Świeczka gaśnie pod szklanką, a woda z talerza wciąga się do środka, jakby ktoś ją zasysał. W wielu podręcznikach i filmikach znajdziesz prosty komentarz: „świeca zużyła tlen, więc woda zajęła jego miejsce”. Brzmi logicznie — tyle że jest tylko częścią prawdy, a w dodatku tą mniej ważną.

Uwaga: Doświadczenie wymaga otwartego ognia. Wykonuj je z dorosłym, z dala od zasłon i papieru, na stabilnym stole. Szklanka nad płomieniem nie nagrzewa się mocno, ale nie dotykaj jej tuż po zgaśnięciu świecy.

Co nam będzie potrzebne?

  • płaski talerz z wysokim brzegiem lub płytka miska
  • mała świeczka typu tealight (podgrzewacz)
  • przezroczysta szklanka lub słoik (im wyższy i węższy, tym lepiej widać efekt)
  • woda zabarwiona kilkoma kroplami atramentu lub barwnika spożywczego
  • zapałki lub zapalniczka
  • marker lub taśma do zaznaczenia poziomu wody
  • opcjonalnie: druga i trzecia świeczka oraz zegarek z sekundnikiem

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie stanowiska. Wlej do talerza około 1 cm barwionej wody i postaw na jego środku świeczkę. Jeśli świeczka pływa, przyklej ją do dna kropelką stopionego wosku. Zaznacz na zewnątrz szklanki taśmą wysokość, na której stoi jej brzeg — to będzie poziom zerowy, od którego zmierzysz wzrost.

Krok 2: Zapalenie i przykrycie. Zapal świeczkę i poczekaj kilka sekund, aż płomień się ustabilizuje. Następnie szybko, ale spokojnie, nakryj ją szklanką i postaw szklankę na dnie talerza. Zwróć uwagę na pierwsze sekundy: przy samej krawędzi szklanki mogą przez moment wydostać się bąbelki powietrza. To ważna obserwacja, do której wrócimy w wyjaśnieniu.

Krok 3: Obserwacja i pomiar. Płomień po kilku sekundach zacznie słabnąć i zgaśnie. Niemal natychmiast poziom wody w szklance zacznie rosnąć. Zaznacz markerem, na jakiej wysokości woda zatrzymała się po minucie, i porównaj ją z poziomem na talerzu. Zmierz też, ile sekund świeczka paliła się pod szklanką.

Krok 4: Powtórka z różnymi szklankami. Wyjmij szklankę, wytrzyj ją, ewentualnie dolej wody na talerz i powtórz próbę z większym słoikiem. Potem spróbuj z dwiema lub trzema świeczkami naraz. Zapisuj wyniki — to z nich wyniknie prawdziwe wyjaśnienie.

Wyjaśnienie naukowe

Wersja z podręcznika mówi, że płomień spala tlen, a woda wypełnia pustkę. Rzeczywistość jest ciekawsza. Powietrze zawiera około 21% tlenu, ale spalanie świecy nie usuwa gazu z naczynia — tlen zamienia się w dwutlenek węgla i parę wodną. Parafina to związki węgla i wodoru, więc na każdą cząsteczkę zużytego tlenu powstaje mniej więcej tyle samo cząsteczek CO₂ i H₂O. Objętość gazu zmienia się więc niewiele, a CO₂ rozpuszcza się w wodzie dopiero powoli. Gdyby całe wyjaśnienie sprowadzało się do zużytego tlenu, woda mogłaby wzrosnąć najwyżej o jedną piątą wysokości szklanki, a w praktyce zwykle podnosi się o znacznie mniej.

Główną rolę odgrywa temperatura. Płonąca świeczka ogrzewa powietrze pod szklanką, a gorący gaz się rozpręża. Dlatego w pierwszych sekundach po przykryciu świeczki z-pod brzegu uciekają bąbelki — część powietrza opuszcza szklankę, bo zajmuje więcej miejsca. Gdy płomień gaśnie, powietrze stygnie i kurczy się, a para wodna skrapla się na ściankach. Ciśnienie w środku spada poniżej ciśnienia atmosferycznego, które naciska na wodę w talerzu, i woda zostaje wepchnięta do szklanki. To ten sam mechanizm, który wciąga obrane jajko w doświadczeniu z jajkiem i butelką — tam również podciśnienie bierze się ze stygnięcia ogrzanego powietrza.

