Miről beszél a gyertya lángja?

Miről beszél a gyertya lángja? Az égés kémiája 150 évvel Faraday után

Turányi Tamás bemutatja: Róka András

Előadó: A kísérleteket

ELTE Kémiai Intézet 2007. december 13.

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: 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 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.

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 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 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 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 1990autómotorok, repülőgép gázturbinák, kazánok fejlesztése. Égések minőségi és mennyiségi leírása. Kármán Tódor (1881-1963)

"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 mindmind feltárulnak előttünk; és aligha találunk kényelmesebb módot a természet műhelyébe való betekintésre, mint ezt." Faraday előadásának első szavai

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.

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 Combustion kísérleti berendezés

Súlytalanság a Földön

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

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 Atlantióceánon 72 utas 61 fős személyzet A léghajó belsejében: egy és kétágyas kabinok, társalgó, étterem, dohányzóhelyiség!

A Hindenburg-katasztrófa A Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3 hidrogén égett el 34 másodperc alatt 97 fő utas és személyzet a fedélzeten 62 fő túlélte a katasztrófát !!! Hogyan lehetséges ez ???

Kisérletek 2.

Gázok égése és robbanása hidrogén−levegő elegy égése konzervdobozban durranógáz metán −levegő elegy égése konzervdobozban hidrogénes lufi égése

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

H2 + O2 → .H + .HO2 .OH + H2 → .H + H2O .H + O2 → .OH + :O :O + H2 → .OH + .H .H + O2 + M → .HO2 + M .H → fal :O → fal .OH → fal .HO2 + H2 → .H + H2O2 2 .HO2 → H2O2 + O2 H2O2 → 2 .OH

láncindítás láncfolytatás láncelágazás láncelágazás láncvégződés* láncvégződés láncvégződés láncvégződés láncindítás* láncvégződés láncindítás

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

H2 + O2 → .H + .HO2 .OH + H2 → .H + H2O .H + O2 → .OH + :O :O + H2 → .OH + .H .H + O2 + M → .HO2 + M .H → fal :O → fal .OH → fal .HO2 + H2 → .H + H2O2 2 .HO2 → H2O2 + O2 H2O2 → 2 .OH

láncindítás láncfolytatás láncelágazás láncelágazás láncvégződés* láncvégződés láncvégződés láncvégződés láncindítás* láncvégződés láncindítás

1. robbanási határ alatt: 6.-7.-8. lineáris lánczáró lépések eltávolítják a láncvivőket → nincs robbanás

•

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

H2 + O2 → .H + .HO2 .OH + H2 → .H + H2O .H + O2 → .OH + :O :O + H2 → .OH + .H .H + O2 + M → .HO2 + M .H → fal :O → fal .OH → fal .HO2 + H2 → .H + H2O2 2 .HO2 → H2O2 + O2 H2O2 → 2 .OH

láncindítás láncfolytatás láncelágazás láncelágazás láncvégződés* láncvégződés láncvégződés láncvégződés láncindítás* láncvégződés láncindítás

•

H. H.

1. és 2. robbanási határok között:

H. H.

2.-3.-4. láncelágazási lépések 3 H + 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.

H2 + O2 → .H + .HO2 .OH + H2 → .H + H2O .H + O2 → .OH + :O :O + H2 → .OH + .H .H + O2 + M → .HO2 + M .H → fal :O → fal .OH → fal .HO2 + H2 → .H + H2O2 2 .HO2 → H2O2 + O2 H2O2 → 2 .OH

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

láncindítás láncfolytatás láncelágazás láncelágazás láncvégződés* láncvégződés láncvégződés láncvégződés láncindítás* láncvégződés láncindítás

2. és 3. robbanási határok között: 5

.H + O2 + M → .HO2 + M

→ nincs robbanás

láncvégződés*

•

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

H2 + O2 → .H + .HO2 .OH + H2 → .H + H2O .H + O2 → .OH + :O :O + H2 → .OH + .H .H + O2 + M → .HO2 + M .H → fal :O → fal .OH → fal .HO2 + H2 → .H + H2O2 2 .HO2 → H2O2 + O2 H2O2 → 2 .OH

3. robbanási határ felett 9., 10., 11. reakciók fontossá válnak → robbanás

láncindítás láncfolytatás láncelágazás láncelágazás láncvégződés* láncvégződés láncvégződés láncvégződés láncindítás* láncvégződés láncindítás

•

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

→ láncreakció → NINCS láncreakció

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 CH4 + M → .CH3 + .H + M

homogén robbanás homogén robbanás

CH4 + .H → .CH3 + H2 CH4 + .OH → .CH3 + H2O

láng eleje 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

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

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 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 !

Fő lángtípusok

lamináris láng

turbulens láng

előkevert

nem előkevert

gáztűzhely lángja Bunsen égő kék lánggal

gyertya kandalló Bunsen égő sárga lánggal

benzinmotor porlasztóval

repülőgép gázturbina rakéta motor (H2+O2 vagy kerozin+O2) Diesel motor

Fő lángtípusok előkevert

lamináris láng

turbulens láng

nem előkevert

A Hindenburg-katasztrófa 2. A Hindenburg léghajó elégése: 1937. május 3., 19:25 200.000 m3 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.

Ekvivalenciaarány (ϕ) előkevert lángban tüzelőanyagban szegény láng CH4+O2 elegy → CO2 + H2O + (O2 marad!) ϕ<1 sztöchiometrikus láng CH4 + O2 elegy → CO2 + H2O ϕ= 1 tüzelőanyagban gazdag láng CH4+O2 elegy → CO2+H2O+ (CH4 marad!) ϕ>1 Sztöchiometriai arányok: H2 + 0.5 O2 → H2O CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

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)

Lamináris lángsebesség legegyszerűbb mérése Meg kell mérni, hogy a Bunsen-égő lángkúpja mekkora α szöget zár be a függőleges iránnyal: vL= vgáz × sin α kis gázáramlási sebesség ⇒ lapos kúp nagy gázáramlási sebesség ⇒ hegyes kúp A gáz vL égési sebessége fizikai állandó, nem függ a gázáramlás sebességétől!

Hol ég a gyertya lángja? Szénhidrogének esetén a sztöchiometrikus (ϕ=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 (ϕ>1). A gyertyalángon kívül a gázelegy oxigénben gazdag, tüzelőanyagban szegény (ϕ<1). A gyertyaláng frontja ott van, ahol a gázelegy sztöchiometrikus (ϕ=1) Azon belül nem is jut oxigén.

A láng színe A hidrogén−oxigén láng színtelen 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…)

A láng színezése Fémsókkal a lángot sokféle színre lehet színezni: nátrium réz stroncium bárium kalcium

NaCl CuSO4 Sr(NO3)2 Ba(NO3)2 CaCl2

sárga ibolya vörös zöld téglavörös

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 2 H2CCCH → benzol benzol → → → PAH

(propargil gyök)

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 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

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

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 és Turányi Tamás honlapjáról:

www.turanyi.eu

"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!