Mir ől beszél a gyertya lángja ?
description
Transcript of Mir ől beszél a gyertya lángja ?
Miről beszél a gyertya lángja?
Előadó: Turányi TamásA kísérleteket bemutatja: Róka András
ELTE Kémiai Intézet2007. december 13.
Az égés kémiája 150 évvel Faraday után
Michael Faraday (1791-1867)minden idők egyik legnagyobb fizikusa és vegyészea benzol és a cseppfolyós klór felfedezőjeoxidációs szám bevezetése, Bunsen-égő felfedezésemágneses indukció vizsgálata, elektromos motor felfedezőjeelektrolízis vizsgálata: elterjeszti az anód, katód, elektród, ion szavakat
Faraday induktivitási törvényeFaraday kalitkaFaraday effektus (fény és mágneses tér kölcsönhatása)Faraday állandó: 1 mol elektron töltése = 96485 coulomb
1825-ben lett a Royal Institution kutatóintézet igazgatója
1826-ben elindította a Karácsonyi Előadások sorozatátAz előadásokat vagy Faraday tartotta (összesen 19 alkalommal), vagy egy általa felkért előadó. A Karácsonyi Előadásokat azóta is évente megtartják. 1966-óta közvetíti a BBC.
1848-ban és 1860-ban előadását The Chemical History of a Candle(Miről beszél a gyertya lángja?) címmel tartotta meg.
Miről beszél a gyertya lángja?- az eredeti előadás -
Michael Faraday előadása
Miről beszél a gyertya lángja?- a könyv -
1860. évi Karácsonyi előadást gyorsírással lejegyezték.
1861. januárban és februárban megjelent a Chemical News című újságban Már 1861-ben megjelent könyvben is. Angol nyelven azóta is folyamatosan, újra és újra kiadják.
Miről beszél a gyertya lángja?- a könyv magyarul -
1921-ben megjelent magyarul is „A gyertya természetrajza” címmel (Athenaeum, Budapest, 1921; fordította: Bálint András)
1949-ban újra kiadták„Miről beszél a gyertya lángja?” címmel (fordította Zemplén Jolán)
Általános iskolás koromban (1972) ez megvolt a helyi Szabó Ervin könyvtárban.
Azóta mint elavult könyvet, minden Szabó Ervin fiókkönyvtárban leselejtezték.
Az eredeti Faraday előadás magyarul is olvasható az Interneten:www.chemonet.hu
Miről beszél a gyertya lángja?- a mostani előadás -
A mostani előadás részben követi az eredeti Faraday-féle előadást. Faraday már tudta, hogy milyen anyagok reagálnak,mi a reaktánsok és termékek elemi összetétele
A második nagy ugrás (50-es évektől): 1. nagyobb teljesítményű, 1950-1970 2. gazdaságosabb és 1970-1990 3. kevésbé környezetszennyező 1990-autómotorok, repülőgép gázturbinák, kazánok fejlesztése.
Égések minőségi és mennyiségi leírása:Kármán Tódor (1881-1963)
Az első nagy ugrás az égéssel kapcsolatos ismeretekben:az égés során nagyon reaktív köztitermékek (gyökök) keletkeznek.Az égés tulajdonságai a gyökök reakciói ismeretében érthetők meg.Bodenstein (1907), Szemjonov (1926), Hinshelwood (1927)
"A gyertya természetrajzát már egy régebbi előadásomban ismertettem és ha tőlem függne, az előadásaimat évről évre ezzel a témával fejezném be:
ugyanis annyira érdekes tárgy ez és annyi módot nyújt a természet tanulmányozásához vezető út megismerésére. A világegyetemet irányító természeti törvények mind-mind feltárulnak előttünk; és aligha találunk kényelmesebb módot a természet műhelyébe való betekintésre, mint ezt."
Faraday előadásának első szavai
A gyertya közelrőlA gyertya lángja megolvasztja a paraffintkis csésze képződik, amiben megolvadt paraffin vana szilárd paraffin nem engedi elfolyni az olvadt paraffint.A rossz gyertya: elfolyik a parafin
vagy végül hátramarad parafin.
A kanóc alja ázik a paraffinban, a teteje száraz:A hajszálcsövesség miatt a paraffin felszívódik a kanóc tetejéreAz olvadt paraffin fogy, a láng lejjebb jön, újabb paraffin olvad meg.A kanóc teteje belelóg a forró lángba és elég.A rossz gyertya: nem szívja fel jól az olvadt parafint;
végül nem ég el a kanócA kanóc tetején a paraffin elpárologA paraffin gőzők elbomlanak, olefinek keletkeznek.
