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Wie definieren wir das Wort „Kerze‟? Wir könnten sagen, daß sie eine leicht tragbare Quelle von Licht ist, aber sie hat einige Nachteile:


das Licht is nicht stark
wenn sie draußen gebraucht wird, muß sie durch Glas- oder Plastikfenster geschützt werden
sie braucht eine Quelle von unabhängiger Zündung
wenn sie nicht richtig handhabt wird, kann sie eine Feuergefahr werden

Trotz dieser Nachteile, werden wir sehen, daß die Kerze eigentlich ein Wunder von chemischer Technik ist.

Bestandteile

Die Kerze hat zwie Bestandteile: festen Brennstoff in der Form von Wachs und einen eingelassen Docht, von faserigem Material gemacht.

Kerzenwachs

Kerzenwachs ist normalerweise eine Mischung von Paraffins („Alkans‟ in chemischer Ausdrucksweise) oder ähnlichen organischen Verbindungen. Das Wort „Paraffin‟ ableitet sich von Latin und bedeutet „fehlen Neigung‟, damit beschreibt es den Mangel von chemischer Reaktivität, es sei denn, sie werden in der Auswesenheit von Sauerstoff oder anderen geeigneten Substanzen bedampft. Es gibt nur zwei Elemente, die Kerzenwachs bilden: Kohlenstoff und Wasserstoff.

Kohlenstoff ist einzig unter den Elementen, weil seine Atome sich zusammen in Ketten und Ringe verbinden können, wenn es Moleküle formt. In Alkans wird jedes Kohlenstoffatom zu zwei anderen Kohlenstoffatomen und zwei Wasserstoffatomen verbunden. Am Ende der Kette wird der Kohlenstoff zu drei Wasserstoffen verbunden. Jede Bindung besteht aus zwei geteilten Elektronen, die die winzigen negativ geladenen Teilchen sind, die die positiv geladenen Kerne von den Atomen umkreisen (Abb 1A).

So können wir sehen, daß Alkans die allgemeine Formel CnH2n+2 haben. Wenn n = 1, ist das Molekül CH4, das wir als Methan kennen.Wenn wir die Kohlenstoffkette ausstrecken, produzieren wir (Abb 1B):

n = 2        C2H6        ethane
n = 3        C3H8        propane
n = 4        C4H10        butane

Bemerkt daß, wie die Kette länger wächst, die Möglichkeit sich zu gabeln sich ergibt. So die zwei Isomer von Butan sind n-Butan und iso-Butan (Abb 2). Die zwei Isomer haben etwas andere chemische und physische Eigenschaften.

Bei Zimmertemperatur sind die Alkans mit den kürzesten  Kohlenstoffketten Gase. Während die Kette sich verlängert, werden die Verbindungen flüssig and dann fest. Die Substanz, die wir als häusliches „Paraffin‟ (oder „Kerosin‟) kennen, hat Kohlenstoffketten von etwa zehn Atomen. In Kerzenwachs sind die Ketten von 20 bis 40 Kohlenstoffe lang, so es ist fester Stoff bei Zimmertemperatur, aber es kann leicht geschmolzen und verdampft werden durch das Auftragen von Hitze.

Kappilarwirkung im Kerzendocht

Innerhalb eines Körpers von Flüssigkeit wird jedes Molekül zu den umliegenden Nachbarn angezogen. Wenn feste Gegenstände Flüssigkeiten berühren, wirkt sich die Ausziehungskraft zwischen den Molekülen von der Flüssigkeit und den vom festen Stoff  auf das Benehmen der Fläsche der Flüssigkeit aus. Ein bekanntes Beispiel wird durch ein enges Glasrohr gegeben, das in ein Gefäß hineingesteckt wird, das Wasser hält. Die Ausziehungskraft zwischen den Wassermolekülen und den Glasmolekülen übersteigt die Wasser-Wasser Anziehendkraft und so wird das Wasser nach oben im Rohr gezogen, und  die befeuchtete Fläche nimmt zu (Abb 3).

Wir nennen dieses Phänomen „Kappilarewirkung‟. Die gleiche Wirkung kann gesehen werden, wenn ein poröses Material (wie Baumwollschnurr) in ein Gefäß hineingesteckt wird, das Flüssigkeit hält. Die engen Lücken zwischen den Fasern ziehen die Flüssigkeit vom Gefäß durch Kappilarewirkung. In einer beleuchteten Kerze wird geschmolzener Wachs nach oben im Docht durch die gleiche Wirkung gezogen.

