1 / 43

Mir ől beszél a gyertya lángja ?

Mir ől beszél a gyertya lángja ?. Az égés kémiája 15 0 évvel Faraday után. Előadó: Turányi Tamás A kísérleteket bemutatja: Róka András ELTE K émiai Int é zet 2007. december 13. Michael Faraday (1791 -1867 ). minden id ők egyik legnagyobb fizikusa és vegyésze

zarola
Download Presentation

Mir ől beszél a gyertya lángja ?

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Miről beszél a gyertya lángja? Az égés kémiája 150 évvel Faraday után Előadó: Turányi Tamás A kísérleteket bemutatja: Róka András ELTE Kémiai Intézet 2007. december 13.

  2. Michael Faraday (1791-1867) minden idők egyik legnagyobb fizikusa és vegyésze a benzol és a cseppfolyós klór felfedezője oxidációs szám bevezetése, Bunsen-égő felfedezése mágneses indukció vizsgálata, elektromos motor felfedezője elektrolízis vizsgálata: elterjeszti az anód, katód, elektród, ion szavakat Faraday induktivitási törvénye Faraday kalitka Faraday 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 sorozatát Az 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.

  3. Miről beszél a gyertya lángja? - az eredeti előadás - Michael Faraday előadása

  4. 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.

  5. 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 fiókkönyvtárbanleselejtezték. Az eredeti Faraday előadás magyarul is olvasható az Interneten: www.chemonet.hu

  6. 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 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 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)

  7. "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

  8. A gyertya közelről A gyertya lángja megolvasztja a paraffint kis csésze képződik, amiben megolvadt paraffin van a 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 tetejére Az 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 kanóc A kanóc tetején a paraffin elpárolog A paraffin gőzők elbomlanak, olefinek keletkeznek. Az olefinek a gyertya lángjában elégnek A gyertya belsejében éghető gázok vannak, az égés nagy része a sárga lángban játszódik le oldalról levegő áramlik felfelé, ez táplálja az égést.

  9. 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 keletkezőCO2-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

  10. Gyertya súlytalanságban

  11. Súlytalanság az ürben FSDC: Fiber-Supported Droplet Combustion kísérleti berendezés

  12. Súlytalanság a Földön

  13. Kisérletek 1. a láng szerkezete a láng árnyéka felszívódás hajszálcsövesség üvegszálas mécses bemutatása párolgás alacsonyabb 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 fogyaszt a gyertya égése vízzár alatt (a „szomjas” gyertya) gyertya égése tiszta oxigénben

  14. Hindenburg-léghajó Az eddig épített legnagyobb légi jármű 245 méter hosszú 41 méter átmérőjű 135 km/óra sebesség 112 tonna teherbírás elkészült: 1936. március 17 sikeres átkelés az Atlanti-óceánon 72 utas 61 fős személyzet A léghajó belsejében: egy és kétágyas kabinok, társalgó, étterem, dohányzóhelyiség!

  15. A Hindenburg-katasztrófa A Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3hidrogén égett el 34 másodperc alatt 97 fő utas és személyzet a fedélzeten 62 fő túlélte a katasztrófát !!! Hogyan lehetséges ez ???

  16. Kisérletek 2. Gázok égése és robbanása hidrogénlevegőelegy égése konzervdobozban durranógáz metán levegőelegy égése konzervdobozban hidrogénes lufi égése

  17. Hidrogén-oxigén elegy robbanása 2 H2 + O2 = 2 H2O

  18. 1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás 2 .OH + H2  .H + H2O láncfolytatás 3 .H + O2  .OH + O láncelágazás 4 O + H2  .OH + .H láncelágazás 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés* 6 .H  fal láncvégződés 7 :O  fal láncvégződés 8 .OH  fal láncvégződés 9 .HO2 + H2  .H + H2O2láncindítás* 10 2 .HO2  H2O2 + O2 láncvégződés 11 H2O2  2 .OH láncindítás

  19. 1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás 2 .OH + H2  .H + H2O láncfolytatás 3 .H + O2  .OH + O láncelágazás 4 O + H2  .OH + .H láncelágazás 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés* 6 .H  fal láncvégződés 7 :O  fal láncvégződés 8 .OH  fal láncvégződés 9 .HO2 + H2  .H + H2O2láncindítás* 10 2 .HO2  H2O2 + O2 láncvégződés 11 H2O2  2 .OH láncindítás  1.robbanási határ alatt 6.-7.-8. lineáris lánczáró lépések eltávolítják a láncvivőket  nincs robbanás

  20. 1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás 2 .OH + H2  .H + H2O láncfolytatás 3 .H + O2  .OH + O láncelágazás 4 O + H2  .OH + .H láncelágazás 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés* 6 .H  fal láncvégződés 7 :O  fal láncvégződés 8 .OH  fal láncvégződés 9 .HO2 + H2  .H + H2O2láncindítás* 10 2 .HO2  H2O2 + O2 láncvégződés 11 H2O2  2 .OH láncindítás  H. H. H. 1.és 2. robbanási határok között: 2.-3.-4. láncelágazási lépések 3H + O2  .OH + :O 2.OH + H2  .H + H2O 4:O + H2  .H + .OH 2.OH + H2  .H + H2O + ____________________ .H + O2 + 3 H2 3 .H+ 2 H2O  robbanás H. H. H. H. H. H. H. H. H. H.

