HIDROGÉN ELNYELŐDÉSÉNEK ÉS DIFFÚZIÓJÁNAK VIZSGÁLATA FÉMEKBEN

Átírás

1 HIDROGÉN ELNYELŐDÉSÉNEK ÉS DIFFÚZIÓJÁNAK VIZSGÁLATA FÉMEKBEN 1. BEVEZETÉS A hirogén féeben való elnyelőése régóa iser jelenség. Az elei fée özül elsősorban a palláiu az, aelyben a hirogén olóása önnyen vizsgálhaó. A hirogénne a fében való olhaóságá azonban élesen eg ell ülönbözenün a fé felüleén végbeenő isszoiáióra való hajlaáól. A hirogénnel való ölsönhaás eineében jól iser plaina ez uóbbi folyaaban vesz rész, a hirogén ellenben igen rosszul olja. A féee szobahőérséleen ve hirogén olhaóság szerin sorba renezve a öveező sorrene apju: P < Cu < Fe < Ni < P < V < Ta < Ti. Ez a sorren azonban nins szoros apsolaban a hirogénárolásra való gyaorlai alalassággal, ivel a hirogén legjobban oló fée olyan gyorsan reagálna oigénnel, hogy az ebből faaó ehniai probléá a ne ezelheő. A feni sorren ugyansa ne feleleheő eg a hirogénne a fében való iffúziójá jellező iffúziós állanó sorrenjéne se. Elerje beuaó ísérle a özépisolai oaásban, hogy a levegőbe ivezee isza hirogéngáz eggyújhaó egy plaina szálasával. A plaina felüleéne a hirogén reverzibilis egöésére vonaozó hajlaa a agyarázaa anna is, hogy alalas reverzibilis hirogéneleró észíésére (lás a orábban anulaa a ph éréséről és az eleroéiai poeniálsáláról). A hirogénne a fée felüleén végbeenő isszoiáiójával, illeve olhaóságával apsolaos az is, hogy so fé alalazhaó ülönböző folyaaoban hirogénező aalizáorén (pl. vas az aóniaszinézis során sb.).. A FÉMEKBEN OLDOTT HIDROGÉNRŐL A féeben olo hirogén árgyalásaor fonos hangsúlyozni, hogy fennállna bizonyos alapveő ülönbsége a gáz és folyaé halazállapoú renszereel összehasonlíva. Míg a flui fázisoban a hirogén oleulárisan olói, a féeben az olóás elő a oleulá isszoiálna. Az így eleeze hirogénao eleronja ölsönhaásba lép a fé eloalizál eleronrenszerével, ai a isszoiáió és az olóás száoevő hajóereje. Míg a flui fázisoban olo hirogénoleula ne szenve száoevő eforáió, illeve a özeg ieális eseben ehaniai feszülségől enessé váli örülöe, a féeben olo hirogénaoo igen nagy rásfeszülsége oozna, és ez a feszülség száos, a flui fáziso eseében ne észlelheő jelenséghez veze

2 Az olo hirogén hasonlóan bárely egyéb leheséges övözőelehez az esee úlnyoó részében növeli a fé eleroos ellenállásá. A rásözi hirogénaoo a vezeési elerono szórásával hozzájárulna az eleroos ára áhalaásána aaályozásához. Kis olo hirogén onenráió eseén azaz: abban a onenráióaroányban, ahol a hirogénaoo in egyásól ellően ávoli, ne ölsönhaó szennyező aoo jelenezne az eleroos ellenállás onenráiófüggése lineáris. Bizonyos onenráió fele az olo hirogénaoo azonban ne viselene egyásól függelen eniásoén. Ha néhány hirogénao egyáshoz özel épül be a rásba, aor eforálja aga örül a risályráso, és az így lérejö lazább rásörnyezebe egy ovábbi hirogénao belépeése ár evesebb energiá igényel, in a rás egy eforálalan helyére. Ebből az öveezi, hogy a hirogén bizonyos onenráió fele hajlaos soporosulni a rásban, és obiliása, valain ráseforáló haása ia egyensúlyi állapoban is iroszopiusan egyenelenül oszli el a risályrásban. Képzeljün os el egy hirogén jól oló féleez, elye hirogéngázzal egyensúlyba hozun, azaz a risályrásba olo hirogén juaun. Az egyensúly beállásá öveően a féleez hajlísu eg. Eor a féleez ehaniai feszülség haása alá erül, és az álagos rásparaéere a leez hoorú és oború olalán egválozna. A lesöen rásparaéereel jelleezheő hoorú olalról enne haására eginul az olo hirogén áralása a oború olal felé, ahol a risályrás egnyúl az ereei állapohoz épes. A jelensége felfeezőjéről Gorsy-effeusna hívjá. Tulajonéppen nins ásról szó, in a legisebb ényszer elvéne érvényesüléséről egy ehaniai feszülsége is uaó éiai renszerben. A jelenség foríoja is léezi: ha valailyen óon egyenelen hirogéneloszlás hozun lére egy hirogénnel ölö fében, a féleez sponán eghajli úgy, hogy a hirogénben gazagabb aroány felülee ioboroi. A öveező pélában einsün egy féleez, elye bizonyos ennyiségű hirogénnel felölün, és a renszer egyensúlyba ju. Juassun be os ovábbi hirogén, e sa a leez egyi felén ereszül. A onenráió egfelelő egválaszásával előállha az a helyze, hogy a öbbleén uólag bevi hirogén olyan rásilaáióhoz veze, ai a fé belsejében levő hirogén száára energeiailag evezőbb pozíióa ereényez a öbble hirogénnel ölö olalon. Enne ereényeén a fé belsejében levő hirogén abba az irányba ez el iffunálni, ahol ár eleve nagyobb a hirogén onenráiója. Ez a jelensége nevezi uphill iffúzióna. Az uphill iffúzió szigorúan risályráshoz öö jelenség. Uphill iffúzió eseén a onenráióal felír iffúziós egyenlee ne alalazhaóa, e erészeesen a hirogén éiai poeniáljána a renszer ao ponjána eha- - -

