Η χημεία των σπίρτων και των κεριών / The chemistry of matches and candles

Σκοπός της πειραματικής δραστηριότητας είναι να ενημερωθούν οι μαθητές ότι πίσω από προϊόντα καθημερινής χρήσης, όπως είναι τα σπίρτα και τα κεριά, υπάρχει η ‘‘μαγεία’’ της Χημείας.

Σπίρτα
Ο φώσφορος (P) είναι ο πρωταγωνιστής στο άναμμα ενός σπίρτου. Στα σύγχρονα σπίρτα χρησιμοποιείται μια αλλοτροπική του μορφή που ονομάζεται ερυθρός φώσφορος. Η τριβή της κεφαλής του σπίρτου με την ειδική επιφάνεια πάνω στο κουτί, η οποία περιέχει σκόνη γυαλιού, παράγει αρκετή θερμότητα ώστε να μετατρέψει ένα μέρος του ερυθρού φωσφόρου σε λευκό φώσφορο, ο οποίος και αναφλέγεται. Για να διατηρηθεί η φλόγα χρειάζεται περισσότερο οξυγόνο από ό,τι μπορεί να πάρει από τον αέρα, οπότε χρησιμοποιείται και χλωρικό κάλιο (KClO3). Καύσιμο είναι το θείο (S) και οξειδωτικό το χλωρικό κάλιο (KClO3). Σε ορισμένα σπίρτα η κεφαλή τους αντί για θείο περιέχει σουλφίδιο του φωσφόρου (P4S3).

Η κύρια χημική αντίδραση των σπίρτων είναι η ακόλουθη:

3P4(s) + 10KClO3(s) → 3P4O10(s) + 10KCl(s)

ή όταν έχουμε σουλφίδιο του φωσφόρου (P4S3):

3P4S3(s) + 16KClO3(s) → 6P2O5(s) + 16KCl(s) + 9SO2(g)

Το χλωρικό κάλιο (KClO3), είναι ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό, πολύ καλός οξειδωτικός παράγοντας και χρησιμοποιείται σε εκρηκτικά, πυροτεχνήματα, σπίρτα κ.λπ. Όταν αποσυντίθεται με θέρμανση ή/και παρουσία καταλύτη, απελευθερώνει μοριακό οξυγόνο:

2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

Η θερμότητα που παράγεται από τον φώσφορο είναι αρκετή για να αντιδράσει το χλωρικό κάλιο, και παράλληλα, να απελευθερώσει οξυγόνο. Αυτό το οξυγόνο ενώνεται με το θείο, επιτρέποντας στη φλόγα να διατηρηθεί για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα ώστε να ανάψουμε π.χ. ένα κερί. Επιπλέον, το ξύλο του σπίρτου εμποτίζεται με:
- Ζεστό κερί παραφίνης, ώστε η φλόγα να συνεχίσει να καίει στο ξύλο και
- Φωσφορικό Αμμώνιο (NH4)3PO4, το οποίο καταστέλλει τη φλόγα μετά από λίγο.

Κεριά
Κύριο συστατικό του μπορεί να είναι από:
- Κηρήθρα μέλισσας Το πιο γνωστό ζωικό κερί είναι το κερί της μέλισσας. Κύριο συστατικό του κεριού μέλισσας είναι ένας εστέρας γνωστός με την ονομασία παλμιτική μυρικύλη.
- Παράγωγα πετρελαίου Τα κεριά που προέρχονται από το αργό πετρέλαιο αποκαλούνται κεριά παραφίνης και είναι μίγματα κυρίως αλκανίων με αλυσίδες από 20 έως 40 άτομα άνθρακα.

Όταν ανάβουμε ένα κερί η θερμότητα της φλόγας λιώνει το κερί κοντά στο φυτίλι, εξατμίζει το υγρό κερί και το μετατρέπει σε θερμό αέριο. Τα εξατμιζόμενα μόρια αναρροφούνται στη φλόγα, όπου αντιδρούν με οξυγόνο και ελευθερώσουν θερμότητα, φως, υδρατμούς (H2O), διοξείδιο του άνθρακα (CO2), μονοξείδιο του άνθρακα (CO) ή/και αιθάλη (C). Περίπου το ¼ της ενέργειας που δημιουργείται από την καύση του κεριού παράγει φως, καθώς η θερμότητα της φλόγας ακτινοβολεί προς όλες τις κατευθύνσεις. Σε ορισμένες περιπτώσεις η φλόγα ενός κεριού τρεμοπαίζει. Αυτό οφείλεται σε άκαυστα σωματίδια αιθάλης που διαφεύγουν εξαιτίας της ατελούς καύσης.

Γιατί η φλόγα του κεριού πάντα δείχνει προς τα πάνω;
Όταν ένα κερί καίγεται, η φλόγα θερμαίνει τον κοντινό αέρα και αρχίζει να ανεβαίνει. Καθώς αυτός ο θερμός αέρας κινείται προς τα επάνω, αντικαθίσταται από ψυχρότερο αέρα στη βάση της φλόγας. Όταν ζεσταίνεται αυτός ο ψυχρότερος αέρας, ανεβαίνει ξανά προς τα πάνω. Αυτό δημιουργεί ένα ρεύμα μεταφοράς του αέρα, ο οποίος κινείται προς τα πάνω γύρω από τη φλόγα και της δίνει το επιμηκυμένο σχήμα της.

Οι επιστήμονες αναρωτήθηκαν πώς θα φαινόταν μια φλόγα κεριού στο διάστημα, όπου η έλξη βαρύτητας είναι ελάχιστη. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 επιστήμονες της NASA πραγματοποίησαν πολλά πειράματα μέσα σε διαστημικά λεωφορεία για να δουν πώς οι φλόγες των κεριών συμπεριφέρθηκαν στη μικροβαρύτητα. Όπως μπορούμε να δούμε από τις φωτογραφίες της NASA, μια φλόγα κεριού στην μικροβαρύτητα είναι σφαιρική αντί του επιμήκους σχήματός της στη Γη. Αυτό συμβαίνει επειδή χωρίς τη βαρύτητα, δεν υπάρχει καμιά κατεύθυνση προς τα πάνω για να ανέβει ο θερμός αέρας και να δημιουργήσει ένα ρεύμα μεταφοράς.

Τα κεριά των γενεθλίων που δεν σβήνουν
Το μυστικό για ένα αναφωτιστικό κερί είναι να προσθέσουμε κάτι στο φυτίλι που να αναφλέγεται από τη θερμή καύτρα του φυτιλιού. Η πιο συνηθισμένη ουσία που χρησιμοποιείται για τον σκοπό αυτό είναι το μαγνήσιο (σκόνη στο φυτίλι), το οποίο έχει χαμηλή θερμοκρασία ανάφλεξης, περίπου 430 οC.