Zündung
 
Wir haben schon bemerkt, daß Paraffinwachs in fester Form nicht reaktiv ist. Wir müssen irgendwie die einzelnen Moleküle trennen, so daß sie leichter mit Sauerstoffmolekülen in der Luft reagieren können. Wir tun dies in dem wir eine Hitzequelle zum unbedeckten Docht halten. Der Docht wird innerhalb seinen Fasergruppen festen Wachs haben. Die Hitze schmelzt den angrenzenden Wachs und dann verdampft einiger von ihm, einzelne Moleküle werden in der Luft freigelassen.

Die Sauerstoffmoleküle in der Luft existieren wie Paare von Atomen. Jedes Atom wird zum anderen durch zwei Doppelelektronpaare (vier Elektronen zusammen) gehalten. Bei Zimmertemperatur sind die Sauerstoffmoleküle nicht sehr reaktiv aber wenn wir eine Hitzequelle auftragen, werden einige von ihren Elektronen zu höheren Energiestufen angeregt. Die Bindungen werden geschwächt und diese angeregten Elektronen beginnen neue Partner zu suchen, das die Reaktivität des Moleküles vergrößert.

Lasst die Schlact beginnen!

Unsere Hitzequelle hat uns eine Wolke von einzelnen verdampften Wachsmolekülen angrenzend zum Kerzedocht gegeben, die mit Elektron-angeregten Sauerstoffmolekülen von der Luft umgeben sind. Der Verbrennungprozess, der folgt, kann am besten wie eine Massaker  beschrieben werden, mit Atomen, Molekülen und Molekülteilchen Atome von einandere greifen (Abb 4). Am Anfang, greifen die Elektron-angeregten Sauerstoffmoleküle Wasserstoffatome von den Wachsmolekülen an. Die Folge ist Radikal, das eine Wasserstoff-Sauerstoff-Sauerstoff Kreuzung ist, dessen wichtigstes Merkmal ein unpaariges Elektron ist. Dieses Radikal ist sehr reaktionsfreudig und wird andere Moleküle und Radikale angreifen, um einen Partner für sein unpaariges Elektron zu finden. Im Malstrom von Verbrennung, der folgt, werden einige von den Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen in den Wachsmolekülen auch gebrochen, Kohlenwasserstofferadikale und einzelne Kohlenstoffatome werden mit unpaarigen Elektronen produziert. Es gibt Hunderte von Zwischenreaktionen, die während des Verbrennungprozesses weitergehen. Einige von den möglichen Zwischenprodukten werden hier gezeigt.

Diese Produkte einschließlich Kohlenmonoxid und neue Sauerstoffmoleküle können natürlich Wachsmoleküle wieder angreifen. Die Endprodukte sind Moleküle von Wasser und Moleküle von Kohlendioxid. Die Oxidation der Wachsmoleküle lässt Hitze frei, die noch festen Wachs schmelzt, das durch Kappilarewirkung nach oben im Docht reihum gezogen und verdampft wird. So ist der Verbrennungprozess selbsterhaltend, und die Kerze setzt fort mit dem Brennen, nach dem wir die ursprüngliche Hitzequelle entfernen.

Die Kerzenflamme

Das offensichtlichste Bestandteil in der Kerzenflamme ist sein goldnerer Schein, der die Absicht der Kerze ist. Wie ergibt sich dieses Phänomen vom Verbrennungprozess? Wir sahen oben, daß eins von den Zwischenprodukten atomischer Kohlenstoff ist, mit den einzelnen Atomen die verzweifelt, Partner für ihre unpaarige Elektronen suchen. Eine Methode, damit paaren erreicht werden kann, ist sich mit anderen Kohlenstoffatomen zu verbinden, so daß Elektonbindungen zwischen ihnen wiedergebracht werden können. Das führt zu der Formung von Kohlenstoffteilchenen, oder Ruß. In diesen Teilchen teilen die Kohlenstoffatome ihre Elektrone in beide „üblichen‟ gepaarten Bindungen und auch in anderen komplizierteren Anordnungen. Die Hitzeenergie, die während der Verbrennung freigelassen wird, erhöht die Temperatur dieser Rußteilchen bis zum Erglühen, daß den Schein der Flamme erzeugt. Natürlich werden bald diese heißen Kohlenstoffteilchen von freien Sauerstoffmolekülen angegriffen, daß Kohlendioxid formt (Abb 5).

