נר לי דקיק: הכימיה של הנר
איך פך שמן אחד יכול לבעור שמונה ימים איננו יודעים להסביר, אבל את התהליכים שמתרחשים בו אנחנו מבינים מאז המאה ה-19. וגם: איך נראית להבת נר בחלל?
בעולם רווי חשמל כשלנו, אנחנו משתמשים בנרות בעיקר כדי ליצור אווירה רומנטית, להשרות ריח נעים או לצרכים דתיים. החג שבו השימוש בנרות הוא הבולט ביותר הוא כמובן חנוכה, שבו מדליקים נרות במשך שמונה ימים, זכר לנס פך השמן שממנו הדליקו את מנורת המקדש בימי החשמונאים (לפני יותר מאלפיים שנה). כולנו מכירים גם את מנהג הדלקת הנרות עם כניסת השבת, ואת נרות הנשמה שמדליקים לזכר אדם אהוב שהלך לעולמו.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון :
המטוס שנוע ינוע – בלי חלקים נעים
הנדסה גנטית בבני אדם: התגובות שאחרי הסערה
אולם עד המצאת החשמל, נרות שימשו בעיקר לתאורה. כבר לפני 5,000 שנה המצרים הקדמונים יצרו לפידים על ידי טבילת סיבי צמחים בשומן בעלי חיים מומס כדי להאיר את חשכת הלילה. הנר מוזכר כמה פעמים גם בתנ"ך, בעיקר בקשר למנורה בבית המקדש. בניגוד לנרות השעווה המוכרים לנו כיום, הנר התנ"כי היה כלי שהיו ממלאים בשמן, ומדליקים בעזרת פתיל. נרות מהסוג הזה היו נפוצים מאוד, ושרידים שלהם נמצאו באתרים ארכיאולוגיים רבים.
ראשונים שיצרו נרות דומים לאלו שאנו מכירים היום, המורכבים מפתיל מוקף בחומר בעירה כלשהו, היו כנראה הרומאים, שייצרו נרות על ידי טבילת פפירוס מגולגל בשומן בעלי חיים או דונג מומסים. מכיוון שהדונג היה יקר מאוד, במשך מאות שנים ייצור הנרות התבסס ברובו על שומן בעל חיים שהדיף ריח לא נעים כששרפו אותו. בשנת 1850 פיתח הכימאי הסקוטי ג'יימס יאנג (Young) שיטה לזיקוק נפט, שבאמצעותה יצר את השעווה שאנו מכירים כיום, שנקראת "פראפין". המעבר לנרות פראפין הוזיל משמעותית את עלות הייצור שלהם, וגם פתר את בעיית הריח.
נרות הפראפין והנרות התנ"כיים בוערים באופן דומה: לשניהם יש מאגר של חומר בעירה (שמן או שעווה) שבתוכו פתיל, וכאשר מדליקים את הפתיל חומר הבעירה מתכלה בקצב מבוקר ומפיץ אור וחום. אולם איך בדיוק נר בוער? כיצד חומר הבעירה מגיע אל הפתיל? מה מעניק ללהבת הנר את צורתה וצבעיה האופייניים, והאם נר יכול לבעור בחלל החיצון?
הדליקו לנו אור
הכימיה והפיזיקה של הבעירה הם תהליכים מורכבים, שהעסיקו מדענים רבים ברחבי העולם. אחד הבולטים שבהם הוא הפיזיקאי הבריטי בן המאה ה-19 מייקל פאראדיי (Faraday), שהמציא בין השאר את הדינמו ותרם רבות להבנת תופעות פיזיקליות הקשורות לחשמל ומגנטיות.
מעבר לעיסוקו בחשמל, פאראדיי התפרסם ביכולת ההסבר המרשימה שלו, ונהג להעביר הרצאות קבועות לקראת חג המולד. בשנת 1848 הוא יזם סדרה של שש הרצאות על "ההיסטוריה הכימית של הנר", שבהן תיאר בפירוט ועם שלל הדגמות את התהליכים הכימיים שמתרחשים בנר בוער. העקרונות שפאראדיי תיאר במאה ה-19 נכונים גם היום, ואף זכו לאחרונה לעריכה מחודשת.
