Pochylasz pusty z pozoru dzbanek nad świeczką, nic się z niego nie wylewa, a mimo to płomień nagle gaśnie. Wygląda to jak sztuczka magiczna, ale to czysta chemia: w naczyniu jest ciężki, bezbarwny gaz, który możesz przelewać prawie jak wodę.

Uwaga: Doświadczenie wymaga otwartego ognia. Wykonuj je z dorosłym, na stabilnym stole, z dala od papieru i zasłon. Włosy upnij, a zapałki trzymaj z dala od dzbanka.

Co nam będzie potrzebne?

  • wysoki dzbanek, szeroki słoik lub akwarium bez wody
  • 3–4 łyżki sody oczyszczonej
  • około 200 ml octu spirytusowego (10%)
  • 2–3 małe świeczki typu tealight lub jedna dłuższa świeca na stabilnej podstawce
  • zapałki lub długa zapalniczka kominkowa
  • tacka lub talerz, który zbierze ewentualny wyciek
  • opcjonalnie: sznurek, skrawek bibułki lub bańki mydlane

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie świeczek. Postaw na tacy dwie lub trzy świeczki i zapal je. Ustaw je w pewnej odległości od dzbanka, tak aby płomienie nie zachwiały się przy zwykłym ruchu rąk. Dobrze, jeśli stoją na różnych wysokościach, na przykład jedna na książce, a druga na stole — to pozwoli obserwować, jak gaz rozchodzi się w dół.

Krok 2: Wytwarzanie gazu. Do dzbanka wsyp sodę, a potem powoli wlej ocet. Mieszanina zacznie intensywnie musować i pienić się. Odczekaj kilkanaście sekund, aż piana opadnie, a reakcja wyraźnie osłabnie. W dzbanku zostanie płyn, a nad nim warstwa dwutlenku węgla, który jest cięższy od powietrza.

Krok 3: „Przelewanie” gazu. Chwyć dzbanek oburącz i pochyl go nad najniższą świeczką, tak jakbyś chciał ją polać, ale w żadnym wypadku nie wylewaj płynu. Trzymaj brzeg dzbanka tuż przy płomieniu i nie kieruj strumienia na wosk. Po chwili płomień zacznie chwiać się i zgaśnie, mimo że nie padła na niego ani kropla cieczy.

Krok 4: Powtórka na kolejnych świeczkach. Jeśli gazu zostało dość, przechyl dzbanek nad drugą świeczką. Po kilku próbach reakcja się wyczerpie, więc w razie potrzeby dosyp trochę sody i dolej octu. Zauważ, że świeczki na niższym poziomie gasną najłatwiej, bo tam gaz naturalnie opada.

Wyjaśnienie naukowe

Soda oczyszczona (wodorowęglan sodu, NaHCO₃) reaguje z kwasem octowym, tworząc octan sodu, wodę i dwutlenek węgla. To ta sama reakcja, która napędza wulkan z sody i octu , tylko tutaj interesuje nas nie piana, lecz gaz, który zostaje nad powierzchnią cieczy. CO₂ ma masę cząsteczkową 44, podczas gdy średnia masa cząsteczki powietrza wynosi około 29. Dlatego gęstość dwutlenku węgla jest mniej więcej półtora raza większa od gęstości powietrza i gaz zachowuje się jak niewidzialna ciecz: spływa w dół, zbiera się w zagłębieniach i można go „przelać” do innego naczynia.

Płomień świeczki potrzebuje tlenu, który zasila reakcję spalania parafiny. Gdy dwutlenek węgla wypiera powietrze wokół knota, stężenie tlenu spada poniżej poziomu około 15–16%, przy którym spalanie przestaje się utrzymywać. Płomień nie gaśnie więc dlatego, że CO₂ jest „trujący” dla ognia, lecz dlatego, że rozcieńcza i wypiera tlen. Podobny mechanizm, choć z innej strony, opisuje doświadczenie świeca pod szklanką , w którym zmienia się skład i temperatura powietrza wokół płomienia.

