Když je oxid uhličitý lehčí než vzduch (vliv teploty na hustotu plynu)

Pokus číslo: 2183

  • Cíl pokusu

    Cílem pokusu je ukázat, jak teplota plynu ovlivňuje jeho hustotu.

  • Teorie

    Máme-li tři hořící svíčky různé výšky, které přiklopíme nádobou, svíčky po chvíli zhasnou. Hořením svíček totiž vzniká mj. oxid uhličitý, který hoření brání.

    Za běžné pokojové teploty má oxid uhličitý vyšší hustotu (\(\rho\) = 1,98 kg·m-3) než vzduch (\(\rho\) = 1,29 kg·m-3). Hustota plynů ale značně závisí na jejich teplotě a vznikající oxid uhličitý je horký, zatímco okolní vzduch výrazně chladnější. Hustota horkého oxidu uhličitého je tedy ve výsledku nižší než hustota studeného vzduchu kolem svíček, a proto se oxid uhličitý hromadí v horní části nádoby. To je důvod, proč svíčky uhasínají od nejvyšší po nejnižší.

  • Pomůcky

    • tři svíčky různé výšky
    • modelovací hmota
    • nehořlavá nádoba (skleněná)
    • zápalky
  • Postup

    1. Svíčky seřadíme podle velikosti.
    2. Z modelovací hmoty vytvoříme stojánek na svíčky, kterým je stabilizujeme.
    3. Svíčky zapálíme a necháme je rozhořet.
    4. Hořící svíčky přiklopíme skleněnou nádobou.

    Obr.1: Uspořádání experimentu
  • Vzorový výsledek

    Video níže demonstruje úspěšně provedený pokus.

  • Technické poznámky

    • Příliš velká nádoba způsobí dlouhé trvání experimentu.

    • Čím výraznější bude rozdíl výšek svíček, tím patrnější bude demonstrovaný jev.

    • Pokud budou svíčky příliš blízko stěnám nádoby, mohou nádoby začernat.

  • Metodické poznámky

    • Před provedením experimentu je vhodné se žáků zeptat, jaký výsledek očekávají. Obvykle nesprávně přepovídají, že nejdříve budou zhasínat nižší svíčky, protože vycházejí z logické úvahy, že oxid uhličitý má za normálních podmínek vyšší hustotu než vzduch. Chceme-li, aby žáci zvážili i vliv teploty plynů, můžeme je navést například otázkou: „A je možné, aby byl někdy oxid uhličitý lehčí než vzduch?“ Následná diskuze by měla vést k tomu, že plyn má za různé teploty různou hustotu.

    • Mísení horkého oxidu uhličitého a studeného vzduchu uzavřeného v nádobě je ve skutečnosti velmi komplikované, cirkulace plynů představuje obecně obtížně popsatelný proces. To je také důvod, proč mohou být při opakovaném provedení experimentu prodlevy, ve kterých svíčky zhasínají, rozdílné, a to navzdory stejnému uspořádání pokusu.

  • Rozšiřující experiment

    Jako rozšíření můžeme ukázat, že svíčka uhasne dokonce i tehdy, když její plamen nebude od okolního vzduchu nijak neprostupně oddělen. Kromě předcházejících pomůcek využijeme navíc ještě chemickou trojnožku:

    1. Sestavíme aparaturu podle obrázku 2.
    2. Nádobu odstraníme, svíčku zapálíme a nádobu vrátíme na její místo.
    3. Sledujeme změnu velikosti plamene a čekáme, dokud zcela nezhasne.

    Obr. 2: Aparatura

    Vzorový průběh experimentu zachycuje video níže. Proces trvá několik minut, podle velikosti nádoby, jejího umístění a velikosti plamene svíčky; plamen musí být celým svým objemem nad dolním okrajem nádoby. Uhasnutí plamene signalizuje, že i přes přístup vzduchu do spodní části nádoby se v její horní části nahromadilo dostatečně velké množství oxidu uhličitého na to, aby zabránilo hoření.

  • Studentům lze položit otázku, jak by zařídili, aby svíčky nezhasly. Přirozeným řešením je přiklopit je nádobou, která má ve svém dně otvor. Tím se vlastně dostáváme k principu petrolejových lamp, jejichž plamen je také obklopen sklem, ale horké splodiny mohou unikat otvorem v horní části lampy. Dochází tak ke komínovému efektu, který přivádí čerstvý okolní vzduch k plamenům.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s jednoduchými pomůckami
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu