Karbidlampan

Tillhör kategori: förbränning, vardagens kemi

Författare: Andreas Stenberg, Thomas Sandström

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

   

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Fara vid felaktigt utförande

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Förut fanns det inga eldrivna lampor på cyklar och bilar, utan man var istället tvungen att förlita sig på en kemisk reaktion för att få ljus. Denna enkla men ändå så geniala idé att använda sig av kalciumkarbid för att få ljus ska vi försöka påvisa här nedan.

Riktlinjer

Experimentet passar bäst som ett lärardemonstration, eftersom slutprodukten (acetylen) är ytterst lättantändlig.

Säkerhet

Kontrollera att en brandsläckare finns i närheten. Arbeta i dragskåp p.g.a. den stora mängd sot som bildas.

För kvittblivning av reaktionsresterna: Töm innehållet i provröret i aluminiumfolie som får stå i dragskåp över natten. Det som bildas är kalk, så man kan med fördel strö ut det på gräsmattan eller liknande.

Obs! Det finns en variant av experimentet där man lägger en tratt över karbiden. Tanken är att när gasen tränger upp i pipen på tratten ska man tända på och få en vacker gaslåga. GÖR INTE DET!. Om man tänder på för tidigt finns det kvar syre i gasblandningen med acetylen. Detta ger en mycket explosiv blandning, som med lätthet spränger sönder tratten.

Materiel

• Kalciumkarbid (CaC₂)
• Bägare
• Provrör
• Vatten
• Tändstickor

Kommentar: Kalciumkarbid reagerar med luftens fuktighet och sönderfaller sakta om den inte förvaras i en hermetiskt tillsluten förpackning. Kvar blir ett gråbrunt pulver som inte längre kan reagera. Färsk kalciumkarbid är i form har hårda, stenlika bitar.

Förarbete

Inget förarbete utom framplockning.

Utförande

Bild 1	Bild 2	Bild 3	Bild 4
Foto: © Andreas Stenberg, Thomas Sandström.

1. Lägg 2-4 kalciumkarbidstenar på botten av provröret (bild 1).
2. Häll i vattnet.
3. Reaktionen startar omdeldelbart som vattnet tillsätts, och gas börjar bildas.
4. Tänd på gasen (bild 2).
5. Efter ett tag kan gasutvecklingen minska p.g.a. vattenbrist, häll på mer vatten (bild 3).
6. Om gaslågan slocknar, så testa att tända på igen (bild 4).

Förklaring

Vatten och kalciumkarbid reagerar så att acetylengas (CH≡CH) bildas, det är samma gas som numer återfinns i gassvetsar. Denna gas tänds på och ger då det klara ljusa skenet.

Kemisk bakgrund

Lampan

En karbidlampa är en lampa med två behållare, en för kalciumkarbid, CaC₂, och en för vatten. Dessa är förenade via en reglerbar ventil, samt en brännare. Då ventilen öppnas reagerar karbiden med vattnet, och det bildas acetylen. Denna gas brinner med kraftig vit låga. Lamptypen användes förr bl.a. som arbetsbelysning i gruvor och som tågbelysning.

Reaktionen när acetylen bildas ur kalciumkarbid är
CaC₂(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + HC≡CH(g)

Lukten av karbid

Kalciumkarbid innehåller små mängder kalciumfosfid (Ca₃P₂). Fosfiden reagerar med vatten, t ex luftens vattenånga, till fosfin (PH₃) som är en mycket giftig gas. Men lyckligtvis har fosfin har också en mycket stark, vitlöksliknande lukt vilket gör att man drar sig undan innan mängderna blir farliga. Undvik dock att lukta allför länge på karbiden. Kalciumkarbidens lukt beror alltså på spårmängderna av fosfid. Även acetylen bildas i kontakt med luftens vattenånga, men är luktlös. [1]

Kalcium

Kalcium är ett grundämne som tillhör de alkaliska jordartsmetallerna. Kemiskt tecken Ca, atomnummer 20, atommassa 40,08, densitet 1 550 kg/m³ och smältpunkt vid 839 °C. Kalcium är ett av de vanligaste ämnena i jordskorpan, där det förekommer bl.a. som kalciumkarbonat, CaCO₃, i mineralet kalkspat (även kallat kalksten), som kalciumfosfat, Ca₃(PO₄)₂ t.ex. i mineralet apatit, som silikat i en mångfald mineral och som kalciumsulfat, CaSO₄·2 H₂O (gips). Kalciumfosfat finns inlagrat i djurens skelett och skal, men har även stor betydelse för flera funktioner i cellerna (t.ex. för att undvika kalkbrist). De viktigaste kalciumkällorna i vår kost är mjölk, smör och ost.

I föreningar är kalcium tvåvärt. Ren kalciummetall, som är mycket reaktiv, framställs ur kalkspat. I första steget drivs koldioxid, CO₂(g), bort genom uppvärmning så att kalciumoxid, CaO, återstår. Denna finfördelas och blandas med aluminium, Al, som vid nästa upphettning bortgår tillsammans med syre, O₂(g), så att rent kalcium återstår. Metoden kallas termisk reduktion. Tidigare framställdes kalcium genom elektrolys av smält kalciumklorid, CaCl₂.

Kalk är benämning på både kalciumoxid, CaO (bränd kalk), och kalciumhydroxid, Ca(OH)₂ (släckt kalk). Många andra kalciumföreningar har teknisk användning, bl.a. utnyttjas de som jordförbättringsmedel eller fodertillsatser etc. Vissa bly- och magnesiumlegeringar innehåller också kalcium.

Acetylengas

Acetylen är en omättad gasformigt kolväte med formeln HC≡CH. Vanligaste framställningssättet är genom inverkan av vatten på främst kalciumkarbid. Tillsammans med luft eller syrgas bildar acetylen explosiva blandningar. Nils Gustaf Dalén (1869 - 1937) blev blind i en olycka (1912) rörande just acetylengas. Dalén uppfann bl.a. AGA-fyren, som är en typ av fyrlykta. Den fungerar så att en acetylenlåga matas från en gasbehållare så att belysningen tänds vid solnedgången och släcks vid soluppgången av en värmekänslig solventil. AGA-fyrarna är nuförtiden elektrifierade.

Med syrgas och särskilda brännare kan man få acetylen att ge en mycket het, blåaktig låga (2 700 °C), som används vid gassvetsning och skärning. Acetylen är en råvara i den organisk- kemiska industrin. Den är utgångsmaterial vid tillverkning av bl.a. syntetiskt gummi (polybutadien) och plast (polyvinylklorid). Tidigare har acetylen använts som narkosmedel, och för belysningsändamål (i karbidlampor).

När syretillförseln inte är lika god sker ofullständig förbränning. Den stora andelen kol i acetylen gör att det blir oförbrända kolpartiklar över som gör att lågan sotar. I själv lågan är sotpartiklarna heta och utsänder gult ljus, så kallad temperaturstrålning.

Reaktionen när acetylen förbärnns är starkt exoterm, vilket är särskilt tydligt hos en svetslåga. Acetylen självantänder dock inte. Det behövs en tändsticka för att få eld. Det beror på att det finns en aktiveringsenergi för reaktionen som måste överskridas.

Fördjupning

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln

Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.

"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".