Unterhalb der leuchtenden Fläche der Flamme kann eine blaue Region von Flamme gesehen werden. In dieser Region wird das blaue Licht ausgestrahlt, wenn angeregte Elektronen zu tieferen Energiestufen zurück sinken.

Dochtbeschneiden

Ein Problem, das sich auf frühere Versionen von Kerzen auswirkte, ergab sich, wenn der feste Wachszylinder herunterbrannte, daß eine zunehmende Länge von Docht freilegte. Der Docht würde endlich zusammenbrechen und würde geschmolzenen Wachs hinunter kleckern. Außerdem würde es die Kerze verunstalten, wenn sich der zusammengebrochene Docht mit dem Verbrennungprozess einmischte , dann führte das zu einer instabilen rauchenden Flamme.

Eine Methode, mit dem Problem zu handeln, war Dochttrimmer zu gebrauchen, die einer Schere glich, die Länge von freigelegtem Docht zu reduzieren. Eine bessere Lösung war die Erfindung des selbsttrimmenden Dochtes, wie auf modernen Kerzen finden. Das Dochtmaterial wird geflochten, so daß es sich lockt, wie seine freigelegte Länge zunimmt. Bei dieser Methode verbraucht das Teil der Flamme, das am heißesten ist (an seinem Rand) das Ende des Dochtes, wie die Kerze verbrennt (Abb 7).

Die Funktion von modernen Kerzen

Obwohl nicht mehr als eine Hauptlichtquelle gebraucht, hat die bescheidene Kerze heute nützliche Funktionen:

als eine Notquelle von Licht
für dekorative Zwecke
als ein Spender von Düften, wenn der Wachs mit geeigneten Substanzen behandelt wird

Sie gaben ihr Alles für euch

So, sie kann bescheiden sein, aber ihr werdet verstehen, daß die Kerze tatsächlich ein kluges Beispiel von chemischer Technik ist. Und das nächste Mal, das ihr über jene warme, feine Kerzenflamme staunt, erinnert euch, daß Trillionen von Atomen und Molekülen zum Tode kämpfen. Sie opfern sich, nur, um euch im sanften Glühen von goldenen Licht zu bestrahlen.








How do we define the word 'candle'? We could say it is an easily portable source of light, but it has several drawbacks:

the light is not strong
when used outdoors it must be shielded by glass or plastic windows
it needs an independent ignition source
when not properly handled it can become a fire hazard

Despite these drawbacks, we'll see that the candle is in fact a marvel of chemical engineering.

Components

The candle has two components: solid fuel in the form of wax and an embedded wick made of fibrous material such as cotton.

Candle wax

Candle wax is usually a mixture of paraffins ('alkanes' in chemical parlance) or similar hydrocarbon organic compounds. The word 'paraffin' derives from Latin and means 'lacking affinity', thereby describing the lack of chemical reactivity of paraffins unless they are vapourised in the presence of oxygen or other appropriate substances. There are just two elements making up paraffin wax: carbon and hydrogen.

Carbon is unique amongst the elements because its atoms can link together in chains and rings when forming molecules. In alkanes, each carbon atom is bonded to two other carbon atoms and two hydrogen atoms. At the end of the chain the carbon is bonded to three hydrogens (Fig 1A). Each bond comprises two shared electrons, which are the tiny negatively charged particles orbitting the positive nuclei of the atoms.

Thus we can see that alkanes have the generic formula CnH2n+2. When n = 1 the molecule is CH4, which we know as methane. If we extend the carbon chain we produce (Fig 1B):

n = 2        C2H6        ethane
n = 3        C3H8        propane
n = 4        C4H10        butane

Note that as the chain grows longer, the possibility of branching arises. So the two isomers of butane are n-butane and iso-butane (Fig 2). The two isomers have slightly different chemical and physical properties.

At room temperature the alkanes with the shortest carbon chains in their molecules are gases. As the chain lengthens the compounds become liquid and then solid. The substance that we know as domestic 'paraffin' (or kerosene) has carbon chains of approximately ten atoms. In candle wax the chains are 20 to 40 carbons long, so it is a solid at room temperature but can be readily liquified and vapourised by the application of heat.