התגובה הכימית הבסיסית ביותר שמתרחשת בנר היא בעירה, והדוגמה הכי פשוטה היא בעירה של גז, למשל גז טבעי המורכב בעיקר ממתאן (CH4). בדומה למולקולות רבות שמרכיבות חומרי בעירה, זאת של גז טבעי מורכבת מאטומי פחמן ומימן. כשמולקולה של מתאן פוגשת מולקולה של חמצן (O2) בטמפרטורה גבוהה מספיק, נוצרת ביניהן תגובה כימית והן הופכות לפחמן דו-חמצני (CO2) ואדי מים (H2O), בתהליך שמשחרר גם חום ואור.
כדי ליצור בעירה דרושה אנרגיה התחלתית, כלומר מקור חום כמו מצית או גפרור. אולם ברגע שהבעירה החלה, החום שמשתחרר ממנה מוביל תגובת שרשרת של בעירה, עד שנגמר מקור הדלק.
עולה עולה
נר בוער בדיוק כך, פרט לזה שהוא מתחיל את דרכו במצב צבירה מוצק, לא גז. השעווה המוצקה שלו מורכבת גם היא משרשראות המבוססות על אטומי פחמן ומימן, בדומה לגז המתאן. כדי שהשעווה תוכל לבעור היא צריכה להפוך לנוזל, לעלות במעלה הפתיל, להפוך לגז ואז לבעור. איך כל השלבים האלו מתרחשים?
גם כדי להדליק נר דרושה אנרגיה התחלתית. כשאנחנו מחממים את הפתיל בגפרור, השעווה המעטה שנמצאת עליו מתחממת, הופכת לגז המורכב מאטומי פחמן ומימן, ובוערת כפי שתיארנו, בתהליך שמשחרר חום. החום הזה ממיס את השעווה שנמצאת בבסיס הפתיל ויוצר בריכה קטנה של שעווה מומסת במעין כוס.
לאחר מכן השעווה הנוזלית עולה במעלה הפתיל בעזרת נימיות (כוחות קפילריים) - כוחות משיכה חלשים בין הנוזל לכלי הסובב אותו, שאחראים בין השאר לכך שכאשר אנו מניחים קצה של סמרטוט בכוס מים, המים עולים במעלה הסמרטוט. כשהשעווה הנוזלית מגיעה לאזור חם מספיק בפתיל היא מתפרקת לגז, המורכב מאטומי פחמן ומימן, והוא בוער ומשחרר חום ואור. כל עוד יש מספיק חמצן באוויר, התהליך יימשך עד שכל השעווה תיגמר.
נר בשלל צבעים
אם נסתכל מקרוב בלהבת הנר מקרוב, נראה צבעים שונים באזורים שונים של הלהבה. הצבעים הללו נובעים מכך שתהליכים כימיים שונים מתרחשים באזורים שונים של הלהבה. בתחתית הלהבה, באזור שנראה כחול, כלל לא מתרחשת בעירה, אלא השעווה הנוזלית מתחילה להתפרק שם לתרכובות קטנות יותר של אטומי פחמן ומימן. באזור הזה של הלהבה שוררת טמפרטורה גבוהה , שיכולה להגיע קרוב לאלף מעלות צלזיוס, ובעקבות זאת התרכובות הללו רוטטות במהירות ופולטות אור שנראה לנו כחול.
במרכז הלהבה, חומר הבעירה מתאדה והופך מנוזל לגז. הגז עולה לחלק העליון של הלהבה, שם הוא בוער ופולט מולקולות של פחמן דו-חמצני ומים, וגם חום ואור צהוב. הבעירה מתרחשת רק בחלק החיצוני של הלהבה, שם אדי השעווה באים במגע ישיר עם החמצן שבאוויר. לשם המחשה, אם נצמיד לרגע חתיכת נייר ללהבת נר, תיווצר טבעת שחורה. הטבעת נוצרת מכיוון שהחום בחלק החיצוני של הלהבה גבוה יותר מאשר החום בחלקה הפנימי.
