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La candela sotto il barattolo

È uno degli esperimenti più famosi al mondo, si fa in cinque minuti ma ha più di 2000 anni di storia: una candela accesa, posta sotto un barattolo, dopo un po’ si spegne. Ma… dopo quanto tempo si spegne? Che cosa si consuma e che cosa si produce durante la combustione? Perché il barattolo si appanna all’interno? E se noi ci trovassimo un giorno in un enorme barattolo chiuso con una grande candela accesa? O forse ci siamo già?

Cosa vi serve?

  • Un barattolo grande di vetro. Quello che vedete nelle fotografie ha la capacità di 2,5 litri.
  • Un piatto.
  • Una candela.
  • Un accendino.
  • Un cronometro (o un semplice orologio con il conta-secondi).
  • Per fare il secondo esperimento vi serviranno anche un bicchiere, un righello, un piattino e dell’acqua colorata.

Cosa dovete fare?

  1. Mettete la candela sul piatto e accendetela.
  2. Coprite la candela con il vasetto capovolto e contemporaneamente fate partire il cronometro.
  3. Quando la candela si spegne completamente, fermate il cronometro.

La candela accesa sul piatto.

La candela coperta dal barattolo.

Qual è la capacità del vostro barattolo?

Quanto tempo ha impiegato la candela a spegnersi?

Che cos’altro avete osservato?

Magia della chimica (e della fisica)

In questo secondo esperimento procedete così:

  1. mettete la candela nel piattino;
  2. aggiungete acqua colorata fin quasi a riempire il piattino;
  3. accendete la candela;
  4. coprite la candela con il bicchiere di vetro capovolto (l’imboccatura del bicchiere è immersa nell’acqua);
  5. osservate attentamente cosa succede.

Nelle fotografie di questa pagina, il righello non serve a misurare una lunghezza ma a rendere visibile un fenomeno importante, quale?

Attenzione: osservate bene quello che succede

e cercate di spiegarlo!

Una breve animazione mostra come l'acqua colorata viene aspirata dentro il bicchiere.

Cosa avete osservato?

Tutti notano che la candela si spegne quasi subito (eh, il bicchiere è piccolo!) e che l’acqua sale nel bicchiere. Qualcuno misura con il righello quanta acqua è entrata nel bicchiere e usa questa informazione per dedurre quanto ossigeno si è “consumato” durante la combustione. Come vedremo, questa deduzione non è del tutto corretta.

Secondo me, le osservazioni più interessanti da fare in questo esperimento sono due:

  • il vetro si appanna all’interno (e questa è principalmente chimica);
  • l’acqua inizia a entrare nel bicchiere dopo che la candela si è spenta (e questa è principalmente fisica).

Il righello posto dietro il bicchiere serve a far notare che il vetro si è appannato.

Le immagini seguenti illustrano chiaramente i fenomeni descritti

 

I numeri sul righello si vedono chiaramente.

 

I numeri del righello si vedono chiaramente attraverso il vetro del bicchiere appena posato sopra la candela accesa.

 

Quando la candela è quasi spenta, i numeri del righello si vedono confusamente ed è entrata pochissima acqua nel bicchiere.

 

Dopo che la candela si è spenta, l'acqua entra nel bicchiere.

 

Le due immagini affiancate permettono di confrontare due momenti dell'esperimento.

 

Come si spiega?

La candela si spegne dopo un po’

La combustione “consuma” l’ossigeno imprigionato sotto il bicchiere. Quando non c’è più ossigeno disponibile, la candela si spegne.

Tuttavia la combustione non distrugge l’ossigeno ma lo lega ad altri atomi, per esempio quelli del carbonio e dell’idrogeno presenti nella paraffina della candela. In questo modo, l’ossigeno è sempre presente nel barattolo ma non è più disponibile per la combustione o per la respirazione.

In una reazione chimica neanche un atomo delle sostanze presenti viene distrutto e neanche un nuovo atomo viene creato: nulla si crea e nulla si distrugge. Questa è la legge di Lavoisier.

Attenzione, la legge di Lavoisier o Principio di conservazione della massa parla per l’appunto di massa e non di volume.

In una reazione chimica la massa complessiva dei reagenti è uguale alla massa complessiva dei prodotti.

Il vetro si appanna all’interno

La combustione del carbonio “consuma” ossigeno, carbonio e idrogeno e “produce” anidride carbonica e acqua. Poiché la temperatura è alta, l’acqua si presenta sotto forma di vapore acqueo.