  21. 1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás 2 .OH + H2  .H + H2O láncfolytatás 3 .H + O2  .OH + O láncelágazás 4 O + H2  .OH + .H láncelágazás 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés* 6 .H  fal láncvégződés 7 :O  fal láncvégződés 8 .OH  fal láncvégződés 9 .HO2 + H2  .H + H2O2láncindítás* 10 2 .HO2  H2O2 + O2 láncvégződés 11 H2O2  2 .OH láncindítás  2.és 3. robbanási határok között: 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés*  nincs robbanás

  22. 1 H2 + O2 .H + .HO2 láncindítás 2 .OH + H2  .H + H2O láncfolytatás 3 .H + O2  .OH + O láncelágazás 4 O + H2  .OH + .H láncelágazás 5 .H + O2 + M  .HO2 + M láncvégződés* 6 .H  fal láncvégződés 7 :O  fal láncvégződés 8 .OH  fal láncvégződés 9 .HO2 + H2  .H + H2O2láncindítás* 10 2 .HO2  H2O2 + O2 láncvégződés 11 H2O2  2 .OH láncindítás 3.robbanási határ felett 9., 10., 11. reakciók fontossá válnak  robbanás

  23. Hidrogén-levegő láng 1 bar nyomáson: kb. 900K fölött .H + O2 .OH + :O láncreakció kb. 900K alatt .H + O2 + M  .HO2 + M NINCS láncreakció

  24. A metán égése CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O a bruttó reakció, nem magyaráz semmit A 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

  25. 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 OH koncentráció mérése metán lángban 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

  26. Metán égése anyagfajták egymásba alakulása metán-levegő lángban

  27. A Bunsen-égő közelről A lángkúp alatt nincs égés: a láng nem ér a fémcsőhöz! OKA: a gyökök megkötődnek a fémfelületen. Bunsen-égőnyitott levegőnyílással: a hosszú csőben a levegő és a metán teljesen összekeveredik. A cső tetején előkevert (kék) láng. Bunsen-égőzárt levegőnyílással: a hosszú csőben csak metán áramlik. A cső tetején nem előkevert (sárga) láng. Ez olyan, mint a gyertya lángja !

  28. Fő lángtípusok

  29. Fő lángtípusok

  30. A Hindenburg-katasztrófa 2. A Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3hidrogén égett el 34 másodperc alatt Az 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.

  31. Ekvivalenciaarány () előkevert lángban tüzelőanyagban szegény láng CH4+O2 elegy  CO2 + H2O + (O2 marad!)  sztöchiometrikus láng CH4+O2 elegy  CO2+H2O  tüzelőanyagban gazdag láng CH4+O2 elegy  CO2+H2O+ (CH4 marad!)  Sztöchiometriai arányok: H2+ 0.5 O2 H2O CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

  32. Lamináris lángsebesség CH4/levegő, sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T0=300 K vL 36 cm/sec= 1,3 km/óra (araszolás sebessége) H2/levegő,sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T0=300 K vL 200 cm/sec = 7,2 km/óra (lassú futás sebessége)

  33. 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 gázáramlás sebességétől!

  34. Hol ég a gyertya lángja? Szénhidrogének esetén a sztöchiometrikus (=1) előkevert láng ég 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.

  35. A láng színe A hidrogénoxigén láng színtelen mert egyik anyagfajta sem színezi meg. Az előkevert metánlevegő láng halvány kék: CH gyök a forró lángban elektronikusan gerjesztődik. Amikor alapállapotba visszatér, kék színű fényt sugároz ki. A gyertya lángja és a nem előkevert metánlevegő 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…)

  36. A láng színezése Fémsókkal a lángot sokféle színre lehet színezni: nátrium NaCl sárga réz CuSO4 zöldvagyibolya stroncium Sr(NO3)2vörös bárium Ba(NO3)2zöld kalcium CaCl2téglavörös

  37. 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  benzol benzol  PAH PAH: policiklusos aromás szénhidrogén

  38. 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

  39. A koromképződés útja 3. 3. lépés: fiatal korom növekedése szilárd-gázfázisú heterogén reakció a szilárd részecskék kémiai reakciókkal nőnek a növekedés 20 nm részecskeméretnél leáll friss korom: C : H = 1 : 1 4. lépés: a korom öregedése összeállás nagyobb részecskékké a lángból kilépéskor C : H = 10 : 1

  40. Kísérletek 3 korom kimutatása hideg felülettel a gyertyaláng és Bunsen-láng hőmérséklet-eloszlásának összehasonlítása rézlemez hőmérsékleti sugárzása előkevert Bunsen-lángban Különböző anyagok égése puskapor, lőgyapot alkohol, benzin, benzol Lángfront terjedése Mitcherlich-kísérlet (fehér foszfor gőzeinek égése) Fehér foszfor szén-diszulfidos oldatból Klórdurranógáz reakciója hosszú csőben

  41. 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

  42. "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

  43. Köszönöm a figyelmet!

More Related