Проектная работа по химии «Химия и жизнь: парафиновые свечи».

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа №2 города Пестово» Новгородской области

Проектная работа по химии «Химия и жизнь: парафиновые свечи»










Выполнила: Иванова Инна, ученица 10 класса
Руководитель проекта: Смирнова С.С.,

учитель химии

2019

Паспорт проекта

Наименование работы	«Химия и жизнь: парафиновые свечи»
Исполнитель	Иванова Инна, ученица 10 класса
Цель	Создать несколько образцов парафиновых свечей с разнообразными свойствами
Задачи	Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: Изучить теоретические сведения о парафиновых свечах Разработать план создания парафиновых свечей Создать несколько парафиновых свечей с различными свойствами
Руководитель	Смирнова Светлана Сергеевна
Основополагающий вопрос	Как и из чего создают парафиновые свечи
Год разработки	2018-2019 уч. год
Предметная область	Химия
Учебная тема	Прикладная органическая химия
Тип проекта	Практико-ориентированный
Тип проекта по предметно - содержательной характеристике	Монопроект
Технологии	-исследовательские методы обучения; -проектные методы обучения;
Краткая аннотация проекта	Проект содержит информацию для учащихся 10 классов о парафиновых свечах, их особенностях и необычных химических свойствах органических веществ.
Сроки реализации проекта	Декабрь 2018 – Март 2019
Ожидаемые результаты	Создание нескольких парафиновых свечей с различными свойствами.

Оглавлени

Введение 4

Глава 1. Теоретические сведения о парафиновых свечах 5

Физические и химические свойства веществ, используемых при изготовлении парафиновых свечей 5

Парафин 5

Целлюлоза 6

Борная кислота 7

Хлорид лития 7

Люминофор 7

Глава 2. План создания образцов парафиновых свечей 9

Свойства парафиновых свечей 9

Цвет свечи 9

Цвет пламени свечи 10

Создание люминиcцентного свечения изнутри свечи 10

Узор на стенках стеклянной формы для свечи 10

План проведения эксперимента 10

Этапы 11

Список необходимых веществ, химической посуды и расходных материалов 11

Глава 3. Результаты эксперимента 13

Свеча №1 13

Свеча №2. 13

Свеча №3. 13

Выводы 13

Цвет свечи 14

Цвет пламени свечи 14

Создание люминисцентного свечения изнутри свечи. 15

Узор на стенках стеклянной формы для свечи 15

Заключение 16

Список использованной литературы 17

Введение

Каждый день мы применяем достижения в области естественных наук — химии и физики. Электричество, радиосвязь; такие измерительные приборы, как термометр и весы; поверхностно-активные вещества, которые входят в состав любого моющего средства — без всего этого вряд ли бы мы могли представить обыденную жизнь такой, какой она является сейчас.

Одним из достижений являются и парафиновые свечи. Конечно, первые свечи появились еще задолго до нашей эры, но тогда они имели совершенно другой вид и состав.

Считается, что египтяне были первыми, кто начал использовать свечи с фитилём еще в 3000 годах до нашей эры. Самыми примитивными были высушенные рыбы с большим содержанием жира, которые легко горели. Что касается нашей эры, свечи были основным способом освещения жилища на протяжении более чем десятка столетий.

В 20 веке химическая промышленность получила значительное развитие. С тех пор свечи, ранее являвшиеся столь жизненно важным предметом, это красивые и удобные в применении элементы декора.

Замысел данного проекта состоит в том, чтобы научиться создавать уникальные парафиновые свечи с необычными свойствами, которыми не обладают свечи, произведенные в промышленных условиях.

Разбор химического состава данных свечей, выполненный в данной работе, также является важной частью проекта. В настоящее время большинство людей остерегается любых искусственно полученных веществ и считает, что все они несут исключительно вред и опасность. Такое мнение достаточно распространено и при этом оно ошибочно, поэтому данный проект позволяет каждому разобраться в той отрасли науки, которая наиболее широко применяется в повседневной жизни - прикладной органической химии.

