расплаву вылиться из «чашечки». На сквозняках пламя отклоняется, и жидкий парафин может пролиться — так на свече образуются наплывы-наросты. Пламя свечи не однородно, а состоит из нескольких зон. Вверху оно яркое, красно-желтое, а внизу темнее. Оно похоже на пламя горящей газовой горелки. В обоих случаях фронт горения, характеризующийся максимальной температурой, находится в зоне смешивания или диффузии газов (у свечи это парафиновые пары и кислород). Их постоянный подогрев происходит благодаря теплопроводности из фронта горения.
Часть пламени, прилегающая к фитилю, имеет сине-фиолетовый цвет. Именно здесь находятся тяжелые пары парафина, которые сгорают в исправно поступающем кислороде. В результате освобождается чистый углерод. Раскаленные крошечные частички угля ярко светятся при сгорании. Да, да, та самая противная черная сажа обеспечивает теплый желто-оранжевый свет свечи. Не успевший сгореть углерод (или кислорода мало, или неподходящий фитиль «подает» слишком много горючего) выпадает в виде сажи, и мы говорим, что свеча коптит.
Как вы думаете, в какой области факела пламя самое горячее? Около фитиля? Вовсе нет. Самый горячий фронт имеет форму кольца, центр которого — фитиль. Если пламя накрыть листком бумаги и быстро его поднять (а где у нас огнетушитель?), можно увидеть подпалину в виде ровного кольца. Таким образом, самая яркая часть пламени одновременно и самая горячая. Именно в этом кольце горит углерод. Внешняя часть пламени светится слабо — там углерода мало, а кислорода много.
А теперь давайте задуем свечу. Появится дымный запах, от фитиля потянется белесый шлейф. Если поджечь эту дымящуюся ленту, пламя побежит по ней назад к фитилю, и свеча опять загорится. Это значит, что дым задутой свечи есть не что иное, как остывающие пары парафина, которым не удалось сгореть.
Что происходит с углеродом? Он сгорает в кислороде, и образуется углекислый газ, не имеющий ни цвета, ни запаха и не поддерживающий горение. Он поднимается наверх и улетучивается. Второй продукт горения свечи — вода, выделяющаяся в виде паров. Обнаружить ее легко. Подержите над пламенем свечи холодный предмет, например ложку. Она запотеет, и на ней выпадет роса в виде капелек воды. Теперь мы можем описать горение парафиновой свечи химическим уравнением: CnH2n+2 + O2 = CO2 + H2O.
Вот такое непростое это явление — горение обычной свечи. Этот интереснейший физико-химический процесс был окончательно понят людьми только в XX веке на основе атомно-молекулярной теории строения вещества и законов химической кинетики — науки, изучающей механизмы и скорости протекания химических реакций. Полтора века назад великий ученый Майкл Фарадей написал: «Явления, наблюдающиеся при горении свечи таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут». В самом деле, горящая свеча демонстрирует нам физико-химические превращения, основанные на газовых законах и законе всемирного тяготения, явлениях конвекции, теплового расширения, капиллярного притяжения, диффузии и других.