Tale vapore è invisibile ma quando viene a contatto con il vetro più freddo del bicchiere, si condensa e lo appanna.

Le candele comuni sono fatte di paraffina oppure stearina. Esaminiamo il caso della paraffina, la cui formula chimica è C16H34. Una molecola di paraffina è una lunga catena formata da 16 atomi di carbonio e 34 atomi di idrogeno.

La combustione della candela (di paraffina) si può descrivere così:

paraffina + ossigeno (dell’aria) = anidride carbonica + acqua (+ energia termica)

In formule:

2 C16H34 + 49 O2 => 32 CO2 + 34 H2O

L’equazione chimica significa che per bruciare 2 molecole di paraffina servono 49 molecole di ossigeno e gli elementi si ricombinano formando 32 molecole di anidride carbonica e 34 molecole d’acqua.

L’acqua sale dopo che la candela si è spenta

L’aqua sale nel bicchiere principalmente per un motivo fisico e non chimico: dentro il bicchiere si forma una depressione che lo trasforma in una specie di siringa aspirante.

Più precisamente è la pressione atmosferica esterna, più alta, che spinge l’acqua dentro il bicchiere.

Come si spiega tale diminuzione di pressione dentro il bicchiere?

Non è corretto affermare che l’acqua entra nel bicchiere per sostituire l’ossigeno “consumato” perché abbiamo chiarito che l’ossigeno non è sparito durante la combustione.

Questo fenomeno si spiega invece con la dilatazione termica dei gas: l’aria, riscaldata si espande e raffreddata si contrae.

  • Quando copriamo la candela con il bicchiere capovolto, in realtà il bicchiere si riempie di aria riscaldata dalla fiamma della candela stessa.
  • Quando la candela si spegne, l’aria dentro il bicchiere si raffredda, quindi si contrae e di conseguenza la pressione diminuisce.

A conferma di questa conclusione abbiamo osservato che l’acqua sale nel bicchiere dopo che la candela si è spenta e non durante la combustione.

Un po’ di matematica

Nel nostro caso, il barattolo grande del primo esperimento ha una capacità di 2,5 litri e la candela si è spenta in 55 secondi.

Potremmo chiederci:

Quanto tempo impiegherebbe una candela a “consumare” (cioè legare al carbonio e all’idrogeno) tutto l’ossigeno presente in una stanza?

Per rispondere alla domanda dobbiamo supporre che la stanza sia perfettamente sigillata e che al suo interno ci sia un certo movimento dell’aria sufficiente a portare, a poco a poco, tutto l’ossigeno vicino alla fiamma della candela.

Risolviamo quindi una proporzione:

Volume stanza : Volume barattolo = Tempo stanza : Tempo barattolo

Usiamo le seguenti variabili:

  • Volume stanza = Vs
  • Volume barattolo = Vb
  • Tempo stanza = Ts
  • Tempo barattolo = Tb

La nostra proporzione quindi diventa:

Vs : Vb = Ts : Tb

Ci manca un dato: quanto può essere il volume di una stanza, espresso in dm³?

Se la stanza è un parallelepipedo rettangolo, il suo volume è dato dal prodotto delle sue tre dimensioni.

Per esempio, il volume di una stanza di 4 × 5 × 3 m è:

Vs = 4 × 5 × 3 = 60 m³ = 60 000 dm³.

Questa stanza equivale a ben 24 000 dei nostri barattoli!

Riprendiamo la proporzione.

60 000 : 2,5 = Ts : 55

Ts = 60 000 × 55 : 2,5 = 1 320 000 secondi = 367 ore circa = 15 giorni circa

In conclusione c’è abbastanza ossigeno per tenere accesa una candela per circa 15 giorni.

E per un essere umano, quanto durerebbe quella stessa quantità di ossigeno?

Per approfondire

Questo esperimento si può fare in cinque minuti, ma in realtà richiede molto di più di cinque minuti per essere capito e spiegato. Proprio per questo è un bellissimo esperimento!

Per una trattazione approfondita vi suggerisco l’articolo di G. Carboni, Esperimenti con una Candela, un Piatto, etc., 2008-2009 nel sito Fun Science Gallery.

Lo sapevate che questo esperimento ha una storia di 2200 anni? Io non lo sapevo e l’ho scoperto nell’articolo di Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núñez, Burning a Candle in a Vessel, a Simple Experiment with a Long History, 2011.

Caccia agli errori!

Quando si parla di cose apparentemente semplici ma in realtà complesse, gli errori sono sempre in agguato!

