Сравнение физических свойств и анализ продуктов сгорания свеч из различных материалов. Изготовление свеч.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………………………………..……..1

I Литературный обзор

1. 1. История создания свечи……………………………………………………………………………………………………2

   2. Виды свечей……………………………………………………………………………………………………………………...3

   3. Мыловарение……………………………………………………………………………………………………………….…..4

II Экспериментальная часть

2.1 Физический анализ свеч………………………………………………………………………………………….………..5

2.2 Где самая горячая часть свечи?………………………………………………………………………………….…….6

2.3 Что горит в свече? ……………………………………………………………………………………………………………..6

2.4 Химический анализ продуктов сгорания свечи………………………………………………………….…….6

III Изготовление и практическое применение свечей

3.1 Изготовление свеч……………………………………………………………………………………………………………..7

3.1.1 Восковая свеча

3.1.2 Парафиновая свеча

3.1.3 Стеариновая свеча

3.2 Получение мыла из стеарина………………………………………………………………………………………….…8

Выводы……………………………………………………………………………………………………………………………………..8

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Хотя свечи давно уже вытеснены электрическими лампами, они по-прежнему в ходу и создают праздничное настроение на Новый год, а порой выручают во время неожиданного отключения электричества. В настоящее время свечи можно найти самых различных цветов и форм. Их применяют в декоративных целях, для ароматизации помещений, для измерения времени. Свечи нашли свое применение и в религии. Церковные свечи и свечи в буддизме имеют тонкую удлиненную форму и сделаны из воска. Тему свечей, игры света и тени использовали в своём творчестве многие знаменитые художники. Перу Бориса Пастернака принадлежит написанное в 1946-м году известное стихотворение «Зимняя ночь», главным действующим лицом которого является свеча. Такие магические и притягивающие, известные человеку с глубокой древности они стали темой моего проекта.

Актуальность исследования: Свечи возникли в глубокой древности, но и сейчас они по-прежнему пользуются популярностью: создают праздничное настроение на Новый год и спасают нас во время неожиданного отключения электричества. Несмотря на то, что свеча это самый обычный предмет для нас мы мало что знаем о ней.

Задачи исследования:

1. Проанализировать научную литературу по данной теме

2. Сравнить физические свойства свечей из различных материалов

3. Выяснить где самая горячая часть пламени и что именно горит в свече.

4. Провести химический анализ продуктов сгорания свечей из различных материалов

5. Сделать свечи различных материалов своими руками

6. Изготовить мыло

I Литературный обзор

1.1 История создания свечи.

Свечи были изобретены человеком очень давно, однако долгое время применялись лишь в домах богатых людей и стоили дорого. Горючим материалом для свечи может служить: сало, стеарин, воск, парафин, спермацет или другое вещество с подходящими свойствами (легкоплавкость, горючесть, твердое). Прототипом свечи являются чаши, наполненные маслом или жиром, с щепочкой в качестве фитиля (позднее стали использовать фитильки из волокна или ткани). Такие светильники давали неприятный запах и очень сильно коптили. Первые свечи современной конструкции появились в Средневековье и изготавливались из жира (чаще всего) или из воска. Восковые свечи долгое время были очень дороги. Чтобы осветить большое помещение, требовались сотни свечей, они чадили, черня потолки и стены. В XV веке медленно начала возрастать популярность пчелиного воска как горючего материала для свечей. В XVI—XVII веках американскими колонистами было изобретено получение воска из некоторых местных растений, и свечи, произведенные этим способом, временно набрали большую популярность — они не дымили, не таяли так сильно как сальные, однако их производство было трудоемким, и популярность вскоре сошла на нет. Развитие китобойной промышленности в конце XVIII века внесло первые существенные изменения в процесс производства свечей, потому что спермацет (воскоподобный жир, получаемый из верхней части головы кашалота) стал легко доступным. Спермацет горел лучше, чем жир и при этом не дымил, и в общем был ближе к пчелиному воску по свойствам и преимуществам. Большинство изобретений, повлиявших на свечное дело, относится к XIX веку. В 1820 г французский химик Мишель Шевроль открыл возможность выделения смеси жирных кислот из животных жиров — т. н. стеарина. Стеарин, иначе иногда называемый стеариновым воском из-за подобных воску свойств, оказался твёрдым, жёстким и горел без копоти и почти без запаха, а технология его производства не являлась затратной. И как следствие, вскоре стеариновые свечи почти полностью вытеснили все другие виды свечей, было налажено массовое производство. Примерно тогда же была освоена технология пропитки фитилей свечей борной кислотой, что избавляло от необходимости часто снимать остатки фитиля (если их не снимать, они могли затушить свечу). Ближе к началу XX века химики смогли выделить нефтяной воск — парафин. Парафин чисто и ровно горел, практически не давая запаха (сильный запах имел лишь дым, образующийся при тушении свечи, но этот запах не был сильно неприятным), и его было дешевле производить, чем любое другое горючее вещество для свечей, известное к тому времени. Единственным его недостатком была низкая температура плавления (по сравнению со стеарином), из-за чего свечи имели свойство оплывать раньше, чем сгорают, но эта проблема была решена, после того, как в парафин начали добавлять более твёрдый и тугоплавкий стеарин. Даже при внедрении электрического освещения довольно долгое время в начале XX века парафиновые свечи только набирали популярность, этому способствовало бурное развитие нефтяной промышленности в то время. Со временем их значение в освещении сменялось на декоративное и эстетическое.