Глава 1. Теоретические сведения о парафиновых свечах

Любая свеча, будь то парафиновая, масляная, восковая или гелевая, является смесью различных веществ. В нашем случае речь пойдет именно о парафиновых свечах, так как вещества для их создания легкодоступны и безопасны, а также полученные свечи будут иметь красивый вид.

Горючее вещество, используемое в парафиновых свечах - парафин. При этом, к нему добавляют небольшое количество стеарина, так как он увеличивает время горения свечи и не дает ей потерять форму при нагревании. Для изготовления свечных фитилей используют хлопчатобумажные нити, которые в свою очередь состоят из целлюлозы. Фитилям нужна и пропитка - ее готовят из поваренной соли - хлорида натрия, буры - тетрабората натрия и воды.

Однако, помимо основных компонентов, в свечу можно добавить и вспомогательные, чтобы свеча имела необычные свойства. Например, при добавлении в парафин люминофора готовая свеча будет излучать свет и изнутри, а если добавить соли щелочных металлов - пламя свечи может окраситься в другой цвет.
Далее подробно разобраны свойства каждого вещества, указанного выше.

Физические и химические свойства веществ, используемых при изготовлении парафиновых свечей Парафин

Парафин - это бесцветная воскообразная смесь веществ, полученная путем многостадийного очищения нефти. Строго говоря, парафин является смесью насыщенных углеводородов - высокомолекулярных соединений углерода с водородом.
Эта смесь веществ легко плавится, долго горит и не образует дыма при горении, так как выделяется только бесцветный углекислый газ и водяной пар.

Парафин не вызывает серьезных ожогов при попадании на кожу и не раздражает её. Не обнаружено и никакого другого отрицательного влияния парафина на здоровье человека, напротив, он даже используется в медицине как отдельный метод лечения кожных заболеваний.

Стеарин

Стеарин - высокомолекулярное соединение, относящееся к классу триацилглицеринов - жиров. Это вещество получают взаимодействием глицерина с высшими карбоновыми (жирными) кислотами - стеариновой, пальмитиновой и олеиновой.

Стеарин имеет белый или слегка желтый цвет, оно жирное на ощупь. Это вещество идентично натуральным жирам, поэтому также не представляет опасности для здоровья человека.

Целлюлоза

Целлюлоза - это полисахарид, органический полимер, являющийся основой любой растительной клетки. Она ежедневно употребляется человеком в пищу в виде клетчатки.

Из хлопка, состоящего на 95% из целлюлозы, получают хлопчатобумажные нити, которые затем становятся основой свечных фитилей.

При зажигании свечи фитиль обугливается, так как каждая молекула целлюлозы состоит из большого количества атомов углерода, однако фитиль не разрушается полностью и сгорает постепенно с уменьшением горючего вещества в свече. Это свойство целлюлозы, наряду с ее доступностью, делает ее отличным материалом для свечных фитилей.

Тетраборат натрия (бура)

Бура - это кристаллическая натриевая соль тетраборной кислоты, имеющая белый цвет. Само её название говорит о том, что в состав кислоты входят четыре атома бора, а еще семь атомов кислорода и два атома водорода. Данное вещество является минеральным и оно также очень распространено в быту - тетраборат натрия используют как лекарственный антисептический препарат, инсектицид и пропитку для свечных фитилей.

Фитили, обработанные раствором буры, лучше держат форму и медленее разрушаются от воздействия огня.

Борная кислота

Борная кислота - кристаллическое минеральное соединение белого цвета, слегка жирное на ощупь, молекула которого состоит из трех атомов водорода, одного атома бора и трех атомов кислорода. Эта кислота имеет огромное множество вариантов ее применения в быту - начиная садоводством и заканчивая фармацией. Действительно, борная кислота имеет неплохой антисептический эффект и ее разбавленные растворы используют для обработки поврежденной кожи. Не менее интересно и другое свойство борной кислоты, которое и делает ее одним из вспомогательных веществ в свечах - она способна окрашивать пламя в светло-зеленый цвет. Объяснение этому находится на квантовом уровне в атоме бора, связанное с испусканием световой волны с определенной длиной, соответствующей зеленому цвету.