3 niai állapoá is figyelebe vevő leírása száo u ani a jelenségről. Az uphill iffúzió és a jól iser Fi-féle iffúzió egyással versengő ellenées irányú folyaao. Míg az uphill iffúzió ranziens jelenség, saionárius állapoban a Fi-egyenlee írjá le a renszer viseleésé. A hirogén féeben való olóásá egelőzően a fé felüleén isszoiál, aj az aoos hirogén olói. A bruó reaióegyenle: H (g) = H (abs). (1) A folyaa egyensúlyi állanója: H K =, () ph ebből öveezően az olhaóság nyoásfüggése: H = K p H. (3) A feni egyenle Siever-örvényén iser, a K 1/ együhaó peig Siever-onsansna is hívjá. A (3) egyenle az olhaóság nyoásfüggésé írja le állanó hőérséleen a is onenráió aroányában. Nagy hirogén onenráió eseében azonban eől elérés apaszalhaó, ivel a beölheő pozíió száa a fében véges. Az olhaóság hőérsélefüggése lényegesen ülönbözi a oleuláris gázo folyaéoban örénő olóásá leíró Henry-örvényől (lás: eroinaiai alapurzus). Míg a oleuláris gázo olhaósága folyaéoban a hőérséle növeeével inig söen, a hirogén olhaósága a fée egy részében (P, Cu, Fe, Ni) a hőérséle eeléséne haására nő, ás féeben (P, V, Ta, Ti) peig söen (állanó hirogénnyoás elle). 3. A HIDROGÉN ÉS A VAS KÖLCSÖNHATÁSA Szobahőérséleen a hirogén α-vasban való olhaósága igen isi, érée a érés bizonyalanságai ia b. fél nagyságren hibával erhelve,1-,1 pp (légöri nyoású hirogén feléelezve). 1 K örnyéén az olhaóság azonban ár inegy 3 H / 1 g vas ( H 1-4 ). Az α-vas érenrál öbös risályszerezeéből öveezően éféle inersíiós hely áll a hirogén renelezésére: eraéeres és oaéeres. Alasony hőérséleen a eraéeres helye energeiailag evezőbbe, e a hőérséle eelésével az enrópiaényező szerepe növeszi, és egyre öbb oaéeres hely is beölői. A éféle hely relaív elíesége a hőérséleel és a onenráióval egyarán válozi. Míg szobahőérséleen - 3 -

4 az oaéeres pozíió elfoglaló hirogénaoo aránya sa inegy %, ugyanez az arány 14 K örül ár 5%-ra növeszi. Az alasony hőérsélere vonaozó aaoból a eraéeres helyeről valaely szoszéos oaéeres helyre örénő áugrásra vonaozó reaióhő.6 Jol -1 -na, az álépés ísérő enrópiaválozás 6, Jol -1 K -1 -ne aóo. A hirogén iffúziós állanójána érése vasban ülönösen nehéz. Renívül gonosan előészíe vasináon 8,7-9,3 1-9 s -1 iffúziós együhaó lehe érni 5 Con. (Összehasonlíásul: ez öbb, in egy nagyságrenel nagyobb, in a féiono jellező iffúziós együhaója ugyanilyen hőérséleű híg vizes olaban.) A érése nehézségé so ényező oozza. Egyrész, a risályszerezere agára jellező iffúziós együhaó sa aor lehe egérni, ha a ina igen isza, viszonylag nagy risályoból épül fel, jól ilágyío és sapahelyeől enes. Másrész, a iná felüleéne inősége is ulsfonosságú. A vas oigénnel érinezve azonnal oiálói, és a hirogénne az oios felüleen örénő álépése nagyérében gáol. (A nehézsége érzéeleése vége egy péla ás erüleről: a iróniu-ioiban a hirogén 34 nagyságrenel iffunál lassabban, in a fé iróniuban.) A hirogén vasban végbeenő iffúziójána aiválási energiája viszonylag alasony, 5,4 Jol -1. Ez valószínűleg azzal függ össze, hogy é szoszéos eraéeres hely özöi áugrás során a hirogénao alig erül özelebb a vasaoohoz, in egyensúlyi helyzeben. 4. A SZERKEZETI ANYAGOK ÉS A HIDROGÉN A hirogén féeel való ölsönhaása egészen ás olaláról uaozi eg aor, ha a szerezei anyago apsán vizsgálju. Köziser, hogy az elnyel hirogén a vasna és övözeeine elriegeéséhez veze, ai a szerezei anyago orai fáraásá, örésé oozhaja. Ez a jelenség agyarázza pélául az, hogy vasövözeből észül szerezei anyagoa aóos véeleel sa orláozoan lehe egóvni (lás orábban a aóos véeleről anulaa), er a úlzo aóos polarizáió foozo hirogénelnyeléshez veze. Eia ár a vasgyárás során ügyelni ell arra, hogy a gyárósorról leerülő félészeré (öb, leez sb.) hirogénarala inél isebb legyen. A vas-hirogén ölsönhaásna egy egészen ás szeponú egözelíésé eszi szüségessé a zoánipar szüségleei. A zoánozo árgyaa ajne izárólag vízárolásra és vízforralásra használjá (zoánozo eénye, eleroos vízelegíő). Aennyiben a zoánréeg bárilyen seély érében egsérül, az a szerezei elee - 4 -

