Свеча Фарадея: CO₂ от горения и известковая вода

Фарадей и невидимый продукт

На пятой лекции Фарадей спросил аудиторию: что выходит из пламени кроме воды?

Дети молчали. Дым — сказал кто-то. Нет, дыма у хорошей свечи почти нет.

«Углекислый газ», — ответил Фарадей. — «И мы сейчас его поймаем».

Он взял стакан известковой воды и поместил над пламенем. Через несколько секунд прозрачная жидкость начала мутнеть.

Химия: реакции с известковой водой

Известковая вода — насыщенный раствор гидроксида кальция Ca(OH)₂. При контакте с углекислым газом:

CO₂  +  Ca(OH)₂  →  CaCO₃↓  +  H₂O

Карбонат кальция CaCO₃ — белый осадок (именно из него состоят мел, мрамор, известняк, ракушки). Он практически нерастворим в воде → выпадает в осадок → вода мутнеет.

Это одна из самых древних и чувствительных качественных реакций на CO₂. Чувствительность: реакция заметна при концентрации CO₂ выше 0,3% (в воздухе ~0,04% CO₂, поэтому выдыхаемый воздух, где ~4% CO₂, мутит воду быстро).

Приготовление известковой воды

1. Возьмите негашёную известь CaO (продаётся в строительных магазинах) или готовое гашёное молоко.
2. Растворите 1–2 г Ca(OH)₂ в 500 мл воды, перемешайте.
3. Дайте отстояться 10–15 минут.
4. Аккуратно слейте прозрачный раствор — это известковая вода.

Или купите в аптеке «Известковую воду» (Aqua Calcis) — продаётся готовой.

Эксперименты

Опыт 1. Дыхание: CO₂ из лёгких

Что нужно: стакан с известковой водой (100–150 мл), соломинка для коктейля.

Ход работы:

1. Возьмите соломинку и подуйте через неё в известковую воду. Делайте долгие медленные выдохи.
2. Наблюдайте раствор.

Что вы увидите: через 30–60 секунд прозрачная вода начинает мутнеть — белый осадок CaCO₃.

Что это значит: в вашем выдохе ~4% CO₂ (против 0,04% в воздухе). Вы только что химически доказали, что ваши лёгкие производят CO₂.

Контрольный опыт: сделайте то же самое, но вдувайте через нос — вы не сможете подуть в стакан через нос, конечно, но насосом или резиновой грушей вы можете прокачать обычный воздух. Мутнеет ли вода медленнее?

Опыт 2. Пламя свечи: CO₂ из горения

Что нужно: свеча, воронка (или конус из бумаги), резиновая трубка или жёсткая трубочка, стакан с известковой водой.

Ход работы:

Вариант А (простой): Подержите стакан с известковой водой вверх дном над пламенем (на расстоянии 5–8 см) в течение 20–30 секунд. Горячий поток несёт CO₂ снизу — он войдёт в стакан. Посмотрите на воду через стекло.

Вариант Б (более строгий): Соберите установку: воронка над пламенем → трубка → стакан с известковой водой. Горячие газы от горения пройдут через известковую воду. Заметное помутнение наступает через 1–2 минуты.

Что вы увидите: известковая вода мутнеет — горение свечи производит CO₂.

Опыт 3. «Перелить» невидимый газ

Это самый эффектный опыт серии.

Что нужно: два стакана (200–300 мл), уксус (9%), сода пищевая, несколько горящих свечей разной высоты (3 см, 6 см, 10 см).

Подготовка:

1. В один стакан насыпьте 2 чайные ложки соды.
2. Влейте 3–4 столовых ложки уксуса. Начнётся выделение CO₂.
3. Подождите 2–3 минуты — CO₂ заполнит стакан. (Не дуйте на него и не трясите — газ тяжелее воздуха и лежит на дне стакана.)

Почему CO₂ тяжелее воздуха:

• Молярная масса CO₂: 44 г/моль
• Молярная масса воздуха: ~29 г/моль
• CO₂ в 1,52 раза тяжелее воздуха

CO₂ «течёт» по дну сосуда, как невидимая жидкость.

Ход опыта:

1. Расставьте три свечи разной высоты (3, 6, 10 см). Зажгите все три.
2. Медленно «перелейте» CO₂ из стакана на три свечи — наклоните стакан, как будто наливаете воду, и направьте невидимый газ вниз.

