Горелка Бунзена

Сегодня в нашей рубрике «Устройства» — один из непременных атрибутов почти любой химической лаборатории, который необходим для многих манипуляций химиков. Итак, горелка Бунзена, прибор, созданный одним из самых известных химиков XIX века. Горелка Бунзена или бунзеновская горелка – родоначальница целого ряда газовых горелок, была разработана в 1855 году. Первая в своём роде, способная удовлетворить лабораторным требованиям точности и чистоты, столь необходимым для научных исследований. Этот простой, но эффективный прибор сыграл ключевую роль в развитии лабораторной практики и методов химического анализа. В нащем материале мы поговорим об истории создания бунзеновской горелки, её конструкции и принципе работы, а также её влиянии на развитие химии.

Современные горелки Бунзена

История создания

Для начала давайте разберёмся: для чего же нужно было изобретать новую горелку? Чем химики пользовались до того знаменательного дня?

Предшественники бунзеновской горелки:

Спиртовая лампа – простейший источник тепла, использовавшийся в лабораториях. Спиртовые лампы давали пламя невысокой температуры и часто коптили, что делало их неудобными для многих экспериментов.
Газовые горелки – до появления бунзеновской горелки существовали и другие газовые горелки, которые использовали угольный газ. Однако они не обеспечивали должного контроля над подачей воздуха и, соответственно, качеством пламени. Такие горелки давали коптящее пламя, что снижало точность экспериментов.

Спиртовая лампа

Чтобы решить проблему копоти и позволить учёным регулировать соотношение газа и воздуха для достижения чистого и горячего пламени, немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен в 1855 году изобрёл горелку, прославившую его имя на века.

Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899)

Генри Энфилд Роско (1833-1915)

Не обошлось здесь и без небольшого конфликта: Генри Энфилд Роско, уроженец Великобритании, известный впоследствии, как один из первых исследователей химии ванадия и специалист в области фотохимии, после получения образования в университетском колледже Лондона прибыл в Гейдельбергский университет. Конфликт возник из-за споров о том, что Роско, будучи учеником Бунзена и активно используя горелку в своих работах, считал, что его личный вклад в её создание и популяризацию также заслуживает признания, и в своих воспоминаниях он писал, что горелка Бунзена — не что иное, как модификация прибора, привезённого им ранее из Англии.

Однако Бунзен и его сторонники утверждали, что именно Бунзен разработал ключевые элементы и концепцию горелки. В итоге бунзеновская горелка получила название в честь Роберта Бунзена, и он считается главным создателем этого устройства. Вклад Роско в развитие химии также признан, но не в контексте создания горелки.

Давайте посмотрим, как горелка работает

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 — 1928 г.

Бунзеновская горелка состоит из нескольких основных частей:

Основание и подставка обеспечивают устойчивость горелки на рабочей поверхности.
Газовый входной патрубок п, через который поступает газ (обычно метан или природный газ).
Трубка горелки т – вертикальная металлическая трубка, в которой смешиваются газ, проходящий через отверстие в, и воздух, поступающий через боковые отверстия, обозначенные буквами о.
Регулятор воздуха позволяет контролировать количество воздуха, поступающего в горелку поворачиванием муфты б, за счёт чего
открываются либо прикрываются отверстия о, что влияет на тип пламени. Если отверстия не вполне открыты, газ дает т. н. светящееся (коптящее) пламя, состоящее из трех конусов: 1 — в котором происходит частичное сгорание газа, 2 — наиболее яркая часть пламени (раскаленные частички угля) и 3 — самая горячая часть пламени, где происходит окончательное сгорание газа.
Насадка для пламени, через которую выходит воспламеняющаяся смесь газа и воздуха.

При закрытых отверстиях получается пламя, называющееся коптящим, оно выглядит высоким, жёлтым и волнистым. Жёлтый цвет возникает из-за не сразу сгорающих частиц углерода.

Пламя бунзеновской горелки, снятое тепловизионной камерой, при открытых отверстиях, обозначенных на схеме о,о.
источник: https://www.youtube.com/watch?v=in9BGz958jg

В этом случае газ встречается с воздухом только на выходе из горелки. В противном случае, при открытых отверстиях, газ с воздухом смешиваются раньше, реакция протекает быстрее, за счёт чего пламя получается более горячим.