5 nagyéréű orróziójához, foozo hirogénfejlőéshez, a zoán eljes lepaogzásához, valain ezeen ereszül a eré bizos önreeneeléhez veze. A fében olo hirogén a zoánréeg igazi ellensége. Aennyiben ugyanis a fé az olo hirogénre nézve úlelíeé váli, a hirogén buboréo forájában felszabaul, és az anyag öörsége ia a légöri nyoás soszorosával feszíi le a zoánréege (pielyeseés). A zoánozási eljáráso bizonyos alapréegene a unaarabra örénő felvielével ezőne. Ezuán égei rá b. 8 ºC hőérséleen a zoánzagyo a unaarabra. A zoánzagy vizes alapú szuszpenzió, aelyből ieális eseben a víz az égeőeene légörébe ávozi. Ez azonban oránse eljes érében így egy végbe, ivel az alalazo hőérséleen a víz a féel reaióba lép, elyne során hirogén fejlői. Az így eleező hirogén egy része a fében nyelői el (ai érheő, hiszen a fé felüleén eleezi), és a fében ara az öveően is, hogy a egsziláruló üvegszerű állapoú zoán ne engei ovább ávozni a gázoa a féből a légör irányába. Az így onzervál hirogén oozza soszor a ég használaba se ve zoánozo árgya zoánárosoásá norál raározási örülénye özö. A zoánozo árgyaban száoevő ennyiségű hirogén halozóha fel a zoánozás során, égse inig öréni zoánárosoás. Enne oa az, hogy az elnyelőö hirogén ne gázén (azaz ne H oleulá forájában) halozói fel, hane a fében alálhaó ún. sapahelyeen aoosan egöői. Ha ez a egöőés irreverzibilis ponosabban: ha legalább a ésőbbi alalazás hőérséleén az, ha ne is a zoánozás örülényei özö, aor az elnyel hirogén arósan iobilizálhaó. Ehhez az szüséges, hogy a zoánozanó anyag ellő onenráióban aralazzon sapahelyee. Ez az anyag övözésével és a egunálás egfelelő ehnológiájával (övözés, hengerlési hőérséle, hűési sebesség) együ érheő el. Csapahely szerepé ölhei be a szesehaáro (ülönösen arbios szesé eseén), iroürege, nefées iváláso, iszloáió, a risályrás vaaniái és hirogén egöésére épes övözőelee aojai is. A ehnológiai uasíáso ponos bearása ellenére előforulha, hogy a gyáro anyag ne zoánozhaó egfelelően. A zoánozhaóság előzees ellenőrzésére a zoániparban elerjeen alalazzá a hirogén leezanyagoon ér áörési iejé. Ebben az eljárásban a féleez egyi felé egy eleroéiai ellában aóén üzeelei, és egfelelően aaléol vizes olaból hirogén fejleszene raja. A leez ási olalán egjelenő hirogén felfogjá, és egy apillárisba zár higanysepp elozulása alapján éri a - 5 -