Az olefinek a gyertya lángjában elégnekA gyertya belsejében éghető gázok vannak,az égés nagy része a sárga lángban játszódik leoldalról levegő áramlik felfelé, ez táplálja az égést.
Miért fordított csepp alakú a gyertya lángja?
A láng széle forró:a láng melletti levegő felmelegszik,a sűrűsége sokkal kisebb, mint a hideg levegőé és gyorsan felfelé száll
A láng melletti gyors levegőáramlás:
• kialakítja a jellegzetes csepp alakot• állandóan friss O2-t szállít a lángba • elszállítja a keletkező CO2-t és H2O-t• kis örvények további oxigént kevernek be
Súlytalanságban nem számít a forró és hideg gázok közötti sűrűségkülönbség,nincs felhajtóerő:
• nincs cseppalak, hanem gömbszerű a láng• csak diffúzióval, lassan mozog az O2, CO2 és H2O hideg a láng
Gyertya súlytalanságban
Súlytalanság az ürben
FSDC: Fiber-Supported Droplet Combustionkísérleti berendezés
Súlytalanság a Földön
Kisérletek 1. a láng szerkezete
a láng árnyéka
felszívódáshajszálcsövességüvegszálas mécses bemutatása
párolgásalacsonyabb a hőmérséklet a láng magjában: gyufaszál / hurkapálca helyezése a láng magjához
paraffingőz kivezetése és meggyújtása a láng magjából
az elfújt gyertya lángra lobbantása a paraffingőz segítségével
a gyertya oxigént fogyaszta gyertya égése vízzár alatt (a „szomjas” gyertya)gyertya égése tiszta oxigénben
Hindenburg-léghajóAz eddig épített legnagyobb légi jármű
245 méter hosszú 41 méter átmérőjű135 km/óra sebesség112 tonna teherbíráselkészült: 1936. március
17 sikeres átkelés az Atlanti-óceánon
72 utas61 fős személyzet
A léghajó belsejében:egy és kétágyas kabinok,társalgó, étterem,dohányzóhelyiség!
A Hindenburg-katasztrófaA Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3 hidrogén égett el 34 másodperc alatt97 fő utas és személyzet a fedélzeten62 fő túlélte a katasztrófát !!!Hogyan lehetséges ez ???
Kisérletek 2.
Gázok égése és robbanása
hidrogénlevegő elegy égése konzervdobozban
durranógáz
metán levegő elegy égése konzervdobozban
hidrogénes lufi égése
Hidrogén-oxigén elegy robbanása2 H2 + O2 = 2 H2O
1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás2 .OH + H2 .H + H2O láncfolytatás3 .H + O2 .OH + O láncelágazás4 O + H2 .OH + .H láncelágazás5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés*6 .H fal láncvégződés7 :O fal láncvégződés8 .OH fal láncvégződés9 .HO2 + H2 .H + H2O2 láncindítás*10 2 .HO2 H2O2 + O2 láncvégződés11 H2O2 2 .OH láncindítás
1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás2 .OH + H2 .H + H2O láncfolytatás3 .H + O2 .OH + O láncelágazás4 O + H2 .OH + .H láncelágazás5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés*6 .H fal láncvégződés7 :O fal láncvégződés8 .OH fal láncvégződés9 .HO2 + H2 .H + H2O2 láncindítás*10 2 .HO2 H2O2 + O2 láncvégződés11 H2O2 2 .OH láncindítás
1. robbanási határ alatt
6.-7.-8. lineáris lánczáró lépések eltávolítják a láncvivőket
nincs robbanás
1. és 2. robbanási határok között:
2.-3.-4. láncelágazási lépések 3 H + O2 .OH + :O2 .OH + H2 .H + H2O4 :O + H2 .H + .OH2 .OH + H2 .H + H2O+ ____________________.H + O2 + 3 H2 3 .H + 2 H2O robbanás
H. H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
H.
