בניסוי הזה נגרום לנוזל להישאב למעלה לתוך כוס הפוכה – באמצעות נר. הניסוי מחייב השגחה של מבוגר!
ציוד
- צלחת או מגש קטן
- כוס זכוכית (אין להשתמש בכוסות מחומרים דליקים כמו פלסטיק או נייר!)
- נר – עדיף שיהיו לו פמוט או תושבת ממתכת כמו הנר שבו השתמשנו בסרט
- מים או כל נוזל אחר שרוצים לשאוב לתוך הכוס, אבל לא משקה מוגז
- גפרורים או מצית
מהלך הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:
הערה: אם משתמשים בנר רגיל, בלי פמוט או תושבת, יש להדביק את הנר לצלחת לפני תחילת הניסוי באמצעות שעוות הנר.
הנה גרסה נוספת של הניסוי - בפורמט וידאו שורטס:
הסבר
בניסוי רואים שתי תופעות, אחת פשוטה להסבר והשנייה מסובכת. התופעה הפשוטה היא שאחרי שמכסים את הנר בכוס הוא נכבה: זה מתרחש בגלל שכאשר אנו מכסים את הנר אנו בעצם 'חונקים' את האש - אש חייבת אספקה של חמצן שנמצא באוויר כדי לבעור, ברגע ששמנו כוס בידדנו את האש מהאוויר ומנענו אספקת חמצן לנר - 'חנקנו' את האש. ברגע שהחמצן 'נגמר' בתוך חלל הכוס האש נכבית.
התופעה השנייה - שקצת קשה יותר להסביר היא עליית המים בתוך הכוס, כאן המצב יותר מורכב ודורש הסבר מפורט:
בניסוי הנוכחי מעורבים שלושה גורמים שונים, שכל אחד מהם תורם לכך שלחץ האוויר בתוך הכוס יירד ולכן גורם למיץ (שמורכב ברובו ממים) לחדור פנימה אל תוך הכוס ההפוכה.
הגורם הראשון הוא שכאשר הנר בוער הוא צורך חמצן מהאוויר ומשחרר לאוויר בתהליך השריפה מים ופחמן דו-חמצני. למתעניינים הכנו הסבר מפורט על קצב צריכת החמצן של נר, שכולל ניסוח כימי של תהליך השריפה. בבנרות מודרניים השעווה היא בדרך כלל חומר ממשפחת האלקנים / פרפינים – משפחה של חומרים הבנויים מהיסודות פחמן (סימול כימי C) ומימן (סימול כימי H ) בלבד. נוסחה לדוגמה של שעוות נר היא C25H52ותהליך השריפה שלה, כלומר התגובה שלה עם חמצן (O2) הוא כלהלן:
C25H52+38O2 --------------> 25CO2+26H2O
לפי הניסוח של התגובה, רואים שבנר ממוצע, על כל מולקולה של פרפין שנשרפת (מולקולה היא החלקיק היסודי הקטן ביותר של חומר – כימאים מנסחים תגובות כימיות לפי התגובות שמבצעות המולקולות) נצרכות מהאוויר 38 מולקולות של גז חמצן (O2) ונפלטות 26 מולקולות של אדי מים (H2O) ו-25 מולקולות של גז פחמן דו-חמצני (CO2).
עכשיו בואו נעשה חשבון פשוט: מכיוון שהמים שנפלטים כאדים מתקררים ומתעבים מיד בחזרה בתוך הכוס למים נוזליים, אפשר לומר שבתהליך הבעירה של הנר מתמעטות בסך הכול מולקולות הגז: כי על כל 38 מולקולות חמצן שמגיבות ונצרכות בתהליך נפלטות רק 25 מולקולות של פחמן דו-חמצני (והמים שנפלטים הופכים כאמור לנוזל). כלומר על כל מולקולת פרפין שנשרפת "אובדות" 13 (=38-25) מולקולות של גז. כיוון שלפי 'חוק אבוגדרו' זהות המולקולות אינה משפיעה על נפח הגז (להסבר קראו את התשובה לשאלה על חישוב משקל גז), יש בסך הכול ירידה בכמות מולקולות הגז בכוס, ולחץ האוויר בתוכה פוחת.