6 gázérfoga iőfüggésé. Ha a vasagság isereében norál egjelenési iő egy apaszalai érénél nagyobb, a erée zoánozhaóna inősíi. Jelen érés során egy hasonló eljárás uaun be, elyben in a hirogénnel való ölés, in a leez ási olalán a eeálás eleroéiai ószerrel öréni. A onré érési leírás egelőzően azonban beuaju a iffúziós egyenlee egolásá érésnél fenálló perefeléeleel. 5. A DIFFÚZIÓS EGYENLET MEGOLDÁSA A MÉRÉS FELTÉTELEIVEL Teinsü a öveező esee: Vegyün egy leez, elyne vasagságához épes a ási é lineáris éree elég nagy ahhoz, hogy jó özelíéssel végelen nagyna einhessü. Vezessü be a hirogén a leez egyi olalán úgy, hogy a leezne a felülehez igen özeli réegében a hirogén onenráiója állanó legyen. A hirogén iffunáljon szabaon a leezen ereszül, e a leez ási olalán gonosojun arról, hogy a hirogén onenráiója végig zérus arajon. A leezne ehá iné lapja áereszi a hirogén (ranszisszív haárfeléel), e a haárfeléele elérőe. Maeaiai forába önve: C(,) = ha < < (4) C(,) = ha > (5) C(,) = ha > (6) ahol a leez vasagsága, C a onenráió és az iő. Az helyoorináa a belépő olalon nulla, és a leez felüleére erőlegesen a ilépő olal felé növeszi. E ponon be ell vezenün a onenráió függvény arra az esere, ha a saionárius állapo ár beáll. Mivel a aroányban se forrás, se nyelő nins, az anyagranszpor sebessége peig inenü azonos (ásépp ao helyen ne lehene a onenráió az iőől függelen), ellően hosszú iő elelével a aroányban a onenráió a helyoorináa lineáris függvénye lesz: = li C(, ) C = 1 (7) Legyen a inenori onenráió a saionárius onenráió és az eől való elérés összege: ( ) C(, ) = C +, ahol (,) jelöli a saionárius éréől való elérés. A (8) egyenleben egao összegalaal felírva a Fi II. egyenlee sa az elérés-függvény eriváljai arana eg: (8) - 6 -

7 = D (9) ivel C ne függvénye az iőne és ezér az iő szerini eriválja nulla, ásrész a lineáris helyfüggés ia a hely szerini ásoi eriválja is nulla. Az egyenle egolásá a öveező alaban eressü: ( ), = (1) ahol az ine az jelzi, hogy ely válozó függvényéne eine a onenráió. Eor (, ) (, ) / = = / ( ) = // // ( ) = és (11). (1) = D (13) A vesszős jelölés szoás szerin a függvény sajá válozója szerini eriválás jeleni. A é válozó széválaszhaó, és az egyenle é olala sa aor lehe egyenlő, ha iné olal érée azonos, válozóól függelen onsans: 1 D / = // = λ (14) A jobb olalon persze ± λ is szerepelhene, aor azonban a poziív előjelnél ve egolás egyre gyorsabb felfuás, eponeniális onenráió-növeeés haározna eg, ai nins összhangban a valósággal. Mivel a (14) egyenle egy-egy olalán sa az iőől és sa a helyől függő ago szerepelne, a pariális iffereniálegyenle így é egyválozós iffereniálegyenleé esi szé. Ké úon halava ovább: a, 1 D / = λ (15) = Dλ (16) ln K + ln = Dλ (17) = K 1 ep( Dλ ) (18) Mivel azonban a onsans szorzóényező a helyől függő egolás során vesze figyelebe, i ez ülön ne szüséges egenni, így az egyenle egyszerűsöi: = ep( Dλ ) (19) - 7 -

8 b, A (14) egyenle ási része: // λ = () + A () egyenle egolásaén szinusz- és oszinusz-függvény aóha: ( λ) B os( λ) = Asin + (1) A (1) egyenleben egjelenő A és B inegráiós onsanso ia lehe a (19) egyenlee az inegráiós állanó elhagyásával ezelni. A helyől és iőől függő egoláso szorzaa ehá: ( Asin( λ) + B os( λ) ) ep( λ D) = () Minhogy λ válaszása a (14) egyenleben önényes, és a (9) iinulási iffereniálegyenle lineáris, így a () egyenleben szereplő egyelen egolás helye λ inen válaszhaó λ érééhez arozó egolás összegeznün ell: = = 1 ( A sin( λ ) + B os( λ ) ) ep( λ D) λ leheséges éréei a ezei és haárfeléeleből uju egani. Az inee élszerű úgy felvenni, hogy érée nulláól vagy egyől az egész száoon ereszül nő (aár végelenig), és a λ érée egy soroza agjai, így λ soszor egész száoal önnyeén ifejezheő. E ponon ezün foglalozni a ezei és haárfeléeleel. Mivel a saionárius onenráióól való elérés az = helyen inig nulla: B = (4) A saionárius onenráióól való elérés a aroány ási haárán is nulla, ez eghaározza a válaszhaó λ éréee: λ = (5) ahol poziív egész. Ezálal eljesül ugyanis, hogy a szinuszfüggvénye érée a aroány felső haárán is inig nulla. Így a erese függvény alaja: (, ) = A D sin ep (6) = 1 Mos vegyü a függvény éréé az iőérés ezeeor (=): eor az eponeniális ag egységnyi, a saionárius állapora jellező függvényől való elérés peig éppen a saionárius éré (-1)-szerese: (3) - 8 -

