Magnus Ehingers undervisning

Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete m.m.

Den svenska julens kemi

Stearinljus

Författare: Mats Ahlberg

Sverige, och då i synnerhet den nordligaste delen, brukar ofta presenteras som "Midnattssolens Land". Men detta gäller bara under sommaren, och om man inte drar söderöver med flyttfåglarna utan stannar kvar för att fira jul finner man att varje dag med midnattssol måste betalas med en dag av kompakt mörker. Denna mörka tid är den årstid när man tänder ljus i Sverige. Ljusen inte bara lyser upp mörkret, utan skapar också den romantiska atmosfär i vilken svenskarna firar julen.

Färgskiftande stearinljus. Färgskiftande stearinljus. Romarna använde ljus som var tillverkade av bivax. Under 1100-talet infördes talgljus, och 1825 fick M. E. Chevreul och J. L. Gay-Lussac patent på ljus av stearin. Moderna ljus tillverkas av en blandning av hård paraffin (smältpunkt 51-55 °C) och stearin. Stearin, som tillsätts för att höja smältpunkten och förlänga brinntiden, består av en blandning av palmitinsyra och stearinsyra med smältpunkterna 61 och 69 °C, respektive.

Ljusvekar görs av flätad bomullstråd som betats med borsyra, salmiak och fosfater eftersom ren bomull skulle brinna för snabbt och dessutom ryka. Genom att fläta veken platt kommer den att böja sig när den förkolnar, luta ut ur ljuslågan och brinna upp. Cellulosan i veken reagerar då med betsalterna i en sönderdelning som inte ger upphov till aska.

När ett ljus väl har tänts kommer värmen från lågan att smälta vaxet, vilket sedan sugs upp längs veken av kapillärkraften och förångas. De frigjorda kolvätemolekylerna kommer sedan att verka på flera olika sätt i förbränningsprocesserna.

En ljuslåga kan vetenskapligt klassificeras som en diffusionsflamma, vilket betyder att luft diffunderar in i bränslet i flamman. En annan typ av flamma är den förblandade flamman i vilken bränsle och luft blandas innan förbränningen. En förblandad flamma återfinns t.ex. i Bunsenbrännaren.

(Vad händer förresten om man tänder ett ljus i båda ändar? Titta här!)

Strax ovanför och runtom en brinnande veke finns en mörk zon och ovanför den ett lysande gult område. Längst ner är lågan ljust blå. Temperaturen i den mörka zonen är ganska låg, omkring 600 °C, och ökar till omkring 1200 °C i mitten av det gula området. Den högsta temperaturen, 1400 °C återfinner man i den övre ytterkanten av den lysande gula delen av lågan.

Förångade kolvätemolekyler sönderdelas stegvis av hettan i den mörka zonen intill veken, främst genom förlust av C2H4- och CH2-radikaler. Den ljusa blå zonen längst ner är en reaktionszon. Den blå färgen beror främst på utstrålning från två exciterade molekyler, C2 och CH, vilka bildas i exciterat tillstånd genom de reaktioner som skapar dem.

Reaktionszonen fortsätter uppåt runtom lågans gula område. Här reagerar radikaler från de sönderdelade kolvätena med syre från luften under bildning av CO2 och vatten i en komplicerad reaktion som ännu inte är förstådd fullt ut. Någon direktkontakt mellan icke sönderdelat bränsle och luft finns inte, eftersom dessa båda komponenter hålls åtskilda av ett lager av förbränningsprodukter.

Den intressantaste delen av lågan är det lysande gula området, från vilket huvuddelen av ljusutstrålningen kommer. Detta område kallas också kolzonen eftersom det består av sotpartiklar av kol. Dessa bildas överst i den mörka zonen från söndedelade kolväten, vilka har en hög halt av kol eftersom förhållandet väte/kol är lågt.

De ursprungliga sotpartiklarna varierar i storlek från 10 till 200 nm, och så småningom klumpar de ihop sig till långa kedjor. De värms upp av de heta förbränningsgaserna och av värmestrålningen från reaktionszonen så att de börjar glöda. Ljus utstrålas inom hela det synliga spektrum, men utstrålningen är intensivast inom de gula våglängderna. När de glödande sotpartiklarna stiger upp genom det gula området förbrukas de genom reaktion med vatten och koldioxid under bildning av CO.

Om veken inte böjs ut ur lågan och förbränns, kommer den att bli för lång och för mycket bränsle kommer att tillföras lågan. I ett sådant fall kommer lågan att sota eftersom inte alla sotpartiklar hinner förbrännas. Det är då nödvändigt att förkorta veken genom att klippa ner den.

Ljus i glas. När syret förbrukas, sugs vattnet upp i glaset. Ljus i glas. När syret förbrukas, sugs vattnet upp i glaset. Du kan förvissa dig själv om reaktionsförloppet i en låga genom att göra följande försök. Håll först ett stycke kall metall, t.ex. en sked, strax ovanför lågan. Du kan se hur vatten, som bildats vid förbränningen, kondenseras på metallen.

Stick in skeden i mitten av det gula området. Den kommer då att sotas ner av oförbrukade kolpartiklar. Om du håller skeden i den mörka zonen, straxt ovanför veken, kommer förångade och ännu ej sönderdelade kolväten att kondensera på den som en hinna av vax.

Om du blåser ut ljuset kommer du att se en strimma vit rök. Den består av kolväten som förångats från den ännu varma veken och sedan kondenserats till ett aerosolmoln av droppar med en medeldiameter om ungefär 0,15 mikrometer. Om du snabbt för en tänd tändsticka mot rökstrimman kommer denna att fatta eld och flamman röra sig ned mot veken och antända den senare på nytt.

Mindre än 0,4 % av den energi som bildas när ett ljus brinner utstrålas i form av synligt ljus. Den mesta strålningen utsänds som värmestrålning inom det infraröda området. Detta är gynnsamt, eftersom vinternätter i Sverige inte bara är mörka utan också kalla, och den värme du får från ljuset är i det långa loppet betydligt bättre för ditt välbefinnande än den värme du kan få från överkonsumtion av fet skinka och snaps.