זו בדיוק הסיבה לכך שבדרך כלל לא כל שעוות הנר בוערת והופכת לפחמן דו-חמצני ומים. מכיוון ששטח המגע בין אדי הדלק לחמצן שבאוויר הוא מוגבל, חלק מאדי הדלק נפלטים מהלהבה לפני שהם הספיקו לבעור. כאשר כמות החלקיקים האלו גדולה, אנחנו רואים עשן או פיח יוצאים מהלהבה. אף שאדי השעווה לא השתתפו בתגובת הבעירה, הם מתחממים לטמפרטורה גבוהה מאוד – למעלה מ-1,200 מעלות צלזיוס, ולכן פולטים אור צהוב, שהוא החלק העיקרי של הלהבה שאנחנו רואים. תופעה דומה מתרחשת גם בנורות להט, שפולטות אור כתוצאה מפליטת אנרגיה גבוהה של הסליל שבהן, ואותו דבר נכון גם לברזל מלובן.
הסיבה לכך שאור הנר נראה לנו צהוב ברובו היא שזה הצבע שחלקיקי פחמן פולטים כשהם לוהטים. אם מדליקים חומר בעירה המכיל מתכות כמו נתרן, אשלגן וכדומה, המתכות יתלהטו, וכל אחת מהן תאיר בצבע אחר.
תחנת החלל של אריסטו
אם הייתם שואלים את הפילוסוף היווני אריסטו למה האש עולה למעלה, הוא היה מסביר שלשם היא אמורה לחזור. לפי התפיסה הפיזיקלית שלו, שנשארה מקובלת עד ימי הביניים המאוחרים, העולם מורכב מארבעה יסודות: אדמה, אש, אוויר ומים, וכל אחד מהם שואף לחזור למקור שלו. לפי התפיסה הזאת, התפוח שנפל על ראשו של ניוטון לא עשה את זה בגלל כוח הכבידה, אלא הוא הורכב מאדמה ולכן רצה לחזור אליה. באופן דומה, להבת הנר מורכבת מהיסוד אש, שנמצא בשמיים (או ליתר דיוק בשמש), ולכן האש "רוצה" תמיד לעלות למעלה.
ההסבר הפיזיקלי שאנחנו מכירים כיום הוא שונה, כמובן, ואינו מייחס ללהבה שום רצון. כפי שהסברנו, ככל שעולים במעלה הלהבה הטמפרטורה הולכת וגדלה. בשל הבדלי הטמפרטורה האלה, האוויר החם שנוצר בתחתית הלהבה עולה לראש הלהבה ואוויר קר תופס את מקומו בבסיסה. זרימת האוויר הזאת ממשיכה כל עוד הנר דולק, והיא זו שמעניקה ללהבה את צורתה הייחודית.
באופן שאולי נשמע קצת מוזר, אפשר לטעון שלהבת הנר עולה למעלה בזכות כוח הכבידה. אלמלא הכבידה, אוויר חם לא היה קל יותר מאוויר קר ולכן לא הייתה מתרחשת זרימת האוויר שיוצרת את צורת הלהבה.
לאור זה, אסטרונאוטים בדקו איך נר בוער בתחנת החלל הבינלאומית, שיש בה כבידה חלשה מאוד. פורמן וויליאמס, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, מסביר כי נר שבוער בחלל יוצר סביבו מעין כדור. בהיעדר כבידה, הבעירה מתרחשת בעיקר באזור צר בחלק החיצוני של הלהבה הכדורית, באזור שבו אדי השעווה באים במגע עם חמצן, ולא דווקא בחלק העליון כמו בכדור הארץ. למעשה בחלל נר בוער בצורה הרבה יותר פשוטה, מפני שאידוי השעווה והבעירה שלה מתרחשים על פני שטח יותר מצומצם. בנוסף, מכיוון שאין זרימת אוויר בנר שבוער בחלל, בעירת אדי השעווה מלאה יותר ופחות חלקיקי פיח נפלטים מהלהבה. כתוצאה מכך, הלהבה של נר הבוער בחלל הרבה יותר כחולה מאשר זו של נר הבוער על כדור הארץ.
"אכן, כל שאני יכול לומר לכם בסוף ההרצאות הללו הוא לקוות שאולי הדור שלכם ישתווה לנר", סיכם פאראדיי את הרצאתו על ההיסטוריה הכימית של הנר. "אני מקווה, שבכל מעשיכם אולי תידמו ליופיה של הלהבה, ושהישגיכם יהיו מכובדים וישפיעו על מילוי הייעוד שלכם כלפי שאר בני האדם".
לביא ביגמן, דוקטורנט במכון ויצמן וכתב באתר מכון דוידסון
לפנייה לכתב/ת 