Что вы увидите: самая низкая свеча гаснет первой, затем средняя, затем высокая — CO₂ заполняет пространство снизу вверх.

Если всё сделано правильно — все три свечи погаснут одна за другой, хотя вы ничего не касались и не дули на них.

Опыт 4. Количественная оценка CO₂ из свечи

Что нужно: свеча известной массы (взвесьте до и после), насыщенный раствор NaOH (для поглощения CO₂) или аквариумный CO₂-тест.

Теоретический расчёт (без оборудования):

Из реакции горения C₂₆H₅₄:

C₂₆H₅₄  +  39,5 O₂  →  26 CO₂  +  27 H₂O

На 366 г парафина образуется 26 × 44 = 1144 г CO₂.

Коэффициент: 1 г парафина → 3,12 г CO₂.

Если свеча сгорела на 10 г → образовалось ~31 г CO₂. Объём при нормальных условиях: 31 г / 44 г/моль × 22,4 л/моль ≈ 15,8 литра CO₂.

Это примерно 3 воздушных шарика.

CO₂ и глобальный климат

Из вашего опыта вы знаете: CO₂ — продукт любого горения углеводородов. Будь то свеча, автомобильный двигатель, газовый котёл или угольная ТЭЦ.

Кривая Килинга

С 1958 года учёный Чарльз Килинг непрерывно измеряет концентрацию CO₂ на вулкане Мауна-Лоа (Гавайи) — вдали от промышленных источников.

В 1958 году: 315 ppm (частей на миллион по объёму). В 2024 году: 425 ppm.

Рост за 66 лет — 35%. Это следствие того, что человечество «сжигает» свечи, только размером с нефтяное поле.

На кривой видна сезонная осцилляция ±5 ppm: летом растения северного полушария поглощают CO₂ (фотосинтез), зимой — выделяют (дыхание без фотосинтеза). Дыхание планеты.

Круговорот углерода

Углерод в парафине — это углерод, который когда-то был в CO₂ воздуха. Цепочка:

CO₂ воздуха  →  (фотосинтез)  →  глюкоза в растениях
  →  (геологическое время)  →  нефть, уголь, парафин
  →  (горение)  →  CO₂ воздуха

Проблема климата — в скорости. Леса накапливали углерод миллионы лет. Мы сжигаем его за столетия.

Фотосинтез: обратная реакция

6CO₂  +  6H₂O  +  свет  →  C₆H₁₂O₆  +  6O₂

Фотосинтез — это «обратное горение», запущенное светом. Растения «складывают» CO₂ и воду обратно в углеводороды и кислород.

Каждый лист — это антисвеча.

Серия «Свеча Фарадея»

Этот эксперимент — часть серии из 6 опытов по мотивам Рождественских лекций Майкла Фарадея 1848 года «Химическая история свечи».

Citizen Science: измерьте CO₂ у вас дома

Купите недорогой CO₂-монитор (1500–3000 руб.) или аквариумный CO₂-тест.

Измерьте концентрацию CO₂:

• На улице (утром, в парке): ожидается ~420 ppm
• В жилой комнате утром (после ночи с закрытыми окнами): 800–2000 ppm
• В классе в конце урока: возможно 1500–4000 ppm

Поделитесь данными в форме — соберём карту CO₂ в школах России.

Связь: эксперимент «Мониторинг CO₂ в классе».

Вопросы для размышления

1. Почему CO₂ тяжелее воздуха? Что происходит с CO₂ в вулканических кратерах?
2. Кривая Килинга показывает сезонные колебания. Какое полушарие Земли «дышит» сильнее — северное или южное? Почему?
3. Если фотосинтез — обратное горение, то что нужно для «обратного пламени»?
4. На Земле есть «горячие точки» поглощения CO₂ — где они?
5. Фарадей жил до промышленной революции. Что бы он сказал о CO₂ сегодня?

Оборудование

Итого: 100–250 руб.

Фарадей в 1848 году говорил о CO₂ как о «продукте питания» растений. Он оказался прав. Теперь мы должны думать о нём ещё и как о регуляторе климата — этого он не знал, но его методы помогают понять и это.