Perciò, invito i lettori e i colleghi insegnanti di scienze a segnalarmi gli errori e i passaggi incompleti o poco chiari che avete eventualmente notato in questo articolo.

Vi invito anche a segnalarmi nuovi esperimenti, idee e punti di vista che non ho considerato.

 

There are 13 comments. Add Yours.

Silvia Dequino —

Spiegazione chiara e approfondita!

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ines —

Solo un’imprecisione: in un passaggio l’appannamento del vetro viene indicato come “sopratutto chimico”, mentre la risalita dell’acqua “sopratutto fisico”, mentre è esattamente il contrario!
Per il resto tutto perfetto, grazie!

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    Alessandro Miglio

    @ines: in realtà ha ragione l’autore.
    La condensa sulle pareti del barattolo è “principalmente” chimica perché si vuole mettere in evidenza la formazione dell’acqua come prodotto della reazione tra la paraffina e l’ossigeno. È vero, si condensa perché c’è un passaggio di stato, dallo stato aeriforme del vapore acqueo allo stato liquido delle goccioline sulle pareti di vetro (che essendo fredde fanno condensare l’acqua).
    La risalita dell’acqua nel contenitore dal piattino invece è solo, ed esclusivamente, un fenomeno fisico ed è spiegato dalla prima legge di Gay-Lussac (ed è ben argomentato nel paragrafo “L’acqua sale dopo che la candela si è spenta”).

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Luigi —

Si, io stesso ho iniziato a dubitare della semplicistica spiegazione, riportata anche in alcuni libri. Proverei questa spiegazione : l’aria, riscaldandosi si dilata e impercettibilmente, fuoriesce in parte dal bicchiere . Quando la fiamma si spegne all’interno del bicchiere, vi è una quantità di aria minore e si crea quindi una depressione (quando la temperatura ritorna normale). Ma se la quantità d’aria fosse sempre la stessa, a parità di temperatura, la pressione sarebbe sempre uguale, non vedo come il bicchiere possa “aspirare” .Comunque si potrebbero fare esperimenti molto accurati per verificare…

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    Alessandro Miglio

    @Luigi. Il tuo commento è molto interessante. Osserviamo però bene la sequenza dell’esperimento: quando la candela è accesa viene coperta dal bicchiere, quindi l’aria che lo sperimentatore sta intrappolando sotto il bicchiere è già calda.
    Non stiamo cioè ragionando di un sistema isolato in cui l’aria fredda contenuta nel bicchiere si scalda e poi si raffredda (ovviamente in questo caso la pressione finale sarebbe uguale alla pressione iniziale).
    Stiamo invece intrappolando aria calda sotto il bicchiere. Ecco, quando la candela si spegne, e tutto si raffredda, interviene la prima legge di Gay-Lussac: la pressione del gas intrappolato sotto il bicchiere diminuisce e il sistema “risucchia” l’acqua colorata dal piattino.
    Volendo potremmo complicare un po’ la questione e osservare anche i cambiamenti nella composizione chimica dell’aria. Un po’ brutalmente, le 49 moli di ossigeno incombusto si trasformano in 32 moli di diossido di carbonio e 32 moli di acqua. Grossa parte dell’acqua si condensa sulle pareti del bicchiere, parte del diossido di carbonio si solubilizza nell’acqua, quindi non sono più gassose. Possiamo quindi ipotizzare che le moli di gas presenti alla fine dell’esperimento siano minori delle moli presenti all’inizio.
    A questo punto, grazie all’equazione di stato dei gas perfetti, sappiamo che la pressione di un gas è: p = (nRT) / V.
    A denominatore abbiamo il volume V, che è costante. A numeratore abbiamo R, che è la costante universale dei gas, n, che sono le moli di gas e T che è la temperatura del sistema. Alla fine dell’esperimento abbiamo senza dubbio un valore minore di T (la temperatura scende) e probabilmente un valore minore di n. La pressione finale è quindi verosimilmente più bassa di quella iniziale e ciò si spiega anche in base al minor numero di moli gassose presenti nel sistema.