1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás2 .OH + H2 .H + H2O láncfolytatás3 .H + O2 .OH + O láncelágazás4 O + H2 .OH + .H láncelágazás5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés*6 .H fal láncvégződés7 :O fal láncvégződés8 .OH fal láncvégződés9 .HO2 + H2 .H + H2O2 láncindítás*10 2 .HO2 H2O2 + O2 láncvégződés11 H2O2 2 .OH láncindítás
1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás2 .OH + H2 .H + H2O láncfolytatás3 .H + O2 .OH + O láncelágazás4 O + H2 .OH + .H láncelágazás5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés*6 .H fal láncvégződés7 :O fal láncvégződés8 .OH fal láncvégződés9 .HO2 + H2 .H + H2O2 láncindítás*10 2 .HO2 H2O2 + O2 láncvégződés11 H2O2 2 .OH láncindítás
2. és 3. robbanási határok között:
5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés* nincs robbanás
1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás2 .OH + H2 .H + H2O láncfolytatás3 .H + O2 .OH + O láncelágazás4 O + H2 .OH + .H láncelágazás5 .H + O2 + M .HO2 + M láncvégződés*6 .H fal láncvégződés7 :O fal láncvégződés8 .OH fal láncvégződés9 .HO2 + H2 .H + H2O2 láncindítás*10 2 .HO2 H2O2 + O2 láncvégződés11 H2O2 2 .OH láncindítás
3. robbanási határ felett 9., 10., 11. reakciók fontossá válnak
robbanás
Hidrogén-levegő láng1 bar nyomáson: kb. 900K fölött .H + O2 .OH + :O láncreakciókb. 900K alatt .H + O2 + M .HO2 + M NINCS láncreakció
A metán égéseCH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O a bruttó reakció, nem magyaráz semmitA mechanizmus
1. CH3 gyök előállítása CH4 + O2 .CH3 + .HO2 homogén robbanás CH4 + M .CH3 + .H + M homogén robbanás CH4 + .H .CH3 + H2 láng eleje CH4 + .OH .CH3 + H2O láng eleje
2. Formaldehid előállítása .CH3-ból .CH3 + O2 CH3O. + O
CH3O. + M CH2O + .H + M
.CH3 + O CH2O + .H
3. .CHO előállítása CH2O-ból CH2O + .H .CHO + H2 CH2O + .OH .CHO + H2O
4. CO előállítása .CHO-ból CHO + .H CO + H2 CHO + M CO + .H + M CHO + O2 CO + .HO2
5. CO2 keletkezik a CO-ból CO + OH CO2 + H
Az egészhez az elegendő gyököt a H2/O2 reakciók adják ld korábban
6. C2H6 keletkezése és elégése 2 CH3 C2H6
OH koncentrációmérése metán lángban
Metán égése
anyagfajták egymásba alakulása metán-levegő lángban
A Bunsen-égő közelről
A lángkúp alatt nincs égés:a láng nem ér a fémcsőhöz!OKA: a gyökök megkötődnek a fémfelületen.
Bunsen-égő nyitott levegőnyílással:a hosszú csőben a levegő és a metánteljesen összekeveredik.A cső tetején előkevert (kék) láng.Bunsen-égő zárt levegőnyílással:a hosszú csőben csak metán áramlik.A cső tetején nem előkevert (sárga) láng.
Ez olyan, mint a gyertya lángja !
Fő lángtípusok
előkevert nem előkevert
lamináris lánggáztűzhely lángjaBunsen égő kék lánggal
gyertyakandallóBunsen égő sárga lánggal
turbulens lángbenzinmotor porlasztóval
repülőgép gázturbinarakéta motor H2+O2 vagy kerozin+O2)Diesel motor
Fő lángtípusok
előkevert nem előkevert
lamináris láng
turbulens láng
A Hindenburg-katasztrófa 2.A Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3 hidrogén égett el 34 másodperc alattAz utasok a ballon belsejében voltak. 97 fő utas és személyzet a fedélzeten
62 fő túlélte a katasztrófát !!!
Ez egy nem előkevert hidrogén-levegő láng. Csak a hidrogéntartály külsején folyt az égés és főleg a ballon tetején.
Az utasoknak volt 20 másodpercük, hogy kiszabaduljanak és elfussanak.
Ekvivalenciaarány () előkevert lángbantüzelőanyagban szegény lángCH4+O2 elegy CO2 + H2O + (O2 marad!)
sztöchiometrikus lángCH4 + O2 elegy CO2 + H2O
tüzelőanyagban gazdag lángCH4+O2 elegy CO2+H2O+ (CH4 marad!)