Ta sama zasada stoi za konstrukcją gaśnic. Gaśnice śniegowe zawierają skroplony CO₂, który po uwolnieniu gwałtownie się rozpręża, silnie ochładza i tworzy chmurę ciężkiego gazu otulającą ogień; nie zostawia przy tym śladów, więc nadaje się do gaszenia sprzętu elektrycznego. Dwutlenek węgla jest też groźny dla ludzi: w zamkniętych, niskich pomieszczeniach, takich jak studnie, piwnice winiarskie czy jaskinie, może gromadzić się przy podłodze i wypierać tlen. Dawniej górnicy nazywali taki gaz „dusiołkiem” i sprawdzali jego obecność właśnie płomieniem lampy, który gasł, zanim zabrakło powietrza człowiekowi. Warto też pamiętać, że to samo cząsteczkowe „ciężkie powietrze” gromadzi się w kraterowych jeziorach wulkanicznych — katastrofa w jeziorze Nyos w Kamerunie w 1986 roku zabiła ponad 1700 osób, gdy z wody uwolniła się olbrzymia chmura CO₂.

Warianty

Schodki gazu. Ustaw kilka świeczek na „schodach” z książek, od najniższej do najwyższej, i zapal je. Ostrożnie przechyl dzbanek nad najwyższą, a potem nad kolejnymi. Gaz spłynie po stopniach i zgasi najpierw niższe płomienie, a dopiero potem wyższe. Dzięki temu zobaczysz, jak warstwa CO₂ wypełnia naczynie od dołu.

Pływające bańki. Zamiast świeczek wpuść do pustego, szerokiego akwarium (lub dużego pojemnika) gaz z dzbanka, a potem delikatnie wydmuchaj do środka kilka baniek mydlanych. Bańki wypełnione powietrzem zawisną na niewidzialnej „poduszce” z dwutlenku węgla, bo są lżejsze od gazu pod nimi. To elegancki dowód, że w naczyniu leży niewidoczna warstwa o większej gęstości. Jeśli lubisz obserwować, jak gaz porusza małymi obiektami, zajrzyj także do doświadczenia z tańczącymi rodzynkami .

Gaśnica domowej roboty. Do małej butelki wlej ocet, a do zawiniętej w bibułkę torebeczki włóż sodę i zawieś ją na nitce w szyjce, bez dotykania octu. Po zakorkowaniu zbliż butelkę do świeczki, odchyl ją i pozwól sodzie wpaść do octu, a gaz kierowany przez szyjkę lekko zdmuchnie i zgasi płomień. Wykonuj ten wariant wyłącznie na zewnątrz lub nad zlewem i nie zakorkowuj butelki szczelnie, bo rosnące ciśnienie mogłoby wypchnąć korek.

Często zadawane pytania

Dlaczego świeczka gaśnie, skoro nie polewam jej wodą? Płomień potrzebuje tlenu z powietrza, a nie samej obecności cieczy. Dwutlenek węgla wypiera powietrze wokół knota i obniża stężenie tlenu poniżej wartości, przy której spalanie może trwać. W efekcie płomień traci „paliwo” utleniające i gaśnie, mimo że nic go nie zmoczyło.

Czy dwutlenek węgla z tego doświadczenia jest niebezpieczny? W ilościach, które powstają w jednym dzbanku, gaz jest całkowicie bezpieczny, bo szybko rozcieńcza się w powietrzu pokoju. Groźny staje się dopiero w małych, zamkniętych, słabo wentylowanych przestrzeniach, gdzie mógłby wypierać tlen. Dlatego warto wykonywać doświadczenie w przewiewnym pomieszczeniu i nie wdychać gazu z dzbanka z bliska.

Dlaczego nie widzę gazu, który przelewam? Dwutlenek węgla jest bezbarwny i przezroczysty, więc oko nie odróżnia go od powietrza. O jego obecności świadczą tylko skutki, takie jak gasnący płomień czy pływające bańki mydlane. Można też zauważyć delikatne zafalowania powietrza, gdy gaz przelewa się nad płomieniem, ale to efekt załamania światła, a nie sam gaz.