Kaarsje in een pot: verbranding en het zuurstofgehalte van lucht

Alledaagse materialen: Theelichtje (supermarkt of bouwmarkt) • glazen pot of weckpot met deksel (keuken/bouwmarkt) • schotel of ondiepe bak • aansteker of lucifers • water • optioneel: voedselkleurstof

Inleiding

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 / HAVO klas 3; als demonstratie ook geschikt voor Biologie onderbouw

Een theelichtje, een glazen pot met deksel uit de keuken en wat water — meer is er niet nodig voor dit klassieke experiment. Wanneer een kaarsje brandt onder een afgesloten pot, verbruikt het zuurstof uit de lucht. Op een bepaald moment gaat de vlam uit. Het water dat daarna omhoog stijgt in de pot geeft een directe indicatie van hoeveel zuurstof er verbruikt is. Dit eenvoudige experiment raakt aan zowel de scheikunde van verbranding als het principe van luchtsamenstelling.

Dit practicum is geschikt als introductie of demonstratie-experiment. De materialen zijn volledig verkrijgbaar in een bouwmarkt of supermarkt.

Leerdoelen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 / HAVO klas 3

De leerling begrijpt dat verbranding zuurstof verbruikt en koolstofdioxide en water produceert.
De leerling kan een eenvoudig experiment opzetten om het zuurstofgehalte van lucht te schatten.
De leerling reflecteert op de beperkingen van het model: waarom stijgt het water minder dan 21 %?
De leerling schrijft de verbranding van kaarswas (alkaan) als reactievergelijking op (HAVO/VWO-niveau).

Achtergrondinformatie

Niveau: Scheikunde HAVO klas 3 (reactievergelijking); kwalitatief ook geschikt voor VMBO-T klas 3

Lucht bestaat voor circa 78 % uit stikstof (N₂), circa 21 % uit zuurstof (O₂) en circa 0,04 % uit koolstofdioxide (CO₂), aangevuld met edelgassen en waterdamp. Bij verbranding van kaarswas (een mengsel van alkanen, globaal te schrijven als C₂₅H₅₂) reageert de koolstof met zuurstof tot CO₂ en de waterstof met zuurstof tot H₂O:

C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 H₂O

Zodra het zuurstofgehalte in de afgesloten pot daalt tot onder circa 16–17 %, kan de vlam niet meer branden en dooft. De gevormde CO₂ lost gedeeltelijk op in water. Stikstof reageert niet. Door het verdwijnen van een deel van de gassen (O₂ wordt verbruikt; CO₂ lost op) daalt de druk in de pot, waardoor het buitenwater omhoog wordt gedrukt.

Belangrijk: het stijgende water geeft geen directe meting van het zuurstofgehalte, maar van het netto volume aan gassen dat verdwenen is. Dit is minder dan 21 %, doordat de verbranding ook CO₂ produceert dat niet allemaal oplost. De afwijking is een waardevolle aanleiding voor discussie over modelgrenzen.

Benodigdheden

Niveau: alle niveaus

Een theelichtje (supermarkt of bouwmarkt)
Een glazen weckpot of rechte glazen pot met een binnendoorsnede die makkelijk te meten is (bijv. een rechte inmaakpot, 0,5 L of 1 L), voorzien van een waterdicht deksel — of een grote glazen maatbeker die u omgekeerd kunt plaatsen
Een schotel of ondiepe bak om het theelichtje in te plaatsen, gevuld met water
Een aansteker of lucifers
Een liniaal of millimeterpapier
Optioneel: een paar druppels voedselkleurstof om het waterpeil beter zichtbaar te maken
Optioneel: CO₂-indicator (kalkwater) om aan te tonen dat er CO₂ gevormd wordt

Veiligheid

Niveau: alle niveaus

Werk met een open vlam nooit onbeheerd. Zorg voor voldoende ventilatie in het lokaal. Houd brandbare materialen op afstand van het theelichtje. De pot wordt warm; gebruik een doek bij het hanteren. Dit experiment is veilig uitvoerbaar in een standaard biologielokaal of scheikundelokaal; een zuurkast is niet vereist.

