Title: Mirol besz
1Mirol beszél a gyertya lángja?
Az égés kémiája 150 évvel Faraday után
- Eloadó Turányi Tamás
- A kísérleteket bemutatja Róka András
- ELTE Kémiai Intézet
- 2007. december 13.
2Michael Faraday (1791-1867)
minden idok egyik legnagyobb fizikusa és
vegyésze a benzol és a cseppfolyós klór
felfedezoje oxidációs szám bevezetése, Bunsen-égo
felfedezése mágneses indukció vizsgálata,
elektromos motor felfedezoje 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
Eloadások sorozatát Az eloadásokat vagy Faraday
tartotta (összesen 19 alkalommal), vagy egy
általa felkért eloadó. A Karácsonyi Eloadásokat
azóta is évente megtartják. 1966-óta közvetíti a
BBC. 1848-ban és 1860-ban eloadását The Chemical
History of a Candle (Mirol beszél a gyertya
lángja?) címmel tartotta meg.
3Mirol beszél a gyertya lángja? - az eredeti
eloadás -
Michael Faraday eloadása
4Mirol beszél a gyertya lángja? - a könyv -
1860. évi Karácsonyi eloadást gyorsírással
lejegyezték.
1861. januárban és februárban megjelent a
Chemical News címu újságban
Már 1861-ben megjelent könyvben is. Angol
nyelven azóta is folyamatosan, újra és újra
kiadják.
5Mirol 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 Mirol 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 eloadás magyarul is olvasható
az Interneten www.chemonet.hu
6Mirol beszél a gyertya lángja? - a mostani
eloadás -
A mostani eloadás részben követi az eredeti
Faraday-féle eloadást. Faraday már tudta, hogy
milyen anyagok reagálnak, mi a reaktánsok és
termékek elemi összetétele
Az elso nagy ugrás az égéssel kapcsolatos
ismeretekben az égés során nagyon reaktív
köztitermékek (gyökök) keletkeznek. Az égés
tulajdonságai a gyökök reakciói ismeretében
érthetok meg. Bodenstein (1907), Szemjonov
(1926), Hinshelwood (1927)
A második nagy ugrás (50-es évektol) 1.
nagyobb teljesítményu, 1950-1970 2.
gazdaságosabb és 1970-1990 3. kevésbé
környezetszennyezo 1990- autómotorok, repülogép
gázturbinák, kazánok fejlesztése. Égések
minoségi és mennyiségi leírása Kármán Tódor
(1881-1963)
7"A gyertya természetrajzát már egy régebbi
eloadásomban ismertettem és ha tolem függne, az
eloadásaimat évrol évre ezzel a témával fejezném
be ugyanis annyira érdekes tárgy ez és annyi
módot nyújt a természet tanulmányozásához vezeto
út megismerésére. A világegyetemet irányító
természeti törvények mind-mind feltárulnak
elottünk és aligha találunk kényelmesebb módot
a természet muhelyébe való betekintésre, mint
ezt." Faraday eloadásának elso szavai
8A gyertya közelrol
A gyertya lángja megolvasztja a paraffint kis
csésze képzodik, 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
gozok elbomlanak, olefinek keletkeznek.
Az olefinek a gyertya lángjában elégnek A gyertya
belsejében égheto gázok vannak, az égés nagy
része a sárga lángban játszódik le oldalról
levego áramlik felfelé, ez táplálja az égést.
9Miért fordított csepp alakú a gyertya lángja?
A láng széle forró a láng melletti levego
felmelegszik, a surusége sokkal kisebb, mint a
hideg levegoé és gyorsan felfelé száll
- A láng melletti gyors levegoáramlás
- kialakítja a jellegzetes csepp alakot
- állandóan friss O2-t szállít a lángba
- elszállítja a keletkezo CO2-t és H2O-t
- kis örvények további oxigént kevernek be
- Súlytalanságban nem számít
- a forró és hideg gázok közötti suruségkülönbség,
- nincs felhajtóero
- nincs cseppalak, hanem gömbszeru a láng
- csak diffúzióval, lassan mozog az O2, CO2 és H2O
? hideg a láng
10Gyertya súlytalanságban
11Súlytalanság az ürben
FSDC Fiber-Supported Droplet Combustion kísérlet
i berendezés
12Súlytalanság a Földön
13Kisérletek 1.
a láng szerkezete a láng árnyéka felszívódás
hajszálcsövesség üvegszálas mécses
bemutatása párolgás alacsonyabb a homérséklet
a láng magjában gyufaszál / hurkapálca
helyezése a láng magjához paraffingoz
kivezetése és meggyújtása a láng magjából az
elfújt gyertya lángra lobbantása a paraffingoz
segítségével a gyertya oxigént fogyaszt a
gyertya égése vízzár alatt (a szomjas
gyertya) gyertya égése tiszta oxigénben
14Hindenburg-léghajó
Az eddig épített legnagyobb légi jármu 245
méter hosszú 41 méter átméroju 135 km/óra
sebesség 112 tonna teherbírás elkészült 1936.
március 17 sikeres átkelés az Atlanti-óceánon 72
utas 61 fos személyzet A léghajó
belsejében egy és kétágyas kabinok, társalgó,
étterem, dohányzóhelyiség!
