Vánoční pohádka o tom, proč má hořící svíčka štiplavou “vůni”

Někomu jejich vůně připomíná chlor, jinému spíše ozón. Odkud se bere tradiční “štiplavá” vůně svíček? Malé vánoční povídání ze světa atomů a molekul. (délka blogu 10 min.)

Lidský čich je poměrně nedokonalý. Přesto nás evoluce vybavila senzorem, který umí upozornit na existenci nepříliš zdravých substancí. Řada z nich pro nás voní podobně - jedná se například o halogeny, oxidy dusíku nebo ozón.

(obsahující chlor, fluor, chlor, brom nebo jód ve vosku svíček nenajdeme - halogenidy můžeme tedy zavrhnout. Zvláštní štiplavý zápach produkuje hořící svíčka díky vzniku určitého množství oxidů dusíku a tím i ozónu, který se může tvořit při rozpadu jednoho z nich. Největší podíl na zápachu svíček mají ovšem - oxidy dusíku.

Odkud se vzaly?

Svíčka má k dispozici hned dva zdroje. Jedním z nich je vzduch, druhým je samotný materiál svíčky.

Vzduch je směs různých plynů. Nemalou část (kolem 78 objemových procent) z nich tvoří molekuly dusíku. Relativně lehký prvek vznikl v nitru obří hvězdy dávno před tím, než se z jejího popela vytvořila naše Sluneční soustava. Spolu s kyslíkem (nutným pro naše dýchání), křemíkem (z jehož sloučenin se skládá naše planeta) a uhlíkem (hlavní součástí živé hmoty) tvoří skupinu nejrozšířenějších prvků v našem okolí.

Spolu s vodíkem (nejrozšířenějším vesmírným prvkem) kdysi vytvořil molekuly čpavku - a právě v této podobě se kdysi dostal na Zemi spolu s ostatní hmotou komet, které ji v ještě mladé soustavě bombardovaly. První bakterie pak přeměnily čpavek na molekulární dusík.

Molekulární dusík

obsahuje dvě molekuly tohoto prvku. Je to bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Při velice nízkých teplotách mrzne na bezbarvý led (při -196°C). Ve vodě se rozpouští jen nerad (jen asi 23 ml v jednom litru vody při 0°C).

Lenivý dusík

Dusík sám o sobě je nehořlavý a co se týká jeho chemických aktivit - jsou jeho molekuly velice lenivé. Za chemické reakce je mimochodem zodpovědný elektronový obal látek a jeho uspořádání, kterému se říká odborně …

... elektronová konfigurace.

Elektrony, které má prvek k dispozici, obsazují určité předem dané orbitaly, které by se daly přirovnat k hotelovým pokojům.

Ty jsou dvoulůžkové - do každého se vejdou dva elektrony. Čím více elektronů prvek má, tím větší množství různých hotelových pokojů je jimi zaplněno. Podobně jako my lidé, ovšem bydlí elektrony rády v jednolůžkových pokojích. Poté, co bylo zaplněno první patro “atomárního hotelu”, stěhují se další elektrony do vyšších a vyšších pater. Ty, které obsadily poslední pokoje, bydlí o samotě. Jsou zpočátku spokojené. Jak to ale bývá i u lidí - po nějaké době se začnou nudit a je jim smutno. Hledají si nové partnery kde se dá - a podílejí se tak na chemických reakcích mezi prvky.

Pokud atom dusíku “potká” jiný atom dusíku - spřátelí se elektrony v jeho “2p” patře. Nemají pak už žádnou větší potřebu hledat si další partnery. Stačí jim, že si mohou se sousedy z vedlejšího hotelu telefonovat. Jak pokoje v prvním, tak druhém patře takové molekuly jsou obsazeny vcelku šťastnými elektrony. Atomární dusík je pak chemicky lenivý a nereaguje moc ochotně s jinými prvky. Oba atomy v molekule jsou vázány tzv. trojnou vazbou.

Pokud se chce jiný prvek seznámit s teď už spokojeným elektronem, který “telefonuje” se svým kolegou v jiném atomu dusíku - musí vynaložit daleko větší energii, než jaká vznikne jen pouhým klepáním na dveře. Musí ony pomyslné dveře doslova vylomit. V praxi to znamená, že na jeden mol látky se musí vynaložit 90 kJ energie. Tušíte správně. 90 kJ/mol energie se neválí jen tak na ulici. Může ji ale dodat například - hořící svíčka.

Pro srovnání - kdyby se stejná energie proměnila na kinetickou energii jednoho molu plynu (dusíku), odpovídalo by to rychlosti 2,6 km/s. Stejné množství energie proměněné na polohovou energii odpovídá zhruba výšce 340 km.