9 - 9 - = = 1 sin 1 A (7) Szorozzu a (7) egyenle iné olalá egy, a hosszúságú szaaszon eszőleges egész száú félperióus aralazó szinuszfüggvénnyel, és inegráljun a aroány haárai özö. Először a bal olalra végezve el a űvelee: ( ) = = = L sin 1 sin, = sin sin 1 (8) A szöglees zárójelen belüli első inegrál pariálisan inegrálhaó (h = ; g / = sin(/)): = = L os os os ( ) [ ] ( ) [ ] 1 os sin os + + = (8) Láhaó, hogy a é oszinuszos ag összege nulla, a szinuszos ifejezés érée szinén zérus, így sa a onsans ara eg: L = (9) A (7) egyenle jobb olalára is alalaznun ell a egfelelő szinuszfüggvénnyel való szorzás és az inegrálás. I felhasználju az az összefüggés, hogy az inegranuszban alálhaó függvénye inegyiéne egész száú félperióusára elvégezve az inegrálás = félper.) (egész ) )sin( sin( l, ha és l ülönbözőe, e az inegrál nulláól ülönböző, ha = l. Így: = = = A A R 1 sin sin sin (3) Áalaíva az inegranusz: os 1 1 sin A A A R = = = (31) R és L összehasonlíásából apju az A szorzóényezőe:

10 A = (3) Ezzel eg is apju in a saionárius állapoól való elérés az iő és a hely függvényében, in a eljes onenráiófüggvény: = (, ) sin ep D = 1 (33) = C(, ) 1 sin ep = 1 D (34) Néhány egjegyzés az ereényhez apsolóóan: - A (34) egyenleben száos paraéer szerepel, e ne lászi első láásra, hogy ponosan hány függelen válozó haározza eg a függvény viseleésé. Vezessü be ezér a öveező ienzióenes (reuál) válozóa: Reuál onenráió: γ = (,)/ (35) Reuál ávolság: σ = / (36) Reuál iő: τ = D/ (37) Ezeel a reuál válozóal soszor lényegesen önnyebb bánni, in az ereeieel (pélául a logariusá is lehe venni bárelyine), és használau nyilvánvalóvá eszi a valóban függelen paraéere száá. Eelle lényegesen ülönböző eseeben is egyelen egyesíe iagraon lehe a iffúziós ezőben a onenráió iőbeli vagy érbeli válozásá ábrázolni. Az áalaío (34) egyenle ehá: γ = 1 σ sin = 1 ( σ ) ep( τ ) A függvény eneére vonaozóan az 1. ábra nyúj ájéozaás. (38) γ τ =,38 τ =, τ =,997 τ =, ÁBRA: A reuál hirogén onenráió a reuál ávolság függvényében a reuál iő néhány érée elle σ - 1 -

11 - A (34) egyenleből iszáíhaó az = helyen a fluus iőbeli alaulása is: J (, ) = D = + os( ) = D = + 1 =1 D D = 1 ( 1) ep D ep D = Mivel a fluus a saionárius állapo beállása uán D/, bevezehejü a reuál fluus is a vizsgál aroány végponján: (, ) J (, ) J φ = = 1 + (4) li = 1 ( 1) ep( τ ) A reuál fluus reuál iő grafion a. ábra uaja. (39) Φ ÁBRA: A ienzióenes ilépőolali fluus a reuál iő függvényében (sapaenes esere). A reuál iő erészeesen a belépőolali polarizáió egválozásáól ér iőből száíju! τ - A iinulási iffereniálegyenle egolása egyéb ószereel is leheséges (pl. Laplaeranszforáió), illeve ople függvénye segíségével is ifejezheő. Kísérlei úon egyeül a ilépő olali fluus haározhaó eg, ezér az elélei görbe alajána iseree ulsfonosságú a renszer jellezése szeponjából. A ilépő olali fluus iőfüggésé száos paraéer óosíhaja. Véony, illeve inhoogén szerezeű inánál előforulha, hogy a hirogén egyes risályhaáro enén gyorsabban iffunál, in a rásban, így a ilépő olalon orábban jeleni eg, in az a szabályos risályrásban lezajló iffúzió alapján várnán. Gyaoribb az ellenező ese, aior a fében alálhaó sapá viszonylag so hirogén nyelne el, így az áörési iő nagyobb lesz, in a férásban érvényes iffúziós együhaóval eghaározo éré. A sapá ia a iffúziós együhaó eghaározásána hieles ereény aó ószere az, hogy é egyás öveő görbé veszün fel úgy, hogy a ilépő olali fluus sabilizálóásá öveően