Интересно взглянуть на пламя через тепловизионную камеру, позволяющую чётко увидеть температурные зоны, детали структуры пламени, не видимые невооружённым глазом, и определить наиболее горячие области пламени, что может быть полезно для анализа эффективности процесса горения:

Съёмка пламени бунзеновской горелки тепловизионной камерой
источник: https://www.youtube.com/watch?v=in9BGz958jg

Введение бунзеновской горелки в лабораторный обиход значительно упростило проведение химических экспериментов. Ранее использовавшиеся спиртовые лампы и другие источники пламени не могли обеспечить такую же точность и контроль температуры, как бунзеновская горелка.

Итак, из-за чего горелка Бунзена смогла завоевать мир:

Регулируемая подача воздуха: в бунзеновской горелке предусмотрены отверстия для поступления воздуха, что позволяет контролировать процесс горения. Это обеспечивало более полное сгорание газа и образование чистого пламени.

Высокая температура пламени: благодаря правильному смешиванию газа и воздуха, бунзеновская горелка может достигать высоких температур (от 350°С до 1550°С), необходимых для многих химических реакций.

Отсутствие копоти: чистое пламя без копоти стало важным преимуществом, поскольку оно не загрязняет лабораторные приборы и образцы, что особенно важно при проведении аналитических работ.

Какие же открытия удалось совершить благодаря изобретению горелки нового поколения?

Получив в своё распоряжение горелку с пламенем, поддающимся регулировке, Бунзен увлёкся работой со стеклом — он выдувал различные стеклянные трубки и колбы, пробовал впаивать в них металлические части. Одним из результатов этой работы стало создание колбы Бунзена, которая и сейчас применяется для вакуумного фильтрования, зачастую в паре с воронкой Бюхнера.

Также исследователь обратил внимание, что цвет пламени менялся на жёлтый при внесении стеклянной трубки, а при соприкосновении огня с медными частями горелки – окрашивался в зелёный. И ранее химики предпринимали попытки сопоставлять цвет пламени горелки с составами вносимых веществ, но жёлтый цвет пламени спиртовки и свечи делал такой анализ затруднительным. Горение же природного газа, состоящего из первых представителей алканов (метана, этана, пропана, бутана), даёт голубую окраску пламени, что позволяет заметить присутствие веществ, окрашивающих пламя в жёлто-красные цвета.

Сравнение цвета пламени спиртовой лампы и горелки Бунзена на природном газе

Далее Бунзен продолжил вносить в пламя горелки чистые металлы и их соли, фиксируя наблюдаемые изменения окраски пламени. Случился неожиданный прорыв в аналитической химии – за считанные секунды стало возможным определять состав вещества! Единственное, что оставалось непонятным – каким образом определять состав смесей, если цвета пламени от различных элементов могут перекрывать друг друга либо напротив, давать схожую окраску?

Цвет пламени горелки, окрашенный различными катионами

В ходе дальнейших исследований Бунзен обнаружил, что отдельные цвета в спектре раскалённых химических элементов полностью совпадают по длине волны и частоте с тёмными линиями Фраунгофера в спектре Солнца, а его друг и коллега, профессор физики Кирхгоф предположил, что атом химического элемента способен излучать и поглощать свет только определённых частот.

Бунзен, Кирхгоф и Роско на одной фото

Это совместное открытие стало основой для развития целой области прикладных исследований — спектроскопии, или спектрального анализа. Этот метод, и по сей день являющийся одним из самых точных и современных, позволяет определять как качество продуктов и лекарственных средств, так и состав звёзд.

Линейные спектры излучения: 1- натрия, 2 – водорода, 3 — гелия,
и поглощения: 4 — натрия , 5 – водорода, 6 – гелия,
демонстрирующие линии, каждая из которых соответствует определенной длине волны и, следовательно, определенной частоте света, на которых атомы или молекулы излучают или поглощают свет. Линейчатый спектр является уникальным для каждого элемента и служит своего рода «отпечатком пальца».

Изобретение бунзеновской горелки стало важным шагом в истории науки и положило начало эре современных лабораторных горелок, решило проблему копоти и позволило регулировать соотношение газа и воздуха для достижения чистого и горячего пламени. Несмотря на свою простоту, оно оказало огромное влияние на развитие химии как науки. Горелка Бунзена продолжает использоваться в лабораториях по всему миру, оставаясь символом химических исследований и открытий.

Текст: Вера Воинова

Материал подготовлен ИОНХ РАН для Виртуального музея химии при грантовой поддержке Минобрнауки России
в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-508 от 02.05.2024

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.