При проглатывании данное вещество может оказать отрицательное влияние на нервную систему, а концентрированные растворы способны оставить ожоги на коже человека, поэтому при работе с ним следует соблюдать меры осторожности.

Хлорид лития

Хлорид лития - белая кристалличесекая соль щелочного металла лития и хлороводородной кислоты. Молекула хлорида лития состоит из одного атома лития и одного атома хлора. Это вещество не имеет применения в повседневной жизни, но используется в неорганическом лабораторном синтезе для получения других, более используемых соединений лития.

Интересен тем, что окрашивает пламя в розовый или алый цвет.

Люминофор

Люминофоры - группа веществ, обладающая способностью испускать световое излучение (свет). Люминофоры имеют множество классификаций - по причине излучения, по характеру процессов, приводящих к излучению, по длительности свечения, и т.д. Свойства каждого люминофора различны, поэтому невозможно составить общее описание класса люминофоров. Самые распространенные виды таких веществ - фотолюминофоры и термолюминофоры, обладающие фотолюминисценцией (свойство излучать свет под воздействием электромагнитного излучения) и термолюминисценцией (свойство излучать свет при нагревании) соответственно.

В парафиновых свечах чаще всего используют термолюминофоры, так как при постепенном нагревании зажженной свечи они начинают плавно усиливать свое свечение, что является красивым процессом. Обычно термолюминофоры выполняют на основе фторидов кальция - минерального вещества, безопасного для здоровья. Подтверждением тому может быть факт, что фторид кальция нередко используют как компонент зубных паст.

Глава 2. План создания образцов парафиновых свечей

Разумеется, основная часть работы заключается в создании нескольких парафиновых свечей. В дальнейшем они могут быть использованы в декоративных целях, а в данном проекте они играют роль эксперимента, позволяющего подтвердить или опровергнуть гипотезы о том, какие необычные свойства можно придать обыкновенной парафиновой свече.

Свойства парафиновых свечей

Любая парафиновая свеча, изготовленная только из основных компонентов - парафина, стеарина и фитиля, имеет белый или желто-белый цвет и горит желтым пламенем. Однако, фактом является то, что эти свойства можно изменить, а главный вопрос - как именно это можно сделать.

Ниже представлены свойства свечей, которые могут быть изменены, а так же методы их изменения, составленные автором на основе теоретических сведений и предположений, в справедливости которых предстоит убедиться экспериментальным путем.

Свойства парафиновых свечей, поддающиеся изменениям

Цвет свечи

Цвет горючего вещества свечи - парафина, может быть изменен с помощью красителей. При этом, для этой цели подойдут только безводные красители в виде порошка, так как только в мелкодисперсном состоянии краситель легко окрашивает весь объем вещества.

Красители на водной основе не подходят из-за того, что в парафине они сворачиваются, покрываясь тонким слоем мгновенно застывающего парафина, и сохраняют форму капель за счет создавшейся парафиновой оболочки.

В практической работе будут применены красители трех цветов - синего, красного и зеленого. При этом, будут использованы разные количества красителей для получения разных оттенков.

Цвет пламени свечи

Изменение цвета пламени свечи происходит за счет добавления в состав веществ ионного строения, например, борной кислоты и хлорида лития.

Существует несколько теоретических способов внести вещество в состав свечи. Предстоит узнать, какие из них будут рабочими и наиболее эффективными.

Способ 1. Используемое вещество вносится в расплавленный парафин и равномерно распределяется по всему его объему.

Способ 2. Используемое вещество растворяется в воде и добавляется в раствор для пропитки фитиля. Затем фитиль пропитывается раствором, высыхает и помещается в свечу.

Способ 3. Используемое вещество растворяется в этиловом спирте или салициловой кислоте и вносится в свечу путем переливания полученного раствора на поверхность застывшей свечи около фитиля.