Werkwijze

Niveau: alle niveaus

Vul de schotel met circa 1–2 cm water. Voeg eventueel een paar druppels voedselkleurstof toe.
Zet het theelichtje in het midden van de schotel en steek het aan.
Meet de hoogte van de pot van binnen (van bodem tot rand) en noteer dit als H_pot.
Noteer het waterpeil in de schotel vóór het plaatsen van de pot.
Zet de pot omgekeerd over het brandende theelichtje. Zorg dat de rand van de pot onder water staat.
Wacht tot de vlam uitdooft. Noteer op welk moment dat is (bijv. na hoeveel seconden).
Laat de pot afkoelen tot kamertemperatuur (circa 5 minuten). Het water stijgt in de pot.
Meet hoeveel centimeter het water is gestegen in de pot (Δh). Bereken de fractie: Δh / H_pot × 100 % = het geschatte percentage verbruikt gas.
Optioneel: leid de resterende lucht uit de pot door kalkwater — een troebeling wijst op CO₂.

Verwerkingsvragen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 (vragen 1–2 en 4–5) / HAVO klas 3 (alle vragen)

Hoeveel procent van het gasvolume in de pot is verdwenen volgens uw meting? Vergelijk dit met het bekende zuurstofgehalte van lucht (21 %). Hoe groot is het verschil?
Verklaar waarom het gemeten percentage lager is dan 21 %. Welke processen spelen een rol?
Schrijf de volledige verbrandingsreactie van octaan (C₈H₁₈) op. Klop de vergelijking en bereken hoeveel mol O₂ er per mol brandstof verbruikt wordt.
Waarvoor dient het water in de schotel? Wat zou er gebeuren als u de pot zonder water zou plaatsen?
U herhaalt het experiment met een grotere pot. Verwacht u dat de vlam langer of korter brandt? Leg uit.
Hoe zou u dit experiment aanpassen om wél een nauwkeurige meting van het zuurstofgehalte te krijgen? Welke stoffen of middelen zou u daarvoor nodig hebben?

Uitwerkingen verwerkingsvragen

Niveau: Scheikunde VMBO-T klas 3 / HAVO klas 3

1. Meting vs. 21 %

Een typische meting geeft een stijging van circa 10–15 % van de pothoogte, dus beduidend minder dan 21 %. De afwijking is geen meetfout maar het gevolg van meerdere processen (zie vraag 2). Het resultaat is reproduceerbaar en leerrijk juist doordat het afwijkt van de verwachting.

2. Verklaring van het lagere percentage

Drie factoren verklaren de afwijking: (a) de verbrandingsreactie produceert ook CO₂, dat een deel van het verbruikte O₂-volume compenseert; (b) CO₂ lost maar gedeeltelijk op in water; (c) de verwarming van de lucht door de vlam verhoogt tijdelijk de druk en drijft een deel van de lucht onder de pot uit voordat de pot wordt afgesloten. Stikstof en edelgassen reageren niet.

3. Verbrandingsreactie van octaan

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O

Per mol octaan wordt 12,5 mol O₂ verbruikt. Octaan heeft een molmassa van 114 g/mol. De reactie is exotherm (verbrandingswarmte ≈ 5470 kJ/mol).

4. Rol van het water

Het water vormt een vloeistofafsluiting aan de onderkant van de pot, zodat er geen lucht bij kan. Zonder water zou de pot niet afgesloten zijn en zou er geen onderdruk ontstaan waardoor water stijgt. Het experiment zou dan niet werken als volumemeting.

5. Grotere pot

In een grotere pot zit meer zuurstof, waardoor de vlam langer kan branden voordat het zuurstofgehalte daalt tot het bluspunt (circa 16–17 %). De fractie die verbruikt wordt, blijft echter vergelijkbaar — de pot is groter maar het percentage dat verbrand wordt verandert niet fundamenteel.

6. Nauwkeuriger meting van zuurstofgehalte

Een nauwkeurige methode gebruikt pyrogallol (een stof die selectief O₂ absorbeert) of een elektronische zuurstofmeter. In een schoolsetting kan ook ijzerwol (staalwol) worden gebruikt: ijzer roest en verbruikt daarbij O₂ zonder CO₂ te produceren, zodat de volumevermindering direct overeenkomt met het zuurstofgehalte. Dit geeft een stijging van circa 20–21 % en is een klassiek alternatief experiment.

Achtergrond: verbranding in de natuur en techniek

Hetzelfde principe — zuurstofverbruik bij verbranding in een afgesloten ruimte — speelt een rol in brand- en explosiebeveiliging (inertering van tanks met stikstof), in de fysiologie van ademhaling, en in de kosmonautica, waar de samenstelling van cabinelucht nauwkeurig beheerd wordt. Het bescheiden theelichtje in de pot is een directe inkijk in deze mechanismen.

Bekijk het volledige assortiment onderwijsmaterialen voor scheikunde en biologie in onze webshop, of neem contact op voor advies over geschikte practica voor uw situatie.