15A Hindenburg-katasztrófa
A Hindenburg léghajó elégése 1937. május 3.,
1925 200.000 m3 hidrogén égett el 34
másodperc alatt 97 fo utas és személyzet a
fedélzeten
62 fo túlélte a katasztrófát !!!
Hogyan lehetséges ez ???
16Kisérletek 2.
Gázok égése és robbanása hidrogén?levego
elegy égése konzervdobozban durranógáz
metán ?levego elegy égése
konzervdobozban hidrogénes lufi égése
17Hidrogén-oxigén elegy robbanása 2 H2 O2 2 H2O
181 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
láncvégzodés 6 .H ? fal láncvégzodés 7 O ?
fal láncvégzodés 8 .OH ? fal
láncvégzodés 9 .HO2 H2 ? .H H2O2
láncindítás 10 2 .HO2 ? H2O2 O2
láncvégzodés 11 H2O2 ? 2 .OH láncindítás
191 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
láncvégzodés 6 .H ? fal láncvégzodés 7 O ?
fal láncvégzodés 8 .OH ? fal
láncvégzodés 9 .HO2 H2 ? .H H2O2
láncindítás 10 2 .HO2 ? H2O2 O2
láncvégzodés 11 H2O2 ? 2 .OH láncindítás
?
1. robbanási határ alatt?
6.-7.-8. lineáris lánczáró lépések eltávolítják a
láncvivoket ? nincs robbanás
201 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
láncvégzodés 6 .H ? fal láncvégzodés 7 O ?
fal láncvégzodés 8 .OH ? fal
láncvégzodés 9 .HO2 H2 ? .H H2O2
láncindítás 10 2 .HO2 ? H2O2 O2
láncvégzodés 11 H2O2 ? 2 .OH láncindítás
?
H.
H.
H.
1. és 2. robbanási határok között 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.
H.
211 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
láncvégzodés 6 .H ? fal láncvégzodés 7 O ?
fal láncvégzodés 8 .OH ? fal
láncvégzodés 9 .HO2 H2 ? .H H2O2
láncindítás 10 2 .HO2 ? H2O2 O2
láncvégzodés 11 H2O2 ? 2 .OH láncindítás
?
2. és 3. robbanási határok között 5 .H O2
M ? .HO2 M láncvégzodés ? 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
láncvégzodés 6 .H ? fal láncvégzodés 7 O ?
fal láncvégzodés 8 .OH ? fal
láncvégzodés 9 .HO2 H2 ? .H H2O2
láncindítás 10 2 .HO2 ? H2O2 O2
láncvégzodés 11 H2O2 ? 2 .OH láncindítás
3. robbanási határ felett 9., 10., 11.
reakciók fontossá válnak ? robbanás
23Hidrogén-levego láng
1 bar nyomáson kb. 900K fölött .H O2 ?
.OH O ? láncreakció kb. 900K alatt .H
O2 M ? .HO2 M ? NINCS láncreakció
24A metán égése
CH4 2 O2 ? CO2 2 H2O a bruttó reakció, nem
magyaráz semmit
A mechanizmus?
1. CH3 gyök eloállítása
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 eloállítása .CH3-ból
.CH3 O2 ? CH3O. ?O CH3O. M ? CH2O
.H M .CH3 ?O ? CH2O .H
25 3. .CHO eloállítása CH2O-ból
CH2O .H ? .CHO H2 CH2O .OH ?
.CHO H2O
4. CO eloállítása .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 elegendo gyököt a H2/O2 reakciók
adják ?ld korábban?
6. C2H6 keletkezése és elégése?
2 CH3 ? C2H6
26Metán égése
anyagfajták egymásba alakulása metán-levego
lángban
27A Bunsen-égo közelrol
A lángkúp alatt nincs égés a láng nem ér a
fémcsohöz! OKA a gyökök megkötodnek a
fémfelületen.
Bunsen-égo nyitott levegonyílással a hosszú
csoben a levego és a metán teljesen
összekeveredik. A cso tetején elokevert (kék)
láng.
Bunsen-égo zárt levegonyílással a hosszú csoben
csak metán áramlik. A cso tetején nem elokevert
(sárga) láng. Ez olyan, mint a gyertya lángja !
28Fo lángtípusok
elokevert nem elokevert
lamináris láng gáztuzhely lángja Bunsen égo kék lánggal gyertya kandalló Bunsen égo sárga lánggal
turbulens láng benzinmotor porlasztóval repülogép gázturbina rakéta motor ?H2O2 vagy kerozinO2) Diesel motor
29Fo lángtípusok
elokevert nem elokevert
lamináris láng
turbulens láng
30A Hindenburg-katasztrófa 2.