Capillary action in the candle wick

Within a body of liquid each molecule is attracted to the neighbours surrounding it. When solid objects come into contact with liquids the attraction between the molecules of the liquid and those of the solid affects the behaviour of the surface of the liquid. A well known example is given by a narrow glass tube inserted into a vessel containing water. The attraction between the water molecules and the glass molecules exceeds the water-water attractive force and so the water is pulled up into the tube, increasing the 'wetted' area (Fig 3). We call this phenomenon capillary action. The same effect can be seen when a porous material (such as cotton string) is inserted into a vessel containing liquid. The narrow gaps between the fibres draw the liquid away from the vessel by capillary action. In a lit candle, molten candle wax is drawn up the wick by the same action.

Ignition

We have already noted that paraffin wax is not reactive in solid form. We must somehow separate the individual molecules so that they can more readily react with oxygen molecules in the air. We do this by holding a heat source to the exposed wick, which will have within its fibres clusters of solid wax molecules. The heat melts the adjacent solid wax and then vapourises some of it, releasing individual molecules into the atmosphere.

The oxygen molecules in the air exists as pairs of atoms. Each atom is held to the other by two double-electron pairs (four electrons altogether). At room temperature the oxygen molecules are not highly reactive but if we apply a heat source some of their electrons are excited to higher energy levels. The bonds are weakened and these excited electrons start to look for new partners, which increases the reactivity of the molecule.

Let battle commence!

Our heat source has given us a cloud of individual vapourised wax molecules adjacent to the candle wick surrounded by electron-excited oxygen molecules from the air. The combustion process which follows can best be described as a massacre, with atoms, molecules and molecule fragments tearing atoms from each other. To begin with, the electron-excited oxygen molecules wrench hydrogen atoms away from the wax molecules. The result is a radical, comprising a hydrogen-oxygen-oxygen hybrid, whose most important feature is an unpaired electron. This radical is very highly reactive and will attack other molecules and radicals, seeking a partner for its unpaired electron. In the maelstrom of combustion some of the carbon-carbon bonds in the wax molecules are also broken, producing hydrocarbon radicals and individual carbon atoms with unpaired electrons. There are hundreds of intermediate reactions going on during the combustion process. Some of the possible intermediate products are shown here (Fig 4), including carbon monoxide molecules and new oxygen molecules, which of course can attack wax molecules again. The end products are molecules of water and molecules of carbon dioxide. The oxidation of the wax molecules releases heat, which melts more solid wax, which is in turn drawn up the wick by capillary action and vapourised. Thus the combustion process is self-sustaining and the candle will continue to burn after we remove the initial ignition source.

The candle flame

The most obvious component in the candle flame is its golden glow, which is the purpose of the candle. How does this phenomenon arise from the combustion process? We noted above that one of the intermediate combustion products is atomic carbon, with the individual atoms desperate to find partners for their unpaired electrons. One method of achieving pairing is to combine with other carbon atoms so that electron bonds can be restored between them, resulting in the formation of carbon particles, or soot. In these particles the carbon atoms share their electrons in both 'standard' paired bonds and other more complex arrangements. The heat energy released during the combustion processes raises the temperature of these particles of soot to incandescence, producing the glow of the flame. Of course, before too long these hot carbon particles are also attacked by free oxygen molecules, forming carbon dioxide (Fig 5).

Below the luminous area of the flame can be seen a blue-coloured region of flame. In this region, the blue light is emitted when excited electrons drop back to lower energy levels.

Wick trimming

A problem afflicting earlier versions of candles arose when the solid wax cylinder burned down, exposing an increasing length of wick, which would eventually collapse and dribble molten wax down the side of the candle. Besides disfiguring the candle, the collapsed wick also interfered with the combustion process, leading to unstable, smoky flame generation.

A method of dealing with the problem was to use wick-trimmers, which resembled scissors, to reduce the length of exposed wick. A better solution was the invention of the self-trimming wick, as found on modern candles. The wick material is braided in such a way that it curls as its exposed length increases. In this way the hottest part of the flame (at its edge) consumes the end of the wick as the candle burns (Fig 7).

The function of modern candles

Although no longer used as a primary light source, the humble candle these days still has useful functions:

as an emergency source of light
for decorative purposes
as a dispenser of fragrances when the wax is treated with appropriate substances

They gave their all for you

So, it may be humble, but you will appreciate that the candle is indeed a clever example of chemical engineering. And the next time you marvel at that warm, delicate candle flame, remember that trillions of atoms and molecules are fighting to the death, sacrificing themselves just to irradiate you in the soft glow of golden light.



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