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!