На сегодняшний день парафиновые свечи среди свечей являются почти единственным видом. Свечи делают из смеси высокоочищенного (снежно-белого или слегка прозрачного) парафина с небольшим количеством стеарина, либо из малоочищенного (желтого) парафина, как с добавкой стеарина, так и без нее. Первые более эстетичны и менее пахучи, вторые не так сильно оплывают. Изредка производятся свечи из неочищенного парафина (красно-желтого) без добавок, которые очень сильно оплывают, и поэтому не пользуются спросом.

1.2 Виды свечей

При изготовлении свечей используются:

Парафин — воскоподобная смесь предельных углеводородов (минеральный воск) состава от С₁₈Н₃₈ до С₃₅Н₇₂. Обладает низкой химической активностью и плохо растворяется в воде. Продукт перегонки нефти — наиболее популярен как материал для свечей, и в том или ином виде входит в состав большинства свечей. В XIX веке существенно потеснил стеарин, как свечной материал.

Пчелиный воск — натуральный продукт производства пчёл. Простые липиды (сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов). Пчелиный воск состоит главным образом из эфира и пальмитиновой кислоты и мирицилового спирта. Воск очень устойчив, нерастворим в воде, но хорошо растворим в бензине, хлороформе, эфире. Свечи из пчелиного воска горят дольше и ярче, чем парафиновые, и предпочитаются ценителями, поскольку являются натуральными. Ввиду большей стоимости восковых свечей, нередко свечи изготавливают не целиком из пчелиного воска, а добавляют его к другим материалам для продления времени горения свечи и имитации натурального аромата. Воск, использующийся для свечей, бывает разных видов.

Стеарин — стеариновая кислота с примесью пальмитиновой, олеиновой и других насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Добавляется в парафин, чтобы тот сильнее сжимался и при остывании, отлитые из него свечи было легче извлечь из формы. Также стеарин препятствует оплыванию свечей. Некоторое время стеарин был основным материалом для изготовления свечей, пока не научились извлекать парафин из сырой нефти.

Глицерин — используется в смеси с желатином и танином. Свечи из глицерина получаются совершенно прозрачные, разными красителями им можно придать любой цвет. Внутри глицериновой свечи можно помещать разнообразные композиции из цветного парафина, что придаёт свече необыкновенные декоративные свойства.

Жир, например говяжий. В некоторых странах из-за борьбы с полнотой этому жиру пытаются найти другое применение, кроме пищевого. В жировые свечи обычно добавляют натриевую селитру (до 5 %) и алюмокалиевые квасцы (до 5 % по весу). Свечи горят чисто, без дыма и копоти.

1.3 Мыловарение

Мыло было изобретено намного раньше пороха и бумаги, неизвестно когда и неизвестно кем. Оно получилось впервые, когда расплавленный жир, стекая с жарящегося мяса, падал на древесную золу. Жир тут же частично гидролизовался, образуя жирные кислоты, которые соединялись с солями натрия и калия в золе. Эти соединения и были собственно мылом. Это первое поверхностно-активное вещество. На научную основу производство мыла было поставлено в начале XIX века. Этому способствовали многочисленные исследования французского химика М.Шевраля в области химии жиров. Шеврель установил, что основа любого мыла- жиры это химические соединения глицерина с высшими жирными кислотами. В середине XIX века химики могли точно назвать состав всех полученных и применяемых мыл. С тех пор производство мыла не претерпело принципиальных изменений. Очищающее действие мыла – сложный процесс. Молекула соли высшей карбоновой кислоты имеет полярную ионную часть (-СООNa) и неполярный углеводородный радикал. Полярная часть молекулы растворима в воде (гидрофильна), а неполярная- в жирах и других малополярных веществах (гидрофобна). В обычных условиях частицы жира или масла слипаются между собой, образуя в водной среде отдельную фазу. В присутствии мыла картина резко меняется. Неполярные концы молекулы мыла растворяются в каплях масла, полярные карбоксилат-анионы остаются в водном растворе. В результате отталкивания одноименных зарядов на поверхности масла оно разбивается на мельчайшие частицы, каждая из которых имеет ионную оболочку из анионов- СОО^-. Наличие этой оболочки предохраняет частицы от слияния, в результате чего образуется устойчивая эмульсия масла в воде. Эмульгирование жира и сала, содержащих грязь, и обусловливает очищающее действие мыла.

