Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

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

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Miről beszél a gyertya lángja? Előadó: Turányi Tamás A kísérleteket bemutatja: Róka András ELTE Kémiai Intézet 2007. december 13. Az égés kémiája 150 évvel."— Előadás másolata:

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

2 Michael Faraday ( ) 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 = 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 óta közvetíti a BBC 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 évi Karácsonyi előadást gyorsírással lejegyezték 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 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:

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 A második nagy ugrás (50-es évektől): 1. nagyobb teljesítményű, gazdaságosabb és kevésbé környezetszennyező autómotorok, repülőgép gázturbinák, kazánok fejlesztése. Égések minőségi és mennyiségi leírása: Kármán Tódor ( ) 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)

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 O 2 -t szállít a lángba elszállítja a keletkező CO 2 -t és H 2 O-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 O 2, CO 2 és H 2 O  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: 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: május 3., 19: m 3 hidrogén 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  levegő elegy égése konzervdobozban durranógáz metán  levegő elegy égése konzervdobozban hidrogénes lufi égése

17 Hidrogén-oxigén elegy robbanása 2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O

18 1H 2 + O 2 .H +.HO 2 láncindítás 2.OH + H 2 .H + H 2 Oláncfolytatás 3.H + O 2 .OH +  O láncelágazás 4  O + H 2 .OH +.H láncelágazás 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés* 6.H  fal láncvégződés 7:O  fal láncvégződés 8.OH  fal láncvégződés 9.HO 2 + H 2 .H + H 2 O 2 láncindítás* 102.HO 2  H 2 O 2 + O 2 láncvégződés 11H 2 O 2  2.OH láncindítás

19 1H 2 + O 2 .H +.HO 2 láncindítás 2.OH + H 2 .H + H 2 Oláncfolytatás 3.H + O 2 .OH +  O láncelágazás 4  O + H 2 .OH +.H láncelágazás 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés* 6.H  fal láncvégződés 7:O  fal láncvégződés 8.OH  fal láncvégződés 9.HO 2 + H 2 .H + H 2 O 2 láncindítás* 102.HO 2  H 2 O 2 + O 2 láncvégződés 11H 2 O 2  2.OH láncindítás 1. robbanási határ alatt  lineáris lánczáró lépések eltávolítják a láncvivőket  nincs robbanás 

20 1. és 2. robbanási határok között: láncelágazási lépések 3 H + O 2 .OH + :O 2.OH + H 2 .H + H 2 O 4 :O + H 2 .H +.OH 2.OH + H 2 .H + H 2 O + ____________________.H + O H 2  3.H + 2 H 2 O  robbanás  H. 1H 2 + O 2 .H +.HO 2 láncindítás 2.OH + H 2 .H + H 2 Oláncfolytatás 3.H + O 2 .OH +  O láncelágazás 4  O + H 2 .OH +.H láncelágazás 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés* 6.H  fal láncvégződés 7:O  fal láncvégződés 8.OH  fal láncvégződés 9.HO 2 + H 2 .H + H 2 O 2 láncindítás* 102.HO 2  H 2 O 2 + O 2 láncvégződés 11H 2 O 2  2.OH láncindítás

21 1H 2 + O 2 .H +.HO 2 láncindítás 2.OH + H 2 .H + H 2 Oláncfolytatás 3.H + O 2 .OH +  O láncelágazás 4  O + H 2 .OH +.H láncelágazás 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés* 6.H  fal láncvégződés 7:O  fal láncvégződés 8.OH  fal láncvégződés 9.HO 2 + H 2 .H + H 2 O 2 láncindítás* 102.HO 2  H 2 O 2 + O 2 láncvégződés 11H 2 O 2  2.OH láncindítás 2. és 3. robbanási határok között: 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés*  nincs robbanás 

22 1H 2 + O 2 .H +.HO 2 láncindítás 2.OH + H 2 .H + H 2 Oláncfolytatás 3.H + O 2 .OH +  O láncelágazás 4  O + H 2 .OH +.H láncelágazás 5.H + O 2 + M .HO 2 + M láncvégződés* 6.H  fal láncvégződés 7:O  fal láncvégződés 8.OH  fal láncvégződés 9.HO 2 + H 2 .H + H 2 O 2 láncindítás* 102.HO 2  H 2 O 2 + O 2 láncvégződés 11H 2 O 2  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 + O 2 .OH + :O  láncreakció kb. 900K alatt.H + O 2 + M .HO 2 + M  NINCS láncreakció