A Hindenburg léghajó elégése 1937. május 3.,
1925 200.000 m3 hidrogén égett el 34
másodperc alatt Az utasok a ballon belsejében
voltak. 97 fo utas és személyzet a fedélzeten
62 fo túlélte a katasztrófát !!!
Ez egy nem elokevert hidrogén-levego láng. Csak
a hidrogéntartály külsején folyt az égés és
foleg a ballon tetején. Az utasoknak volt 20
másodpercük, hogy kiszabaduljanak és elfussanak.
31Ekvivalenciaarány (?) elokevert lángban
tüzeloanyagban szegény láng CH4O2 elegy ? CO2
H2O (O2 marad!) ???
sztöchiometrikus láng CH4 O2 elegy ? CO2 H2O
?? ?
tüzeloanyagban gazdag láng CH4O2 elegy ?
CO2H2O (CH4 marad!) ???
Sztöchiometriai arányok H2 0.5 O2 ? H2O CH4
2 O2 ? CO2 2 H2O
32Lamináris lángsebesség
CH4/levego, sztöchiometrikus elegy, p 1 atm,
T0300 K vL ? 36 cm/sec 1,3 km/óra (araszolás
sebessége) H2/levego, sztöchiometrikus elegy, p
1 atm, T0300 K vL ? 200 cm/sec 7,2 km/óra
(lassú futás sebessége)
33Lamináris lángsebesség legegyszerubb mérése
- Meg kell mérni, hogy
- a Bunsen-égo lángkúpja mekkora
- szöget zár be a függoleges 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
- sebességétol!
34Hol ég a gyertya lángja?
Szénhidrogének esetén a sztöchiometrikus (?1)
elokevert láng ég a leggyorsabban (ennek a
legnagyobb a lamináris lángsebessége) Nem
elokevert lángban a helyi ekvivalenciaarány
helyrol helyre változik. A gyertyalángon belül a
gázelegy tüzeloanyagban gazdag (?gt1). A
gyertyalángon kívül a gázelegy oxigénben
gazdag, tüzeloanyagban szegény (?lt1). A
gyertyaláng frontja ott van, ahol a gázelegy
sztöchiometrikus (?1) Azon belül nem is jut
oxigén.
35A láng színe
A hidrogén?oxigén láng színtelen mert egyik
anyagfajta sem színezi meg.
Az elokevert metán?levego láng halvány kék CH
gyök a forró lángban elektronikusan
gerjesztodik. Amikor alapállapotba visszatér, kék
színu fényt sugároz ki.
A gyertya lángja és a nem elokevert metán?levego
láng sárga Az alkán molekulák a forró
lángfronthoz közeledve elbomlanak, olefinmolekulák
és gyökök keletkeznek, ezekbol 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)
36A láng színezése
Fémsókkal a lángot sokféle színre lehet színezni
nátrium NaCl sárga réz CuSO4 zöld vagy
ibolya stroncium Sr(NO3)2 vörös bárium Ba(NO3)2 z
öld kalcium CaCl2 téglavörös
37A koromképzodés útja
1. lépés kis szénhidrogén molekulák és gyökök
képzodése tüzeloanyagban gazdag szénhidrogén
láng esetén nagy C2H2 molekula és CH gyök
koncentráció
2. lépés korom eloanyagok képzodése CH C2H2
? H2CCCH (propargil gyök) 2 H2CCCH ?
benzol benzol ? ? ? PAH PAH
policiklusos aromás szénhidrogén
38A koromképzodés útja 2.
PAH képzodése gázfázisú reakciókban, sorozatos
gyökös acetilén addícióval a molekulák/gyökök
tömege egyre no, kb. 2000 Daltonnál már szilárd
részecskékké állnak össze
39A koromképzodés útja 3.
3. lépés fiatal korom növekedése szilárd-gázfáz
isú heterogén reakció a szilárd részecskék kémiai
reakciókkal nonek 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
40Kísérletek 3
korom kimutatása hideg felülettel a gyertyaláng
és Bunsen-láng homérséklet-eloszlásának
összehasonlítása rézlemez homérsékleti sugárzása
elokevert Bunsen-lángban Különbözo anyagok
égése puskapor, logyapot alkohol, benzin,
benzol Lángfront terjedése Mitcherlich-kísér
let (fehér foszfor gozeinek égése) Fehér
foszfor szén-diszulfidos oldatból Klórdurranógáz
reakciója hosszú csoben
41Ennek az eloadásnak a Web oldala
http//garfield.chem.elte.hu/Turanyi/gyertya.htm
l Elérheto az Alkimia ma eloadássorozat a
Web oldaláról http//www.chem.elte.hu/pr/alkimi
a_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 tükrözodjék és
kötelességeket hu teljesítésében szépet, jót,
nemeset cselekedjetek az emberiségért." Faraday
eloadásának utolsó szavai
43Köszönöm a figyelmet!