Каталитическое горение пропан-бутановой смеси над платиной (проволока)
Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (wire)

Платиновые металлы - хорошие катализаторы для многих окислительно-восстановительных процессов. Например, для реакций окисления водорода, аммиака и органических веществ кислородом воздуха. Для этой цели чаще всего используют платину и палладий. Компактные металлы также имеют хорошую активность, но еще более высокую активность проявляет платиновая и палладиевая чернь - мелкодисперсные порошки металлов. Поскольку платиновые металлы и их соединения имеют высокую стоимость и не всегда доступны (независимо от факта наличия денег на их покупку), в лабораторной практике и в промышленности часто используют пропитку пористых носителей солями платины и палладия с последующим их восстановлением до металла. Таким простым способом удается не только сэкономить платину и палладий, но и увеличить поверхность катализатора.

Мои эксперименты начались с того, что я пытался припаять платиновую проволочку к стеклянной палочке. Особенность платины в том, что она имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому для стекла. Поэтому платиновую проволоку можно припаять к стеклу, а после охлаждения место спая не треснет. С другими металлами такое не получается: у них другой коэффициент термического расширения. В результате после охлаждения возникает напряжение, и стекло трескается, т.к. стекло и металл сокращают свои размеры при охлаждении в разной степени. Исключение составляют специальный сплав платинит (железо и никель или железо, кобальт и никель), который также имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому у стекла, в частности, этот сплав используется в лампочках накаливания для впайки проволоки в стекло.

Процедура пайки предельно проста: нагреть конец стеклянной палочки до размягчения, раскалить платиновую проволочку и соединить их. Мешало разве что то, что проволочка была тонкой, а, следовательно, мягкой (платина - вообще мягкий металл).

Для работы использовал польскую горелку, которая работала на пропан-бутановой смеси и давала горячее, синее пламя (углеводороды перед подачей в пламя в этой горелке хорошо смешивались с воздухом).

Заметил, что платиновая проволочка быстро и сильно раскалялась в пламени газовой горелки. - Это было очень непривычно, если сравнивать с медью и железом. Явно дело в том, что поверхность платины выступает катализатором окисления пропана и бутана, поэтому на проволочке выделяется тепло.

Но и это еще не все: на поверхности платины возможно беспламенное горение водорода, аммиака, углеводородов, спиртов и других органических веществ. Явление исключительно красивое: поверхность катализатора сильно раскаляется, а объемного пламени нет (или почти нет). Раньше пришлось делать преимущественно опыты по каталитическому горению на поверхности оксида хрома (III) и металлической меди [1] - эксперименты красивые, но оксид трехвалентного хрома и медь - далеко не самые активные и удобные катализаторы. Их преимущество разве что в доступности.

Разумеется, когда под рукой была платиновая проволочка, я не смог устоять. Собственно, и делать специально ничего не нужно было: платиновая проволока уже внесена в пламя пропан-бутановой смеси. Я просто перекрыл на короткое время подачу газа, а потом снова открыл кран подачи: нужно сделать так пламя погасло, но проволока не успела остыть и осталась раскаленной. В результате, когда подача газа была восстановлена, проволока оставалась раскаленной - по тех пор, пока на нее попадает струя смеси углеводородов и воздуха. Наблюдалось беспламенное (поверхностное горение) углеводородов на платиновом катализаторе. Если ослабить подачу газа, накал проволоки (и размер раскаленной зоны) уменьшался, а если поток газа усиливать, накал сначала усиливался, потом уменьшался (за счет увеличения уноса тепла потоком).

Все хорошо, плохо только то, что проволочка для таких опытов не рассчитана: она имеет слишком маленькую поверхность и массу. Маленькая поверхность - маленький размер зоны горения (большая часть газа просто уходила в воздух помещения без изменений, не встретив на своем пути платиновый катализатор). Маленькая масса - маленькая тепловая инерция: когда мы гасим пламя, проволочка быстро остывает, иногда она успевала остыть ДО того момента, когда подача газа на поверхность платины восстанавливалась. Разумеется, в этом случае никакого каталитического горения не наблюдалась: пламя приходилось зажигать заново.

