Spaľovanie oceľovej vlny

Tento experiment kombinuje fyziku (elektrický odpor) s chémiou (oxidácia kovov). Oceľová vlna je z veľkej časti železo. Kým je železo v podobe hrubého klinca, na vzduchu len pomaly hrdzavie. Keď je však roztiahnuté do tisícov tenučkých vlákien, má obrovský povrch a po zahriatí sa so vzdušným kyslíkom zlučuje veľmi rýchlo – horí.

Pri horení oceľovej vlny (železa) na vzduchu vzniká primárne oxid železnato-železitý ($\text{Fe}_3\text{O}_4$), známy aj ako magnetit:

$$3\,\text{Fe}(s) + 2\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4(s)$$

Oxid železnatý ($\text{FeO}$) je pri bežných teplotách na vzduchu nestály a zvyčajne sa rýchlo oxiduje ďalej.

Ide o redoxnú reakciu: železo odovzdáva elektróny (oxiduje sa) a kyslík ich prijíma (redukuje sa). V $\text{Fe}_3\text{O}_4$ je železo zároveň v oxidačnom stave +II aj +III – odtiaľ názov oxid železnato-železitý.

Fyzikálny jav, vďaka ktorému prebieha horenie za pomoci batérie, sa volá Jouleovo teplo. Množstvo tepla $Q$ uvoľneného vo vodiči je priamo úmerné štvorcu prúdu $I$, odporu $R$ a času $t$:

$$Q = R \cdot I^2 \cdot t$$

Keďže vlákna oceľovej vlny sú extrémne tenké, majú relatívne vysoký odpor a malú schopnosť odvádzať teplo, čo vedie k ich okamžitému rozžeraveniu. Póly 9V batérie sú blízko seba, takže sa ľahko dotknú vlákien vlny a vytvoria elektrický obvod. Keď sa vlákno rozžeraví, železo sa začne zlučovať s kyslíkom a teplo z reakcie zapáli susedné vlákna – horenie sa šíri vlnou.

Ak by si vlnu odvážil pred horením a po ňom, zistíš, že hmotnosť po zhorení stúpla. Je to preto, že k pôvodnému železu sa chemicky naviazal kyslík zo vzduchu.

Nie je to v rozpore so zákonom zachovania hmotnosti – ten platí pre celú sústavu. Vlna (železo) + kyslík zo vzduchu = produkt (oxid). Váha však kyslík zo vzduchu „nevidí“, a preto ukáže nárast. Pri horení dreva alebo papiera je to naopak: plynné produkty (oxid uhličitý, vodná para) odchádzajú do vzduchu a zvyšok je ľahší.

Ak chcete vidieť, ako horí železo v čistom kyslíku, pozrite pokus Spaľovanie oceľovej vlny v kyslíku a lekciu Spaľovanie v kyslíku.