12 a belépő olali árao egválozaju. Ha a fében levő sapá ár az első szaaszban elíőe, aor a ásoi szaaszban ér áörési iő alapján száolhaó a iffúziós együhaó. Ez a iffúziós együhaó ne felélenül azonos a egegyező összeéelű egyrisályban érheő éréel, hane agában foglalja az auális inában alálhaó szesehaáro, iszloáió sb. haásá is. Az áörési iő (breahrough ie, B ) érelezéséhez a 3. ábra nyúj segísége. A ilépő olali fluus infleiós ponjában húzo érinőne a eszésponja az alapvonallal eghaároz egy iőpono, aiből a belépő olali polarizáió egválozásána iejé ivonva apju az áörési iő. Aennyiben sa a iffúzió jászi szerepe a folyaaban, az áörési iőből a iffúziós együhaó a öveezőéppen száíhaó i: D = ( B) (41) ilépőolali fluus 3. ÁBRA: Az áörési iő grafius szeléleése. B a belépőolali ára válozaása óa elel iő 6.A MÉRŐRENDSZER LEÍRÁSA A hirogén-áereszés vizsgálaá a 4. ábrán láhaó érőrenszerrel végezzü. A érőrenszer egy eős eleroéiai ellá aralaz, elyne é felé a vizsgál anyagból észül leez válaszja el egyásól. A vizsgál vasleez előzeesen eg ell iszíani, a ilépő olal peig a iszíás uán véony palláiuréeggel eleroéiai úon be ell vonni. A belépő olali ola ísérleünben énsava aralaz (onenráió:,1-1 ol -3 ), elyhez evés (néhányszor 1-4 ol -3 ) NaAsO aaléo aun. (Meg ell azonban jegyezni, hogy ás egyszerű eleroli is használhaó, pélául NaOH vagy Na HPO 4 ola, ha aralazza a egfelelő aaléo.) A belépő olali ellafélben a vizsgál leez aóén apsolju. Az arzén szerepe az, hogy a vas felüleén reuálói, azon véony - 1 -

13 C R W I+ és I- NaOH PCl H SO 4 NaAsO 4. ÁBRA: A eős eleroéiai ella seaius rajza. Középen a vizsgál féből észül leez (pereáiós ebrán, szüre), örülöe sárga színnel a sziliongui szigeelés. Zöl szín jelzi a ellá agá, a szagao vonal a é félella rögzíési ponjai uaja. A é segéeleróo é színnel jelezü. file épez, elyen a levál és aszorbeál hirogénaoo az aalé nélüli állapohoz épes nagyon seély sebességgel reobinálóna. Másépp egfogalazva, a özieré (H as ) élearaa egnő, illeve egnő a felüle özieréel való boríoságána érée. Így érheő el, hogy a belépő hirogén fluusa ellően nagy legyen. A aóreaió: H + +e = H as (Voler-reaió) (4) H + +e + H as = H (Heyrovsy-reaió) (43) H as = H (Tafel-reaió) (44) H as = H abs (a hirogén elnyelőése a fében) (45) H 3 AsO H e = As + 3 H O (az arzén reuiója) (46) A belépő olali ellafélben alálhaó ég egy plaina segéeleró is. A belépő olali ella éeleróos, és az eleróoon egy árageneráor segíségével onsans árao fogun áhajani. Az árageneráor a ilépőolali félella vezérlésé elláó poenioszáal inegrál egység, ineő vezérlésé száíógép lája el. A belépőolali ára áapsolása inig aor öréni, aior a ilépőolali ára ár egfelelően sabil (ezei araéára vagy saionárius hirogénfluus). Aennyiben a belépő olalon az ára elegenően nagy a fébe belépő hirogén fluusához épes (vagyis igen nagy feleslegben fejleszün hirogén), és a hirogéngáz fejlőése a Voler-reaió öveően önően a Tafel-reaió álal öréni, aor a öveező egyszerűsíe ineiai egyenleee írhaju fel:

14 v 1 = T[(Has )] (Tafel-reaió sebessége) (47) v = A( Has ) (a hirogén elnyelőéséne sebessége) (48) és a é uóbbi egyenleből a özieré onenráiójána iüszübölésével aói, hogy a fében a belépő olal özelében a hirogén onenráiója a belépő olali ára négyzegyöével arányos. Ezálal a leezen áenő fluus is a belépő olali ára négyzegyöével lesz arányos. Így, bár a belépő olalon a hirogénfejlőés sebességé szabályozzu, a hirogén ábosáása szeponjából ne a belépő fluus, hane a belépő olali onenráió a rögzíe paraéer. A leez ilépő olalán az ell elérni, hogy a leezen ereszül oajuó hirogén eljes egészében oiálójon. Az áörő hirogén oiáiója a vas felüleén ne egy végbe 1%-osan, er a reaióhoz a vas felülee ne bizosí evező ineiai feléelee. Ezér a ilépőolalhoz is ennyiségű P(II) vegyülee aun, és a ina ilépőolalá olyan poeniálra hozzu, hogy a ilépőolali eleroliból azon palláiu válhasson le, és ezen a hirogén bizosan oiálójon is. Kilépőolali elerolién 3 ol -3 onenráiójú NaOH olao használun, aihez P + aralú örzsolao aagolun. Az alalazo eleroliban a vas aor se olói száoevő sebességgel, ha a palláiu bevona ne öélees. A ilépő olalon élszerű hároeleróos apsolás alalazni. Az így felépíe áraör eljes egészében száíógéppel vezérel poenioszá ezeli, és ez végzi az aagyűjés is. A vezérlő progra részleei a érőhelyen lehe anulányozni. (Így az ne is épezi száonérés árgyá, ellenében a érés elvével.)