Кроме проволоки в наличие был кусок платиновой сетки - решил попробовать его: он имел, и бОльшую поверхность, и бОльшую массу. Эксперименты с платиновой сеткой будут описаны во второй и третьей частях статьи.

Пока что должен предупредить об одной неприятной особенности платиновых и палладиевых катализаторов: он боятся каталитических ядов. Каталитические яды - вещества, которые снижают активность катализаторов - вплоть до нуля. Для соединений платины и палладия роль каталитических ядов играют соединения серы, например, меркаптаны, которые добавляют в бытовой газ и сжиженный газ для горелок. Равно, как и соединения серы, которые содержатся в жидких нефтепродуктах (бензин, керосин и т.д.). Они "гробят" платиновый катализатор, причем необратимо. Имейте это в виду, и не говорите, что вас не предупреждали. Сжиженный газ "для зажигалок" и бензин "для зажигалок", а также авиационный керосин свободны от соединений серы, во всяком случае, от их высокого количества (разумеется, в наше время ручаться ни за что нельзя).

Поскольку наша жизнедеятельность основана на процессах, которые ускоряются (регулируются) биологическими катализаторами - ферментами, - часто каталитические яды являются и ядами в классическом понимании этого слова (т.е., они опасны для человека). Например, сероводород и меркаптаны не только деактивируют платиновый катализатор, но и ядовиты для человека, а также для многих других организмов. Но это правило не абсолютно: некоторые каталитические яды для нас безопасны. Например, роль сильного каталитического яда для некоторых катализаторов играет обыкновенная вода, причем в мизерных количествах.

__________________________________________________
¹ См. подборку экспериментов: Каталитическое горение / Catalytic burner (Catalytic combustion) [ссылка]

Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (wire) Download the Video / Скачать Видео (85 Мб, .avi )

Каталитическое горение пропан-бутановой смеси над платиной (сетка)
Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (grid)

В следующем опыте использовал вместо проволоки платиновую сетку. Принцип тот же самый: закреплял сетку перед горелкой, направлял пламя на сетку, чтобы она раскалилась (хватало нескольких секунд), после этого - перекрывал подачу пропан-бутановой смеси: пламя гасло. Затем сразу же открывал кран, и поток газа направлялся на раскаленную платиновую сетку. Сетка раскалялась до красного (красно-желтого) свечения и оставалась в таком состоянии до тех пор, пока на нее подавался газ. На видео свечение выглядит более желтым и более ярким, чем при наблюдении невооруженным глазом (последнее, по-видимому, объясняется тем, что фотоаппарат также фиксирует инфракрасные лучи, невидимые невооруженному глазу).

Если сопло горелки сместить, смещалась и раскаленная зона. Края зоны смешались (пульсировали) даже если горелку не трогать - из-за турбулентности потока газо-воздушной смеси. Кстати, пламя иногда появлялось - в газовом потоке, который обтекал край сетки. Но это пламя было слабым и нестабильным: его было легко устранить, регулируя скорость подачи газа и положение сетки (или сопла горелки).

С платиновой сеткой опыт получался гораздо лучше и эффектнее, чем с проволокой. Масса сетки было гораздо больше, чем масса проволоки, в результате сетка не успевала остывать за время, когда подачу газа нужно было прекратить, чтобы пламя горелки погасло. Если потом открыть кран подачи газа достаточно быстро, сетка почти всегда вспыхивала беспламенным горением, а в случае с проволокой это получалось не всегда: металл нередко успевал остыть и беспламенное горение не начиналось.

К раскаленной сетке можно было приблизить руку и даже поместить руку между горелкой и сеткой (на короткое время) - чтобы показать, что вокруг сетки нет никакого невидимого пламени, и горение смеси происходит исключительно на поверхности платины.

Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (grid) Download the Video / Скачать Видео (136 Мб, .avi )

<Каталитическое горение / Catalytic burner (Catalytic combustion)> <Медь, Серебро, Золото, Платиновые металлы>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном 2] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Опыты с платиновым катализатором/платиной (Обсудить на форуме)> <Самодельная каталитическая горелка (Обсудить на форуме)> <Серебро, золото, платиновые металлы (химия, выделение) (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]