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Luigi —

Alessandro, credo che la tua riflessione teorica sia perfetta. Forse siamo stati troppo severi dicendo che era “sbagliato” affermare che l’acqua saliva in quanto era diminuita la pressione a causa della fiamma che aveva “consumato” l’ossigeno. In un certo senso la diminuzione di pressione è dovuta proprio alla trasformazione dell’ossigeno in sostanze che non sono più gassose. Certo, l’O non è stato distrutto, ma si è trasformato…)
Quanto al gas riscaldato che successivamente, raffreddandosi diminuisce di volume continuo ad essere perplesso, SUGGERISCO quindi QUESTO ESPERIMENTO : collegare due sottili conduttori con una batteria da 4.5 volt, questi vengono fatti facilmente passare, nell’acqua, sotto il bicchiere. Nel rudimentale circuito elettrico che si crea si inserisce un piccolo tratto di resistenza elettrica che facilmente potrà accendere uno o più fiammiferi posti sotto il bicchiere. In pratica si tratta di accendere i fiammiferi stando all’esterno, quando il bicchiere è già in posizione. Se l’acqua salirà allora l’unica causa, come suppongo sia, è quella che hai indicato con la tua chiarissima spiegazione teorica.

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    Alessandro Miglio

    @Luigi: giusto per chiarezza, la mia supposizione sulla variazione delle moli gassose è poco più che un’ipotesi accessoria. Rimango convinto che il grosso del fenomeno sia dovuto alla dilatazione dei gas. Dopodiché sarebbe veramente interessante condurre l’esperimento che proponi (a proposito, questo spazio è aperto, qualora volessi mandarci un post).

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Anonimo —

Alessandro, non pensavo che vi fossero tante persone interessate a quell’esperimento. Guarda ad esempio questo sito : http://www.funsci.com/fun3_it/candela/piatto.htm
Molto accurato. Mi sembra che le sue conclusioni coincidano con le tue: principalmente la dilatazione iniziale dell’aria riscaldata. Ha ideato anche un bell’esperimento che rafforza questa ipotesi.
Resto del parere che sarebbe anche interessante accendere la fiamma stando all’esterno e osservare quanto succede…appena ho tempo ci provo.

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Silvia Ciaponi —

le motivazioni portate sono apparentemente corrette, ma c’è un esperimento che non è spiegabile con il raffreddamento dell’aria … nel sito toys from trash c’è l’esperimento della fontana ardente (http://www.arvindguptatoys.com/toys/Fieryfountain.html) in cui si vede entrare l’acqua prima che la candela sia spenta. Non so spiegarmi il fenomeno se non con la diminuzione del numero di molecole del gas all’interno. La spiegazione della combustione della paraffina mostra che da 49 molecole di gas ossigeno si passa a 32 molecole di CO2 e 34 molecole di vapore acqueo che almeno in parte si liquefa: solo se il numero totale di molecole (all’inizio 49) diminuisce si può comprendere l’ingresso dell’acqua in questo caso. Grazie.

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    Alessandro Miglio

    @Silvia, grazie per il commento. Visto l’interesse per questo esperimento lo replicheremo al più presto, cercando di tenere sotto controllo le variabili di disturbo (per esempio i cambiamenti di pressione dovuti al riscaldamento/raffreddamento del gas).

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Alessandra —

Questo esperimento mi farà impazzire! Provando invece che con un bicchiere con una beuta, l’acqua risale molto prima che si spenga la candela, anzi sembra proprio che sia l’acqua a spegnere la candela. Perché sale prima secondo voi???

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    Alessandro Miglio

    Ciao Alessandra. Questo esperimento dimostra che i fenomeni che sembrano semplici in realtà sono insidiosissimi. Ho provato a ripeterlo, con qualche modifica, e puoi trovarlo qui http://invitoallanatura.it/2015/la-candela-e-di-nuovo-sotto-il-barattolo/
    Per quanto riguarda invece la tua prova con la beuta la mia ipotesi è questa: quando copri la candela con la beuta, intrappoli aria calda dentro il recipiente. Le pareti fredde della beuta raffreddano velocemente questa prima aria calda e si genera il solito meccanismo di contrazione termica. Dal momento che la beuta ha un collo stretto, il volume d’acqua risucchiato risale qui in misura maggiore che nel bicchiere, che ha invece una imboccatura più larga.

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Alessandra Ventrice —

Ciao,
se si mette la candela fuori dal piattino e si fa scaldare l’aria all’interno del barattolo senza far spegnere la candela e poi si trasla velocemente il barattolo sopra il piatto immergendolo, l’acqua risale lo stesso. Ho provato a scaldare l’aria an he con il phon, ma l’acqua è risalita pochissimo, ma credo sia giusto così! Funziona anche se si riempie il bicchiere di acqua bollente, lo si svuota velocemente e lo si posiziona sul piatto con l’acqua. La risalita in questo caso è maggiore rispetto a quella con il phon, ma minore rispetto a quello con la candela.

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