teória
Čo sa stane s čistým vodíkom?
Horenie samotného vodíka: Ak sa zapáli balón naplnený čistým vodíkom (), vodík reaguje so vzdušným kyslíkom len na povrchu praskajúceho balóna, tam, kde sa mieša so vzduchom. Vznikne rýchlo sa dvíhajúca ohnivá guľa, vodná para a jemný akustický efekt (puknutie).
Samotný plameň čistého vodíka je takmer bezfarebný až bledomodrý a za denného svetla je ťažko viditeľný. Oranžovo-žltú farbu ohnivej gule spôsobujú najmä horiace zvyšky gumy balóna a stopy nečistôt – napríklad sodíka, ktorý farbí plameň na žlto (pozrite Plameňové skúšky).
Nepodporovanie horenia bez paliva: Samotný kyslík () nie je palivom – podporuje horenie, ale sám o sebe nehorí ani nevybuchuje. Viac o jeho vlastnostiach nájdete v lekciách Kyslík a Spaľovanie v kyslíku.
teória
Prečo zmes vybuchne?
Trieskavý plyn je zmes vodíka a kyslíka v stechiometrickom pomere 2 : 1. Keď sa vodík zmieša priamo s kyslíkom v tomto pomere, v každom mieste balóna je palivo aj oxidovadlo presne v správnom množstve. Po zapálení preto reakcia prebieha extrémne rýchlo v celom objeme balóna naraz:
Reakcia je silno exotermická. Horúca vodná para sa v okamihu prudko rozpína, vytvorí tlakovú vlnu a tú počujeme ako veľmi hlasnú ranu (detonáciu/výbuch). Viditeľný plameň je pritom minimálny, pretože k syntéze vody dôjde okamžite.
| Balón s čistým vodíkom | Balón s trieskavým plynom | |
|---|---|---|
| kde je kyslík | len vo vzduchu okolo balóna | premiešaný v celom balóne |
| priebeh reakcie | postupne, na hranici so vzduchom | naraz v celom objeme |
| čo vidíme a počujeme | ohnivá guľa, puknutie | slabý záblesk, ohlušujúca rana |
Pomer 2 : 1 vyplýva priamo z rovnice: dve molekuly vodíka reagujú s jednou molekulou kyslíka a rovnaké objemy plynov obsahujú za rovnakých podmienok rovnaký počet molekúl. Pri redoxnej reakcii sa vodík oxiduje z oxidačného čísla 0 na +I a kyslík redukuje z 0 na −II.
Ten istý rozdiel medzi horením na povrchu a výbuchom premiešanej zmesi platí aj pre iné horľavé plyny – napríklad pri pokuse Spaľovanie metánu.
chémia v praxi
Vodík v praxi
Vodík je najľahší plyn a pri jeho horení vzniká len voda, preto sa považuje za čisté palivo budúcnosti. V palivových článkoch sa energia reakcie vodíka s kyslíkom mení priamo na elektrickú energiu – takto jazdia vodíkové autá a autobusy. Kvapalný vodík a kvapalný kyslík sú tiež palivom raketových motorov.
Horľavosť vodíka má aj temnú stránku: vzducholoď Hindenburg, naplnená vodíkom, zhorela v roku 1937 pri pristávaní. Odvtedy sa balóny a vzducholode plnia nehorľavým héliom. Viac o vodíku a o tom, ako sa vyrába, nájdete v lekcii Vodík a v pokuse Tancujúce plamene.
čo budete potrebovať
Pomôcky
- plynný vodík H2 (tlaková fľaša s redukčným ventilom)
- plynný kyslík O2 (tlaková fľaša s redukčným ventilom)
- gumové balóny
- dlhá tyč so zapálenou sviečkou alebo kahanom na konci (dlhý zapaľovač)
- šnúrky alebo stojan na upevnenie balónov
- ochranné slúchadlá alebo štuple do uší
- ochranné okuliare
krok za krokom
Postup
- Naplňte prvý balón čistým vodíkom.
- Naplňte druhý balón zmesou vodíka a kyslíka v objemovom pomere 2 : 1 (zmes trieskavého plynu).
- Balóny upevnite v bezpečnej vzdialenosti vo voľnom priestore (exteriér).
- Nasaďte si ochranné pomôcky (najmä slúchadlá proti hluku a okuliare).
- Pomocou dlhej tyče so sviečkou zapáľte zo vzdialenosti najprv balón s čistým vodíkom – pozorujte vznik plameňa.
- Rovnakým spôsobom zo vzdialenosti zapáľte balón so zmesou vodíka a kyslíka – pozorujte silný a hlasný výbuch (akustickú tlakovú vlnu).
pozor
Bezpečnosť
- Ochrana sluchu a zraku: Zmes vodíka s kyslíkom vytvára extrémne silný tlakový hluk (nad 120 dB). Je bezpodmienečne nutné použiť ochranné slúchadlá alebo štuple do uší a ochranné okuliare – a to aj pre divákov.
- Bezpečná vzdialenosť: Reakciu vykonávajte výhradne vo voľnom priestranstve (vonku) alebo vo veľkej prednáškovej sále, prísne z bezpečnej vzdialenosti od divákov a s použitím dostatočne dlhej zapaľovacej tyče.
- Požiarne riziko: Dbajte na to, aby sa v blízkosti nenachádzali žiadne ľahko horľavé materiály.
- Skladovanie plynov: Vodík a kyslík sa nesmú skladovať v zmesi vo väčších voľných nádobách. Zmes sa musí pripravovať až tesne pred samotným odpalom a v malých množstvách.
- Balón s trieskavým plynom nikdy nedržte v ruke a nenoste ho v blízkosti plameňa, iskier ani horúcich predmetov. Používajte len malé balóny.
- Vodík je extrémne horľavý plyn a so vzduchom tvorí výbušné zmesi v širokom rozsahu koncentrácií. S tlakovými fľašami narábajte podľa predpisov, zabezpečte ich proti pádu a po plnení uzavrite ventily.
- Pokus robí len skúsený učiteľ.
tipy a zaujímavosti
Doplňujúce info
- Rovnaký rozdiel medzi pomalým a prudkým priebehom horenia môžete ukázať aj v menšom meradle: skúmavku naplnenú vodíkom priložte ústím k plameňu – ak je vodík zmiešaný so vzduchom, ozve sa charakteristické šteknutie. Takto sa v laboratóriu dokazuje vodík a overuje sa, či nie je zmiešaný so vzduchom.
- Ohnivá guľa z balóna s čistým vodíkom stúpa nahor, pretože vodík aj horúce plyny sú ľahšie ako okolitý vzduch.