Создание люминиcцентного свечения изнутри свечи

Для того, чтобы горючее вещество также светилось, в него добавляют вещества-люминофоры, описанные ранее в главе 1. В ходе эксперимента планируется использовать в одной из свечей термо- и фотолюминофор.

Узор на стенках стеклянной формы для свечи

Если добавить к парафину больше стеарина, чем требуется, вероятно, из-за различия в температурах плавления данных веществ произойдет образование узора на стекле - парафин застывает быстрее, чем стеарин.

План проведения эксперимента

Так как с добавлением дополнительных свойств ход работы усложняется, был составлен развернутый план создания свечей для учета всех деталей.

Этапы

• Подготовка используемых веществ.
  Состоит в измерении необходимых количеств веществ и проверке их качества.

• Приготовление раствора для пропитки фитиля.
  Pаствор состоит из воды, буры, поваренной соли и используемого красящего вещества для пламени.

• Пропитка фитиля приготовленным раствором.
  
  

• Высушивание фитиля.
  Проводится при комнатной температуре в течение нескольких дней для удаления кристаллизационной воды из молекул растворенных веществ.

• Закрепление фитиля на металлическом держателе.
  Соединение фитиля и держателя проводится растопленным парафином. Это необходимо для того, чтобы фитиль находился строго в центре свечи.

• Растапливание остального парафина на водяной бане.
  Другие способы не подходят из-за того, что парафин начинает гореть, а не плавиться.

• Добавление мелкодисперсного красителя и стеарина к растопленному парафину.

• Помещение фитиля в форму для свечи.

• Послойная заливка парафина в форму.
  Требует контроля температуры парафина, так как предыдущие слои могут быть расплавлены новым слоем и произойдет их смешивание.

• Застывание полученной свечи при комнатной температуре в течение нескольких часов.

Список необходимых веществ, химической посуды и расходных материалов

Парафин - 200 г
Стеарин - 50 г
Тетраборат натрия - безводный - 5 г
Борная кислота - безводная - 25 г
Хлорид лития - 15 г
Фотолюминофор - 2 г
Термолюминофор - 1 г
Салициловая кислота - 1% - 10 мл
Этиловый спирт - 95% - 10 мл
Стеклянные формы - 3 шт.
Деревянные палочки - 3 шт.
Стеклянная пробирка - 2 шт.
Химический стакан - 1 шт.

Глава 3. Результаты эксперимента

Результатом проведенной работы стали три парафиновые свечи с различными свойствами. Рассмотрим подробнее каждую из них.

Свеча №1

Описание: многослойная парафиновая свеча, составленная из чередующихся белых и синих слоев парафина различных оттенков. Горит желтым пламенем, имеет узор на стекле - результат смешивания парафина и стеарина в пропорциях, отличных от рекомендуемых (увеличено количество стеарина).

Свеча №2.

Описание: многослойная парафиновая свеча, составленная из чередующихся прозрачных и полупрозрачных, зеленых и белых слоев парафина различных оттенков. Между слоями парафина имеется слой люминофора, испускающего излучение при постепенном нагревании свечи в процессе её горения. Горит разноцветным пламенем - основная часть желтая, а у основания заметен бледный светло-зеленый цвет пламени.

Свеча №3.

Описание: однослойная парафиновая свеча красного цвета, полупрозрачна. Фитиль данной свечи был вымочен в растворе нескольких минеральных солей. Имеет ярко выраженный малиновый цвет пламени.

Выводы

Полученные образцы парафиновых свечей теперь позволят оценить, насколько были верными предположения, представленные ранее в Главе 2.

Цвет свечи

Парафин действительно может быть окрашен с помощью безводных красителей. При этом, чем меньше размер у частиц красителя, тем насыщеннее и равномернее окрашивается свеча.

При попытке растворения большого кусочка красителя наблюдается незначительное окрашивание в форме тонких цветных завитков, созданных из-за размешивания расплавленного парафина. Однако, они не долговечны и в итоге красящее вещество равномерно распределяется по всему объему окрашиваемого вещества. Это явление называют диффузией.