24 A metán égése CH O 2  CO H 2 O a bruttó reakció, nem magyaráz semmit A mechanizmus  1. CH 3 gyök előállítása CH 4 + O 2 .CH 3 +.HO 2 homogén robbanás CH 4 + M .CH 3 +.H + M homogén robbanás CH 4 +.H .CH 3 + H 2 láng eleje CH 4 +.OH .CH 3 + H 2 O láng eleje 2. Formaldehid előállítása.CH 3 -ból.CH 3 + O 2  CH 3 O. +  O CH 3 O. + M  CH 2 O +.H + M.CH 3 +  O  CH 2 O +.H

25 3..CHO előállítása CH 2 O-ból CH 2 O +.H .CHO + H 2 CH 2 O +.OH .CHO + H 2 O 4. CO előállítása.CHO-ból CHO +.H  CO + H 2 CHO + M  CO +.H + M CHO + O 2  CO +.HO 2 5. CO 2 keletkezik a CO-ból CO + OH  CO 2 + H Az egészhez az elegendő gyököt a H 2 /O 2 reakciók adják  ld korábban  6. C 2 H 6 keletkezése és elégése  2 CH 3  C 2 H 6 OH koncentráció mérése metán lángban

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-égő nyitott levegőnyílással: a hosszú csőben a levegő és a metán teljesen 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 !

28 Fő lángtípusok előkevertnem előkevert lamináris láng gáztűzhely lángja Bunsen égő kék lánggal gyertya kandalló Bunsen égő sárga lánggal turbulens láng benzinmotor porlasztóval repülőgép gázturbina rakéta motor  H 2 +O 2 vagy kerozin+O 2 ) Diesel motor

29 Fő lángtípusok előkevertnem előkevert lamináris láng turbulens láng

30 A Hindenburg-katasztrófa 2. A Hindenburg léghajó elégése: május 3., 19: m 3 hidrogén 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 CH 4 +O 2 elegy  CO 2 + H 2 O + (O 2 marad!)  sztöchiometrikus láng CH 4 + O 2 elegy  CO 2 + H 2 O   t ü zelőanyagban gazdag láng CH 4 +O 2 elegy  CO 2 +H 2 O+ (CH 4 marad!)  Sztöchiometriai arányok: H O 2  H 2 O CH O 2  CO H 2 O

32 Lamináris lángsebesség CH 4 /levegő, sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T 0 =300 K v L  36 cm/sec = 1,3 km/óra (araszolás sebessége) H 2 /levegő, sztöchiometrikus elegy, p = 1 atm, T 0 =300 K v L  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: v L = v gáz  sin  kis gázáramlási sebesség  lapos kúp nagy gázáramlási sebesség  hegyes kúp A gáz v L 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. 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…) Az előkevert metán  levegő láng halvány kék: CH gyök a forró lángban elektronikusan gerjesztődik. Amikor alapállapotba visszatér, kék színű fényt sugároz ki.

36 A láng színezése Fémsókkal a lángot sokféle színre lehet színezni: sárga nátriumNaClsárga réz CuSO4zöld vagy ibolya stronciumSr(NO 3 ) 2 vörös báriumBa(NO 3 ) 2 zöld kalcium CaCl 2 téglavörös

37 A koromképződés útja 1. lépés: kis szénhidrogén molekulák és gyökök képződése tüzelőanyagban gazdag szénhidrogén láng esetén: nagy C 2 H 2 molekula és CH gyök koncentráció 2. lépés: korom előanyagok képződése: CH + C 2 H 2  H 2 CCCH (propargil gyök) 2 H 2 CCCH  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 Daltonnál már szilárd részecskékké állnak össze

39 A koromképződés útja 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: Elérhető az “Alkimia ma” előadássorozat a Web oldaláról:

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!


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

Hasonló előadás


Google Hirdetések