احتراق شمعة

حادثة فيزيائية أم حادثة كيميائية ؟

من أجل التمييز بين الحادثتين الفيزيائية والكيميائية، يختار بعض الأساتذة مثالا شائعا عن الحادثة الكيميائية وهو «احتراق شمعة»، علما أن هذا المثال محفوف بالعديد من العوائق البيداغوجية والصعوبات العلمية ..

ما الذي يحترق الشمع أم الفتيل ؟ أم كلاهما ؟

وهل الشمع جسم كيميائي واحد أم ماذا ؟

هل يحترق الشمع وهو في حالته الصلبة ؟

انصهار الشمع وسيلانه، حادثة فيزيائية أم كيميائية ؟

انبعاث الضوء، هل هو حادثة كيميائية ؟

هباب الفحم الذي تنثره الشمعة، هل هو حادثة فيزيائية ؟

في الحقيقة تتضمن عملية احتراق الشمعة العديد من الحوادث الفيزيائية والكيميائية، سنحاول شرح بعض منها ..

مما تتكون الشمعة ؟

تتكون الشمعة من كتلة من الستيارين La Stéarine  مغلفة بطبقة من البارافين La Praffine ، يجتازها فتيل  مُضفر  une mèche tressée من خيوط القطن منقوعة في حمض البوريك L’acide borique .

الستيارين

الستيارين أو ثلاثي الستيارين هو من الدهون الثلاثية صيغته الكيميائية C₅₇H₁₁₀0₆، ويمكن اعتباره استرا ثلاثيا.

الستيارين عديم اللون والرائحة والطعم وموجود في كثير من الدهون النباتية والحيوانية، وهو المكون الرئيسي للدهون في لحوم البقر حيث يتلون باللون الأصفر بسبب  الكاروتين الموجود في العشب، وهو موجود أيضا في شحم سنام الإبل وفي زبدة الكاكاو.

تحت تأثير الصودا الكاوية NaOH ، يتحول الستيارين إلى ثلاثي ستيرات الصوديوم الذي يستخدم في إنتاج الصابون والشموع وفي الصناعات النسيجية.

معادلة احتراق الستيارين

البارافين

البارافينات هي فحوم هيدرجينية مشبعة، قريبة مع الألكانات، ذات جزيئات خطية صيغتها العامة C_nH_2n+2 .

• البارافين الصلب (الشمع): n من 20 إلى 40 .
• البارافين السائل (زيت البارافين): n من 8 إلى 19  .

يتم الحصول على البارافينات من تكرير البترول، وهي ذات لون أبيض في الحالة الصلبة، وشفافة وعديمة اللون في الحالة السائلة، عديمة الرائحة، وهي غير لاصقة على عكس شمع النحلة وبعض الشحوم النباتية. ينصهر البارافين بين 40 و 71 درجة مئوية.

ما هو مبدأ عمل الشمعة ؟

عندما نُشعل الشمعة ينصهر الشمع القريب من الفتيل، وهو الستيارين عند حوالي درجة الحرارة 55 C°، حيث يصعد الستيارين
المنصهر بفعل الخاصية الشعرية مع خيوط الفتيل، ليتحول في إعلى الفتيل من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، ابتداء من 400 °C إلى درجة الحرارة 900 C°، ليُكَوِّن مع أكسجين الهواء مزيجا غازيا قابلا للاشتعال.
درجة انصهار البارافين  57 C° وهي أكبر بقليل من درجة انصهار الستارين، هذا الاختلاف في درجة الانصهار يجعل  البارافين يشكل بوتقة يتجمع فيها الستارين المنصهر الذي يغمر جزء معتبرا من الفتيل.
الفتيل بدوره مصنوع من ضفيرة من الخيوط القطنية، ويقع في منطقة من الشعلة شديدة الحرارة، ويتحول الجزء المحترق منه إلى رماد، حيث يعمل حمض البوريك الذي يبلل خيوط الضفيرة على انحلال الرماد في الستيارين المنصهر  ..كل هذا يجعل من الشمعة وسيلة إنارة ذاتية العمل لساعات طويلة وبدون أي تدخل.

الشمع بنوعيه الستيارين أو البارافين لا يشتعل وهو في الحالة الصلبة أو السائلة، بل يجب أن يتحول إلى الحالة الغازية، ويمتزج مع أكسجين الهواء لتشكيل مزيج غازي قابل للإشتعال، وبالطريقة نفسها تعمل كل أدوات الإنارة التقليدية مثل المصابيح الزيتية أو تلك التي تعمل بالبترول ..

شُعلة الشمعة

يمكن أن نميز في شعلة الشمعة ثلاث مناطق متباينة، حيث توجد فوق الفتيل مباشرة منطقة داكنة تتشكل فيها الغازات القابلة للاشتعال، وبجوارها شعلة زرقاء هي المنطقة التي تشتعل فيها هذه الغازات مع أكسجين الهواء، درجة حرارة هذه المنطقة حوالي 1200 C°، تفاعل الاحتراق غير التام ينثر في المنطقة العلوية من الشعلة بقايا الفحم حيث تصل درجة الحرارة في المنطقة المضيئة من لهب الشمعة إلى ما يقارب 1500 C°. كلما تصاعدت الغازات الناتجة عن الاحتراق وذرات الفحم إلى أعلى تراجعت درجة حرارتها ليتحول لونها إلى البرتقالي أو الأحمر، وبعد أن تبرد بشكل كاف يتشكل هُبَاب الفحم الذي يميز شعلة الشمعة.
تنطفىء الشعلة عند تعرضها لتيار هوائي، لأن ذلك يؤدي إلى انخفاض محسوس لدرجة حرارة الستيارين فيتجمد في خيوط الفتيل ويتوقف الإحتراق وتنبعث الرائحة المميزة التي نشمها عند إخماد الشمعة هي رائحة بخار الستيرين المنصهر.

في النهاية ..

بعد كل هذا، هل احتراق الشمعة حادثة فيزيائية أم حادثة كيميائية ؟
رأينا مما تقدم أن احتراق الشمعة يتضمن العديد من الحوادث الفيزيائية والكيميائية

الحوادث الفيزيائية

• تحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة: انصهار كل من الستيارين والبارافين.
• تحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية: تبخر كل من الستيارين والبارافين.
• انبعاث الضوء بالآلية الحرارية: من تحويل حراري إلى تحول إشعاعي (ضوئي).
• انبعاث الضوء بالإصدار: إصدار ذرات الفحم داخل المنطقة البيضاء من لهب الشمعة.

الحوادث الكيميائية

• احتراق الستيارين
• احتراق البارافين
• تشكل هُباب الفحم
• احتراق القطن (الفتيل)