השני – כשמכסים את הלהבה בכוס, נלכד בתוך הכוס אוויר חם מאוד – האוויר שנמצא מעל להבת הנר החמה. כשהנר כבה רואים שהמים ממשיכים לטפס עוד קצת, אף שברור שאין עוד צריכת חמצן. זה קורה מפני שהאוויר בכוס מתקרר והמים עולים עקב ירידת הלחץ בכוס. בדיוק אותו דבר קורה בניסוי ניפוח בלון בתוך בקבוק.
והשלישי – הגז פחמן דו-חמצני נמס מעט במים (עוד על כך, ראו בהמשך'). כשגז נמס במים הוא אובד מהחלק (הפאזה) הגזי של הכוס, ולכן גם התופעה הזאת תורמת מעט לירידת לחץ האוויר בכוס.
כל הגורמים האלה יחד גורמים ללחץ האוויר שבכוס לרדת מתחת לרמה של לחץ האוויר החיצוני (כלומר הלחץ שמחוץ לכוס). בשלב הזה פועלים על המים שהכוס מכסה שני לחצים – לחץ האוויר החיצוני ולחץ האוויר הנמוך שבתוך הכוס. כיוון שהלחץ החיצוני גדול יותר מהלחץ הפנימי, הוא גובר על הלחץ הפנימי ודוחס את המים או הנוזל פנימה לתוך הכוס – שמתמלאת נוזלים. כלומר אם נרצה לדייק מבחינה מדעית, נאמר שהמים נדחפים לתוך הכוס, ולא "נשאבים" לתוכה.
ניתן לערוך חשבון מדוייק ולהראות כי הגורם המשמעותי ביותר מבין השלושה שגורם לירידת הלחץ בכוס הוא התקררות האוויר החם.
מעניין לציין
אם במקום מים, מיץ או יין נשפוך לצלחת את התמיסה מהניסוי "כרוב אדום משנה צבעים", נקבל שדרוג משמעותי לניסוי. כיוון שתמיסה הזאת היא אינדיקטור pH, כלומר משנה את צבעה בהתאם לרמת החומציות והבסיסיות שסביבה, נוכל לראות שגז הפחמן הדו-חמצני אכן מתמוסס במים.
כשפחמן דו-חמצני מתמוסס במים, נוצרת 'חומצה פחמתית' שגורמת לתמיסת הכרוב לשנות את צבעה מסגול-כהה/כחלחל לסגול אדמדם – הצבע שאליו הופכת תמיסת כרוב כשהיא באה במגע עם חומצות חלשות כמו חומצה פחמתית. בניסוי כזה צריך סבלנות: בלי עזרה של בעבוע, ההתמוססות המשמעותית של גז במים היא תהליך אטי שאורך זמן, וכך גם שינוי הצבע של התמיסה. זה מה שמוכיח שהמסיסות של הגז איננה הסיבה העיקרית לעליית המהירה של המים בכוס.
כיוון ששינוי הצבע הוא קל – רק שינוי בגוון – כדאי להכין מראש כוס נוספת עם אינדיקטור לצורך השוואה. לשם כך יש לכסות תחילה בצלחת כוס מלאה אינדיקטור, להפוך את שתיהם ביחד כך שהכוס תהיה הפוכה ועדיין יהיה בה די נוזל – ורק אז להתחיל בניסוי ליד כוס ההשוואה. מהלך הניסוי מודגם בתמונות הבאות:
שינוי הגוון מתרחש אחרי כמה דקות (ובצורה בולטת ממש תוך כשעה), כפי שאפשר לראות בתמונות הבאות:
לעוד ניסוי עם נר ומים אנו ממליצים לכם לראות את הניסוי איך לגרום לנר לבעור מתחת למים?