15 7. A MÉRÉS VÉGREHAJTÁSA FELADAT: Hirogén áhaolásána vizsgálaa vasleezen Diffúziós együhaó és sapahely onenráió száíása A apo aao, görbé valiaív éréelése 1. Tiszísu eg a vasleez ésőefe és álalános iszíószer, illeve osószeres fürőben való ulrahangos rázás segíségével, aj öblísü eszillál vízzel és eanollal. Ez öveően a leez hagyju szobahőérséleen egszárani.. Szereljü össze a ellá a gyaorlavezeő segíségével. Tegyü az eleróoa a ellába. Tölsü be először a ilépő olalra a egfelelő olao. 3. A gyaorlavezeő segíségével vizsgálju eg a ina ilépőolalá poenioinaius görbé felvéelével. Állapísu eg a ina polarizáiójához egfelelő elerópoeniál. Tölsü fel a belépőolali félellá is, és ezjü eg a ilépő olal polarizáiójá állanó poeniálon (érésiníás). 4. Aior a ilépőolali jel egfelelő alapvonala a, inísu be a hirogénfejleszés a belépőolalon aóos ára beállíásával. A onré aaoa a helyszínen a gyaorlavezeő aja eg. 5. A ilépő olali fluus felfuása és sabilizálóása 1 óránál is hosszabb iő igényel. Ez az iősza alalas a gyaorla élyebb egérésére és a probléá iszázására. 6. A ilépő olali fluus sabilizálóásá öveően növeljü eg a belépő olali árao, és várju eg a ásoi lépső ialaulásá is a ilépő olalon. A fluus sabilizálóásá öveően érjü újabb és újabb lépsőe, aennyi a gyaorla iőaraa leheővé esz. 7. A érés végezével szejü szé a ellá, raju renbe a unahelye

16 8. BEADANDÓ ADATOK, A KIÉRTÉKELÉS MENETE A gyaorlaon rész vevő inen hallgaóól önálló érés-iéréelés várun el, így inenine önálló jegyzőönyve ell észíenie. Az aaoa a érés elvégzése uán a hallgaó e-ailhez saolva apjá eg. Minen iülö aasor ülönböző. A jegyzőönyvben a beaásor szerepelnie ell a öveező aaona: - az éréeleénő aafájl ponos neve, a ina felülee és vasagsága - a ilépő olali ára iőfüggése (ábra; ha szüséges, a ezei aao és a iugró pono elhagyásával), az egyes áörési szaaszo leheőleg inagyíva ülön-ülön is - az egyes szaaszo végén észlel és a belépőolali polarizáió ezeé egelőzően felve alapvonal áraéréeine ülönbségéből száol saionárius fluuso - az egyes szaaszora egállapío áörési iő - a ásoi és ovábbi szaaszoból az alábbi ószereel száol iffúziós állanó: - az áörési iő alapján - az áörési görbe egfelelő részére való nelineáris illeszés alapján - az ao szaaszra jellező fluusválozás örrészeine eléréséhez szüséges iő alapján (az első szaasz aaaiból nins érele D száíásána!) - a iffúziós állanó() és a saionárius fluus(o) segíségével száol belépőolali onenráió - az első é áörési iő ülönbségéből és az első szaasz végén észlel saionárius fluusból besül iniális álagos sapahely-onenráió - az első alapvonalól száol állanósul ilépőolali áraválozáso logariusa és a belépőolali árao abszolú érééne logariusa özöi összefüggés (ábra), a apo ponora illesze egyenes ereesége, a hirogén elnyelőéséne ineiájára vonaozó öveezeése - valiaív éréelés: a saionárius fluuso sabiliása, az illesze görbé és a érési aao összehasonlíása, a ülönböző ószereel száol iffúziós együhaó összehasonlíása, az elérése vél oa

17 A iéréelés enee: 1. Ábrázolju a ilépőolali árao a belépő olal polarizáiójána ezeéől (illeve a ásoi és ovábbi lépső eseén a belépő olali ára egválozaásáól) elel iő függvényében a ilépő olali ára sabilizálóásáig. Az ábrázolás inen szaaszra ülön végezzü.. Olvassu le a szaaszo végén a saionárius áraoa, és épezzü ezen árao és az első felfuás egelőző alapvonal érééne ülönbségé. Az így apo lépsőagasságoal száolju i a saionárius fluus inen lépsőre: J s 1 n Is = = (49) A FA ahol A az olaoal érinező elerófelüle. 3. Az áereszési görbé infleiós ponjában érinő húzva állapísu eg az áörési iőe (lás 3. ábra). 4. A ásoi és ovábbi áörési iőből a (41) éple segíségével száolju i a iffúziós állanó. 5. A ilépő olali fluus egy soroza összege aja, így nehéz ponosan száolni. Mivel azonban az eponeniális agban az összegző ine négyzee szerepel, a agasabb renű ago viszonylag gyorsan lesengene. Ezér ár az első 4 vagy öbb ag figyelebe véele ielégíő ereény a az illeszés során. Az illeszéshez az Origin progra álal felínál illeszési leheősége ajánlju. A é szaasz végén észlel saionárius fluus 5-95%-a özöi aaoa érees használni, és a (39) egyenle béli összegzésből 4-1 ago figyelebe venni. Az illeszés eggyorsíása éreében érees a (39) egyenlee a öveezőéppen áalaíani: - Mivel az ára és a fluus özö egyenes arányosság áll fenn, illeszheün a apo ára-iő függvényre is, ne ell felélenül a fluus ábrázolni. - Mivel a ezei ára ne nulla, a jobb olalhoz hozzá ell ani egy I paraéer, ai az alapvonal helyzeé aja eg. - Mivel a érés során ne a = iőponban öréni a belépőolali onenráió egválozaása, a épleben helyére inenhon - erül, ahol az ára egválozaásána az iőponja. - Mivel a iffúziós együhaó az összegzés elő álló együhaóban és az összegze eponeniális agoban is szerepel, az együhaó érees I néven összevonni. Így lesz