II Экспериментальная часть

2.1 Физический анализ свеч

Для физического анализа взяли свечи из различных материалов и сравнили их свойства

Наблюдения

Восковая свеча

Парафиновая свеча

Стеариновая свеча

Внешний вид свечи

Твердое вещество желто-бурого цвета

Твердое вещество грязно-белого цвета

Твердое вещество белого цвета

Время горения свечи

Горит дольше

Горит меньше

Горит дольше

Наличие запаха при горении

Выделяет слабый медовый запах

Нет

Нет

Образование копоти при горении

Коптит меньше

Коптит больше

Коптит меньше

Яркость пламени

Практически одинаковая

Оплывание свечи при горении

Оплывает меньше

Оплывает больше

Оплывает меньше

2.2 Где находится самое горячее место пламени

На первый взгляд кажется- в самом центре. Мы проверили это, подержав над серединой пламени свечи, поперек ему, лист бумаги. В комнате не должно быть сквозняков, чтобы пламя было ровным и не колебалось.

Результаты исследования

На бумаге появилась обугленная область в форме кольца. Оно было тем уже, чем выше держали бумагу, и превратилось в сплошное пятно на уровне верхней трети пламени- там и находится самое горячее его место. Этот, казалось бы, странный результат окажется совершенно очевидным, если вспомнить, что для горения необходим кислород. В пламя он поступает только с периферии, и только там идет реакция горения. Поэтому и температура пламени в различных его частях различна.

2.3 Что горит в свече

Вероятно, материал, из которого он изготовлен (парафин, стеарин или воск). Но если мы перевернем горящую свечу- то материал потечет по фитилю и, вместо того, чтобы вспыхнуть, погасит его. Так что же горит в свече? Мы осторожно задули свечу, слегка дохнув на нее. От фитиля потянулась тонкая струйка голубоватого дымка. Поднесли к ней спичку.

Результаты исследования

Пламя по этой струйке с расстояния 1-2 сантиметра перескочило на фитиль и свеча загорелась вновь. То, что мы приняли за дым, были пары парафина (стеарина или воска)- именно они горят в свече. Расплавленный материал парафин (стеарин или воск) поднимается по фитилю, как вода по тонкому капилляру. Пламя спички его испаряет и зажигает пары. Фитиль служит только «трубопроводом», подающим горючее в «топку»,- язычок пламени.

2.4 Химический анализ продуктов сгорания свечи

Обнаружение сажи: закрепили предметное стекло в держателе, внесли в зону темного конуса горящей свечи и подержали 3 секунды. Быстро подняли стекло и осмотрели нижнюю плоскость. Темное пятно укажет на наличие сажи.

Обнаружение воды: сухую пробирку закрепили в держателе, перевернули вверх дном и подержали над пламенем до запотевания. Запотевшая стенка пробирки укажет на образование воды

Обнаружение углекислого газа: в ту же пробирку прилили 2 мл известковой воды. По помутнению известкой воды судили об образовании углекислого газа.

Результаты исследования

Продукты сгорания

Восковая

Парафиновая

Стеариновая

Сажа

+

+

+

Вода

+

+

+

Углекислый газ

+

+

+

Уравнения реакции горения

Восковая свеча 2C₁₅H₃₁COOC₃₁H₆₃+ 139O₂=94CO₂+ 94H₂O

Парафиновая свеча 2C₁₆H₃₄+49O₂=32CO₂+ 34H₂O C₁₇H₃₆+ 26O₂=17CO₂+ 18H₂O

Стеариновая свеча C₁₇H₃₅COOH+ 26O₂=18O₂+ 18H₂O

III Изготовление и практическое применение различных видов свеч.

3.1 Изготовление свеч своими руками

3.1.1 Восковая свеча

Восковую свечу сделали из пчелиного воска. Пчелиный воск можно купить у продавцов меда. Для изготовления мы выбрали метод «сучения»: фитиль натягивают горизонтально и равномерно облепляют его воском, размягченный в теплой воде. Когда заготовка достигнет нужной толщины, ее начинают катать по гладкой доске плоской дощечкой, чтобы придать будущей свече цилиндрическую форму. Затем свечу обрезают снизу и вытягивают ее верхушку.