Dlaczego świeca w ogóle gaśnie? Nie dlatego, że tlenu zabrakło całkowicie. Płomień przestaje się palić już wtedy, gdy stężenie tlenu spadnie do około 15–16%, a jednocześnie zwiększa się udział CO₂ i pary wodnej, które utrudniają dopływ świeżego tlenu do knota. Pomiary z czujnikami pokazują więc, że pod szklanką zostaje jeszcze dużo tlenu. Warto o tym pamiętać: w nauce równie ważne jak ładne wyjaśnienie jest sprawdzenie, czy zgadza się ono z pomiarami. O wpływie temperatury i ciśnienia na gazy pisał już w XVII wieku Robert Boyle, a później Jacques Charles i Joseph Gay-Lussac — ich prawa gazów opisują to doświadczenie dużo lepiej niż stare hasło o „zużytym tlenie”.

Podobne zjawiska wykorzystujemy w technice. Zasysanie cieczy przez stygnący gaz stosowano dawniej w bańkach lekarskich, a w parowozach i maszynach parowych skraplanie pary tworzyło podciśnienie, które pomagało poruszać tłok — zobacz też parowóz z puszki . Zrozumienie, że powietrze zachowuje się jak sprężyna zależna od temperatury, jest podstawą działania silników spalinowych i lodówek.

Warianty

Różna liczba świec. Postaw pod dużym słoikiem jedną, dwie i trzy świeczki i zmierz za każdym razem wzrost poziomu wody. Więcej płomieni mocniej ogrzewa powietrze, więc po ostygnięciu efekt jest zwykle wyraźniejszy. Jeśli wyjaśnienie z samym tlenem byłoby prawdziwe, wynik nie zależałby od liczby świec, bo dostępny tlen jest ten sam.

Gorąca szklanka bez ognia. Podgrzej pustą szklankę, trzymając ją przez chwilę nad czajnikiem z parą (ostrożnie, w rękawicy), a potem odwróć do góry dnem i postaw na talerzu z wodą. Gdy szklanka ostygnie, woda także wejdzie do środka, choć żadne spalanie nie zachodziło. To najlepszy dowód, że decyduje stygnięcie gazu.

Pomiar czasu palenia. Sprawdź, jak długo świeczka płonie pod szklankami o różnych objętościach i zrób prosty wykres. Porównaj wynik z teorią: czy dwa razy większy słoik daje dwa razy dłuższy czas? Podobną zależność od dostępu powietrza zobaczysz w wahającej się świecy , w której płomienie na obu końcach cały czas mają dostęp do świeżego powietrza.

Często zadawane pytania

Czy woda wchodzi do szklanki dlatego, że świeca zużyła cały tlen? Nie, to uproszczenie. Świeca zamienia tlen na dwutlenek węgla i parę wodną, więc objętość gazu zmienia się niewiele, a płomień gaśnie, gdy tlenu zostaje jeszcze około 15%. Główną przyczyną jest ochłodzenie wcześniej ogrzanego powietrza, które kurczy się i obniża ciśnienie w szklance. Zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne wpycha wtedy wodę do środka.

Dlaczego z początku widać bąbelki wychodzące spod szklanki? Płonąca świeca ogrzewa powietrze pod szklanką, a ogrzany gaz zajmuje więcej miejsca. Nadmiar wydostaje się pod brzegiem szklanki w postaci bąbelków, zanim woda ją uszczelni. Gdy później powietrze stygnie, brakuje go w środku, dlatego woda wchodzi wyżej, niż wynikałoby z samego zużycia tlenu.

Czy zadziała z innym płomieniem, na przykład ze spirytusem? Tak, każdy płomień ogrzewa powietrze i gaśnie pod przykryciem, więc efekt będzie podobny. Nie zalecamy jednak palenia cieczy łatwopalnych w domu, bo jest to znacznie bardziej ryzykowne niż mała świeczka. Najbezpieczniejszy jest zwykły podgrzewacz, który pali się stabilnie i nie rozchlapuje płonącego paliwa. Jeśli chcesz porównać różne źródła ciepła, zrób to pod okiem dorosłego i na niepalnym podłożu.