Sztöchiometriai arányok: H2 + 0.5 O2 H2OCH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Lamináris lángsebességCH4/levegő, sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T0=300 KvL 36 cm/sec = 1,3 km/óra (araszolás sebessége) H2/levegő, sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T0=300 KvL 200 cm/sec = 7,2 km/óra (lassú futás sebessége)
Lamináris lángsebesség legegyszerűbb mérése
Meg kell mérni, hogy a Bunsen-égő lángkúpja mekkora szöget zár be a függőleges iránnyal:
vL= vgáz sin
kis gázáramlási sebesség lapos kúp
nagy gázáramlási sebesség hegyes kúp
A gáz vL égési sebessége fizikai állandó,nem függ a gázáramlássebességétől!
Hol ég a gyertya lángja?
Szénhidrogének esetén a sztöchiometrikus (=1) előkevert lángég a leggyorsabban (ennek a legnagyobb a lamináris lángsebessége)
Nem előkevert lángban a helyi ekvivalenciaarány helyről helyre változik.
A gyertyalángon belül a gázelegy tüzelőanyagban gazdag (>1).
A gyertyalángon kívül a gázelegy oxigénben gazdag, tüzelőanyagban szegény (<1).
A gyertyaláng frontja ott van, ahol a gázelegy sztöchiometrikus (=1)
Azon belül nem is jut oxigén.
A láng színe
A hidrogénoxigén láng színtelenmert egyik anyagfajta sem színezi meg.
A gyertya lángja és a nem előkevert metánlevegő láng sárga:
Az alkán molekulák a forró lángfronthoz közeledve elbomlanak,olefinmolekulák és gyökök keletkeznek,ezekből kémiai reakciókban koromszemcsék keletkeznek.A koromszemcsék sárga színnel felizzanak a forró lángfrontban. A lángfront után sok az oxigén, a koromszemcsék nyomtalanul elégnek.(Ha jó a gyertya…)
Az előkevert metánlevegő láng halvány kék:CH gyök a forró lángban elektronikusan gerjesztődik.Amikor alapállapotba visszatér, kék színű fényt sugároz ki.
A láng színezéseFémsókkal a lángot sokféle színre lehet színezni: nátrium NaCl sárgasárgaréz CuSO4 zöld vagy ibolyastroncium Sr(NO3)2 vörösbárium Ba(NO3)2 zöldkalcium CaCl2téglavörös
A koromképződés útja
1. lépés: kis szénhidrogén molekulák és gyökök képződése tüzelőanyagban gazdag szénhidrogén láng esetén:nagy C2H2 molekula és CH gyök koncentráció
2. lépés: korom előanyagok képződése: CH + C2H2 H2CCCH (propargil gyök)2 H2CCCH benzolbenzol PAH
PAH: policiklusos aromás szénhidrogén
A koromképződés útja 2.
PAH képződése: gázfázisú reakciókban, sorozatos gyökös acetilén addícióval
a molekulák/gyökök tömege egyre nő, kb. 2000 Daltonnál már szilárd részecskékké állnak össze
A koromképződés útja 3.
3. lépés: fiatal korom növekedése szilárd-gázfázisú heterogén reakcióa szilárd részecskék kémiai reakciókkal nőneka növekedés 20 nm részecskeméretnél leállfriss korom: C : H = 1 : 1
4. lépés: a korom öregedése összeállás nagyobb részecskékkéa lángból kilépéskor C : H = 10 : 1
Kísérletek 3
korom kimutatása hideg felülettel
a gyertyaláng és Bunsen-láng hőmérséklet-eloszlásának összehasonlítása
rézlemez hőmérsékleti sugárzása előkevert Bunsen-lángban
Különböző anyagok égésepuskapor, lőgyapotalkohol, benzin, benzol
Lángfront terjedéseMitcherlich-kísérlet (fehér foszfor gőzeinek égése)Fehér foszfor szén-diszulfidos oldatbólKlórdurranógáz reakciója hosszú csőben
Ennek az előadásnak a Web oldala:
http://garfield.chem.elte.hu/Turanyi/gyertya.html
Elérhető az “Alkimia ma” előadássorozat a Web oldaláról:
http://www.chem.elte.hu/pr/alkimia_ma.html
"A felolvasásaim befejezéséül még csak azt kívánom nektek, hogy míg csak éltek, legyetek hasonlóak a gyertyához, hogy ti is fényt árasszatok a környezetetekre, minden tettetekben a gyertyaláng szépsége tükröződjék és kötelességeket hű teljesítésében szépet, jót, nemeset cselekedjetek az emberiségért."
Faraday előadásának utolsó szavai
Köszönöm a figyelmet!