Цвет пламени свечи

Изменение цвета пламени свечи - наиболее трудоемкий процесс среди всех остальных. Он имеет множество теоретических способов осуществления, но на практике полностью рабочим оказался только один способ из трех. Рассмотрим результаты каждого из них:

Способ 1. При попытке внести в парафин вещество, окрашивающее пламя свечи (далее - хлорид лития), наблюдается его осаждение на дно формы. Даже если поместить хлорид лития в область под фитилем, где парафин расплавляется в процессе горения свечи, окрашивания пламени не наблюдается.

Причина: парафин и стеарин- соединения с ковалентными химическими связями, в то время как хлорид лития имеет ионное строение и состоит из катионов лития с зарядом +1 и анионов хлора с зарядом -1. Химически инертные молекулы парафина и стеарина не способны присоединять к себе ионы, а значит хлорид лития не диссоциирует и в этом случае растворения не происходит.

Способ 2. Данный метод оказался рабочим. Действительно, предварительное вымачивание фитиля в растворе хлорида лития и его дальнейшее высушивание приводит к тому, что молекулы хлорида лития остаются среди волокон хлопчатобумажной нити, а они в дальнейшем окрашивают пламя свечи.

Способ 3. 1. При добавлении раствора хлорида лития в этиловом спирте к парафиновой свече взаимодействия веществ не наблюдается. При поджигании данной смеси образуется пламя куполообразной формы, имеющее насыщенный голубой цвет у его основания. Окрашивания в ожидаемый малиновый цвет не происходит.

Причина: этиловый спирт имеет свойство гореть голубым цветом. Так как он - растворитель, а хлорид лития - растворяемое вещество, то первого в несколько раз больше, чем второго. Это значит, что голубой цвет, свойственный пламени у горящего этилового спирта, будет значительно преобладать над малиновым и полностью вытеснит его.

2. При добавлении раствора борной кислоты (вещество, способное окрасить пламя в бледно-зеленый цвет) в 1%-ой салициловой кислоте к парафиновой свече взаимодействия не наблюдается. При поджигании данной смеси также образуется пламя куполообразной формы, имеющее бледно-зеленый цвет у основания. Однако, данный метод оказался небезопасным для дальнейшего использования, так как горение салициловой кислоты происходит с образованием искр. Пламя отличается крайней устойчивостью и горение может быть прекращено только ограничением доступа к кислороду воздуха.

Создание люминисцентного свечения изнутри свечи.

При изготовлении свечи №2 была использована смесь фото- и термолюминофора в соотношении 3:1. Применение такой вспомогательной смеси веществ действительно вызвало ярко выраженное люминисцентное свечение изнутри свечи.

Узор на стенках стеклянной формы для свечи

При изготовлении свечи №1 планировалось создать узор на стенках стеклянной формы. Это удалось сделать, добавив в два раза больше стеарина в парафин. Таким образом, парафин застыл быстрее, чем стеарин, и на стекле образовался хаотичный узор.

Заключение

Парафиновые свечи - это действительно необычное достижение в области тонких химических технологий. Открытие таких органических веществ, как парафин и стеарин, позволило оставить в прошлом свечи из животного жира и растительных масел, которые быстро сгорали с образованием большого количества дыма.

Теперь свечи - это элемент декора, присутствующий почти в каждом доме. Как выяснилось в данном проекте, совершенствованию свойств парафиновых свечей нет предела! Их можно самостоятельно сделать более яркими, необычными и удивительными.

Такие улучшенные свечи могут стать хорошим подарком и красивым украшением праздничного стола. А главное - мы убедились, что это безопасно и абсолютно безвредно для здоровья человека.

Список использованной литературы

• Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren - Organic chemistry (second edition) - Oxford University Press Inc., 2012 // 1265 pages

• К.П. Бутин, А.Л. Курц, О.А. Реутов - "Органическая химия", химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова М.: 1999 - 2336 с.

• http://makecandles.ru

1