Druhým zdrojem oxidů dusíku je samotný materiál svíčky, lépe řečeno barviva, kterými se barví vosk. Ta ve své molekulární struktuře obsahují kromě běžného uhlíku vodíku a kyslíku často také dusík, který se při vyšší teplotě obzvláště rád mění na oxidy.

Svíčka zhotovená z bezbarvého vosku tedy vnáší do vzduchu “základní” znečištění, zatímco barevné svíčky zásobují náš vzduch mnohanásobně větším množstvím oxidů dusíku.

V dobře větraných (starých) stavbách to jistě není problém. Pokud ale vychutnáváte větší množství svíček v bytě s moderními okny, které dobře těsní, na závěr jistě neuškodí krátké vyvětrání.

Co přesně se děje během hoření?

Energie, kterou dodává plamen, stačí  na to, aby proběhla chemická reakce - oxidace původně spokojeného a lenivého dusíku. Tato energie (ne nepodobná zemětřesení) přetrhá pomyslné telefonní vedení všem elektronům v nejvyšším patře atomárního hotelu. V následujícím chaosu se už nespárují s jiným atomem dusíku - ale s atomem kyslíku.

Kyslík má trochu jinou elektronovou konfiguraci než dusík. Vždyť každý prvek má své vlastní specifické množství protonů v jádře - a proto také vlastní počet elektronů, které náboj z jádra vyvažují, aby byl atom elektricky neutrální. Kyslík má na rozdíl od dusíku ne sedm - ale hned osm elektronů. Dva z nich jsou chronicky “nešťastné”.

Oba se chtějí spárovat s elektrony z jiných atomů. Při spojení dusíku a kyslíku do molekuly oxidu dusnatého (N=O) vzniká ale jen další - a zase poměrně nešťastná sloučenina. Má totiž pořád ještě jeden nespárovaný elektron,  který se pokouší sehnat nějakého přítele (na obrázku zvýrazněný červenou šipkou).

Naštvaný, nešťastný a psychicky nevyvážený elektron způsobuje v praxi řadu problémů. Oxid dusnatý je metastabilní. Při nízkých teplotách se snaží svoje dilema řešit tím, že sdružuje dvě molekuly N=O do dočasného manželství - dimerizuje. Smutné elektrony obou molekul si sice nemohou telefonovat, ale alespoň si píší maily.

Při vysokých teplotách N=O naopak oxiduje a vytváří oxid dusičitý (O=N=O). Ale ani tento experiment ho neuspokojuje - prostě to není ono. NO2 dimerizuje (tvoří dvoumolekulu)  ještě raději než N=O. Ovšem už při teplotách kolem -11°C se dimer zase rozpadá. Při teplotě kolem 150 °C se mu zase začíná stýskat po existenci ve formě N=O a při 600°C už se na něj přeměnil úplně. Oxid dusíku zkrátka není nikdy dostatečně spokojený.

Každý solidní a slušný atom dusíku doufá, že se jednoho dne zase bude smět spárovat se svým nejmilejším příbuzným … jiným atomem dusíku.

V praxi to znamená, že reakce, které pozorujeme při oxidaci dusíku, jsou vratné a probíhají oběma směry. Parametrem, který určuje momentální koncentraci toho či onoho oxidu je především teplota.

Následující tabulka ukazuje závislost koncentrace N=O na okolní teplotě. V levém sloupečku je zanesená teplota, v pravém sloupečku se nachází koncentrace v objemových procentech.

200	10-7
700	0,04
1200	0,1
1800	0,5
1900	1

Teoreticky by se tedy měl oxid N=O při odchodu z horké zóny plamene svíčky zase rozpadnout. Už při teplotě 200°C by měla být jeho koncentrace jen minimální.

V praxi se to neděje. Zjevně je pro molekulu N=O lepší vrabec v hrsti než holub na střeše - zůstává tedy ve svém neuspokojivém stavu. Chemik takové chování nazývá metastabilní. K rozpadu je potřeba dodat určitou energii, která dostala příznačné jméno “aktivační”.

Přesně to je důvod pro existenci oxidu dusíku v našem obýváku - a také pro štiplavou vůni svíček.

Oxid dusíku se díky energii dodané svíčkou sice vytvoří, ale nemá dost slušnosti, aby se zase hned rozpadl.

Něco podobného se děje mimochodem také na silnicích. U aut, která používají spalovací motory totiž vznikají oxidy dusíku stejně, jako v případě hořící svíčky. Zatímco u svíček se proti tomu nedá nic moc podniknout - vymyslel automobilový průmysl částečnou pomoc. Vysoká hodnota aktivační energie (potřebné k rozložení N=O na původní komponenty) se snižuje pomocí katalyzátorů.