3.1.2 Парафиновая свеча

Так как получить парафин самостоятельно не представляется возможным, то для изготовления парафиновой свечи нужного размера мы взяли готовую парафиновую свечу и методом отливки изготовили из нее новую. Для этого изготовили форму и закрепили в ней фитиль. Форму можно изготовить из любого материала, выдерживающего нагрев до 50 градусов. Стенки формы смазали жидкостью для мытья посуды и дали ей подсохнуть. Нагретый на водяной бане до жидкого состояния парафин осторожно залили в форму и дали ему остыть. Чем медленнее остывает парафиновая свеча, тем меньше вероятности, что она растрескается. После полного остывания аккуратно вынули свечу из формы.

3.1.3 Стеариновая свеча

Вначале получили концентрированный раствор мыла. Для этого мыло измельчили на терке. Мыльные стружки поместили в емкость, прибавили воды и нагрели, перемешивая деревянной палочкой, до полного растворения. После этого, по-прежнему нагревая и перемешивая раствор, влили уксус. После добавления кислоты на поверхности сразу же всплыла белая масса. Это стеариновая кислота. Реакционная смесь должна иметь кислую реакцию, иначе не все мыло прореагирует с кислотой. Поэтому кислоту нужно брать в избытке. Реакцию среды легко проверили по лакмусовой бумажке. После того как смесь остыла, стеарин собирали на поверхности. Образовавшаяся жидкость под стеарином – раствор сульфата или ацетата натрия. Стеарин вычерпали ложкой и промыли водой, чтобы убрать избыток кислоты. Высушили массу и завернули с тряпочку. Стеарин готов! Свечку из стеарина можно сделать в форме, закрепив в ней заранее фитиль и выливая в форму расплавленный стеарин. А еще свечку можно приготовить маканием, тогда и формы не надо. В расплавленный стеарин опускают фитиль (можно взять нитку от фитиля для керогаза или керосинки). Вынимаю фитиль, и когда стеарин на нем затвердеет, вновь опускают его в раствор. Эту операцию повторяют несколько раз, пока на фитиле не нарастет свечка нужной толщины. Уравнение реакции получения стеарина из мыла: C₁₇H₃₅COONa+ CH₃COOH=C₁₇H₃₅COOH+ CH₃COONa

3.2 Получение мыла из свечи

Взяли несколько кусочков стеариновой свечи. Расплавили стеарин на водяной бане и добавили насыщенный раствор соды. Тотчас образовалась твердая белая масса. Это стеарат натрия, то есть собственно мыло. Несколько минут нагревали смесь, чтобы реакция прошла как можно полнее. Затем подставили форму (спичечный коробок) и залили полученную массу. После того, как мыло остыло вынули его из формы. Уравнение реакции получения мыла из стеарина: 2C₁₇H₃₅COOH+ Na₂CO₃=2C₁₇H₃₅COONa+ H₂O+CO₂.

Выводы:

1. Проанализировала и изучила научную литературу по данной теме

2. Сравнила физические свойства свеч из различных материалов: наиболее лучшими физическими свойствами обладают восковая и стеариновая свеча.

3. Самая горячая часть находит на уровне верхней трети пламени свечи. Причиной горения свечи является не горение материала, а образование паров при сгорании.

4. Исходя, из химического анализа продуктов сгорания выяснила, что все они образуют сажу, воду и углекислый газ т.е являются органическими веществами.

5. Изготовила свечи из различных материалов своими руками

6. Сделала мыло из стеариновой свечи

Заключение

Наиболее лучшими физическими свойствами обладают восковая и стеариновая свеча: они не только меньше коптят и оплывают, но и дольше горят. У парафиновых свеч есть преимущество в стоимости (они немного дешевле восковых и стеариновых), поэтому они и являются самыми распространенными в нашей стране. Самая горящая часть находится на уровне верхней трети пламени, а горит в свече все-таки не материал, из которого он изготовлен, а пары, образующиеся при горении. Все свечи при горении образуют сажу, воду и углекислый газ, т.е являются органическими веществами.

Список литературы

1. Майкл Фарадей «История свечи» 1982 г

2. Габриелян О.Г. «Химия. 8 класс» Москва 2002 г

3. Габриеля О.Г. «Химия. 10 класс» Москва 2014 г

4. Журнал «Наука и жизнь», статья «Свеча горела на столе» №6,2014

5. Журнал «Клуб юный химик», статья « Мыло из свечи и свеча из мыла»

6. Журнал «Химия и жизнь», статья «Пока горят свечи»

10