18 inen paraéer szerepe egyei: az engely eni, I az y engely eni elolás haározza eg, I a lépsőagasságo, D peig a válozás üeé. A apo függvény: = + + I ( ) I I 1 ep =1 ( 1) D( ) Az illeszés igyeezni ell olyan paraéereel eliníani, hogy a próbagörbe inél inább feje a ísérlei aaoa. Így bizosíhaó, hogy a ereső algorius az elérésre nézve ne helyi, hane globális iniuo aláljon. Az illesze pereéere özül álalában és I rögzíheő, er ezee ellően ponosan iserjü, ezálal az illeszés gyorsíhaó. Megfelelően ponos érés eseén I is iserne veheő. Fel ell hívni a figyele arra, hogy pl. éréére is illeszve az illeszeés ugyan javul, e ez ne felélenül jelen nagyobb ponosságo a apo iffúziós együhaóra nézve. Ha ugyanis a ísérlei görbé a levezee függvény ne jól írja le, a sziszeaius elérése ia az illeszésből szárazó nagyban elérhe a ényleges éréől, és így az illeszésne lényegében nins érele. 6. A iffúziós együhaó az ao lépsőhöz arozó fluusválozás örrészeine eléréséhez arozó iőből is száíhaju. Az összefüggés: D = a (5) ahol jeleni a fluusválozás valaely örrészé, az enne eléréséhez szüséges iő (erészeesen a belépő olali ára egválozaásáól száíva), a peig egy száíással előre eghaározo együhaó. Néhány érée áblázaba foglalun: (5) a A ószer alalazásához az 5. ábra nyúj segísége

19 ilépő olali fluus J J 5. ÁBRA: A fluusválozás örrészéne eléréséhez szüséges iő grafius szeléleése. a belépő olali ára egválozaása uán elel iő 7. Fi I. örvényéne alalazásával száísu i a belépő olali onenráió iné belépő olali árara: be = Js / D (5) 8. A iniális sapahely-onenráió az első é áörési iő ülönbsége és az első szaasz végén leolvaso saionárius fluus segíségével száolju: = J / (51) s, in s,1 B (Azér sa a iniuo uju ilyen óon besülni, er a fluus a saionárius állapo elérése elő végig nagyobb, in saionárius állapoban, lévén a onenráió-graiens végig nagyobb, in saionárius eseben. A száolás elhanyagolja a nehezen figyelebe veheő ényezőe, pl. a belépő olali felüle válozásá és a belépő olali onenráió iőbeli válozásá, illeve ne vezeün be aeaiai orreió a belépő olali fluus elvi iőfüggése alapján. Az így apo ennyiség arányos a sapahely-onenráióval, bár az arányossági ényező i önényesen einjü egységnyine.)

20 9. A GYAKORLATON VALÓ RÉSZVÉTEL FELTÉTELEI, SZÁMONKÉRÉS A gyaorlaon sa ellően felészül hallgaó vehene rész. A jelenező hallgaó felészülségéne ellenőrzése írásbeli beszáolóval öréni (leheőleg az első gyaorlao egelőzően egységesen; ha ez ne leheséges, aor a érés ieje ala). A száonérés anyaga a jelen összefoglalóban árgyal iseree összessége, illeve az ualásoal jelze orábbi iseree. A gyaorlaal apsolaos ülön fel ne ünee legalapveőbb fiziai-éiai örvénye ugyansa előforulhana a száonérésben. (Tesze az, Nerns-egyenle vagy hasonló.) A gyaorlao helyszíne az MTA Sziláresfiziai és Opiai Kuaóinéze (111 Buapes, Konoly-Thege ú 9-33., I. épüle). A belépéshez előzees engeély szüséges, így ére a gyaorlao iőponjána ponos bearásá. A elephelyre való belépéshez a szeélyi igazolvány ineni hozza agával! Konzuláióval bárior állo az érelőő renelezésére. Jó uná íváno: Péer László Telefon: 39- / E-ail: lpeer@szfi.hu Honlap: hp:// (ez a leírás a honlapról is leölheő) Uolsó javíás áua: 7. eeber