Дьобрейнерова запалка — първата каталитична запалка (1823)

Дьобрейнерова запалка (1823) — първата каталитична запалка: историческо изобретение с платинова катализа, водородно-кислородна реакция и ключово място в техниката.

Лампата на Дьобрейнер е една от първите запалки. Тя е разработена през 1823 г. от германския химик Йохан Волфганг Дьобрейнер. Запалката е произвеждана до около 1880 г. В замъка Хайделберг, както и в Германския музей, все още има оригинални лампи на Дьобрейнер.

Запалката работи на базата на химическа реакция между водород и кислород. В стъкления цилиндър (а на снимката вдясно) се намира сярна киселина. В отворената бутилка (б) има цинк, а в горната част има клапан. С помощта на лоста (е) бутилката ще се отвори. След това сярната киселина ще потече в бутилката. Когато тя достигне цинка, започва реакция. При нея се получава водород.

Z n + H 2 S O 4 ⟶ Z n 2 + + S O 4 2 - + H 2 ↑ {\displaystyle \mathrm {Zn+H_{2}SO_{4}\longrightarrow Zn^{2+}+SO_{4}^{2-}+H_{2}\uparrow } }

Водородът може да излезе от бутилката в горната част. До клапана има платина. Водородният газ трябва да заобиколи платината. Водородът и кислородът от въздуха реагират поради каталитичния ефект на платината. След това газовата смес (наречена кислороден водород) изгаря, тъй като реакцията е екзотермична, и се получава вода.

2 H 2 + O 2 ⟶ 2 H 2 O {\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}+O_{2}\longrightarrow 2\ H_{2}O} }

За да се спре тази реакция, бутилката трябва само да се затвори, т.е. лостът трябва да се освободи. Водородът вече не може да излиза от бутилката и изтласква сярната киселина обратно в стъкления цилиндър.

Къде се вписва лампата на Дьобрейнер в историята

Лампата на Дьобрейнер е значим технически и научен принос от началото на 19. век. Тя представлява първата каталитично действаща запалка, т.е. уред, при който запалването се предизвиква не директно чрез огън или механично триене, а чрез каталитично ускорена реакция на горивни газове (водород) с кислород върху платино-подобна повърхност. Идеята и практическата реализация демонстрират ранно приложение на катализа в малък уред и подпомагат разпространението на познания за ролята на платината като катализатор.

Как точно работи — стъпка по стъпка

• В изходно положение бутилката с цинк е отделена от стъкления съд със сярна киселина.
• При натискане на лоста(е) бутилката се отваря и сярната киселина тече в бутилката, контактът на H2SO4 с цинка започва корозионна реакция и отделя водороден газ (H2), който се натрупва в горната част на бутилката.
• Водородът минава покрай платинената повърхност, която служи като катализатор. На нея водородът и кислородът от въздуха реагират без искра — реакцията е самоускоряваща се поради каталитичното действие на платината.
• Получената смес изгаря и се образува вода; пламъкът служи като запалителен източник за запалване на други материали.
• Затварянето на бутилката прекъсва подаването на H2 и реакцията спира — течността се връща в стъкления цилиндър и системата се нулира.

За ролята на платината и защо няма нужда от искра

Платината ускорява разпадането и активирането на молекулите на водорода и кислорода по повърхността си (каталитична адсорбция). Тази адсорбция намалява енергията, необходима за протичане на реакцията между H2 и O2, така че възпламеняване настъпва без видима искра. Това е ключовият принцип зад понятието "каталитична запалка".

Материали и конструкция

Типичната конструкция включва стъклен цилиндър за киселината, метална бутилка или патрон с цинк, уплътнения и механичен лост за управление, както и малък платинен елемент или платинена спирала, поставена близо до изхода на газовете. Наличието на устойчиви уплътнения и подходящо разположение на клапаните е било важно за безопасността и надеждността на лампата.

Безопасност и недостатъци

• Работният принцип използва силно корозивна сярна киселина и лесногорим газ (водород), което изисква внимателно боравене и добро уплътнение.
• Поради реактивните материали и риск от изтичане, уредът е по-малко удобен и по-опасен в сравнение с по-късните механични и химични запалки.
• Производствените разходи за използваната платина и за безопасно изпълнение също ограничават масовото му разпространение.

Разпространение и упадък

Лампата на Дьобрейнер е произвеждана и продавана през 19. век, но в крайна сметка бива заменена от по-прости и по-евтини решения — например твърдите запалки с машини за триене (фрикционни) и след това турбо и газови запалки. Въпреки това, нейното историческо и научно значение остава — тя е ранна демонстрация на приложението на катализата и повлиява по-нататъшни изследвания в химията на каталитичните процеси.

Наследство и къде може да се види днес

Оригинални екземпляри от лампата на Дьобрейнер могат да се видят в музейни експозиции, например в замъка Хайделберг и в Германския музей, споменати по-горе. Те са ценен експонат както за историята на ежедневните предмети (запалки), така и за историята на химията и промишлените приложения на платината.

Кратко обобщение: Лампата на Дьобрейнер от 1823 г. е първата каталитична запалка — устройство, което използва химическа реакция между цинк и сярна киселина за производство на водород и платинен катализатор, за да предизвика възпламеняване на газовата смес. Тя е важен исторически пример за ранно практическо приложение на катализа.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява лампата на Дьоберейнер?

В: Как работи?

Въпрос: Кой е изобретил лампата на Дьобрейнер?

В: Къде можете да намерите оригинални версии на тази запалка?

В: Какви елементи се използват за тази химическа реакция?

В: Какво се случва, когато освободите лоста?

Търсене по буква