Et av de presserende problemene er miljøforurensning og begrensede energiressurser av organisk opprinnelse. En lovende måte å løse disse problemene på er å bruke hydrogen som energikilde. I artikkelen vil vi vurdere spørsmålet om hydrogenforbrenning, temperaturen og kjemien i denne prosessen.
Hva er hydrogen?
Før du vurderer spørsmålet om hva som er forbrenningstemperaturen til hydrogen, er det nødvendig å huske hva dette stoffet er.
Hydrogen er det letteste kjemiske grunnstoffet, som består av bare ett proton og ett elektron. Under normale forhold (trykk 1 atm., temperatur 0 oC) er den tilstede i gassform. Molekylet (H2) er dannet av 2 atomer av dette kjemiske elementet. Hydrogen er det tredje mest tallrike grunnstoffet på planeten vår, og det første i universet (omtrent 90 % av all materie).
hydrogengass (H2)luktfri, smakløs og fargeløs. Det er ikke giftig, men når innholdet i den atmosfæriske luften er noen få prosent, kan en person oppleve kvelning på grunn av mangel på oksygen.
Det er merkelig å merke seg at selv om fra et kjemisk synspunkt er alle H2-molekylene identiske, er deres fysiske egenskaper noe forskjellige. Alt handler om orienteringen til elektronspinnene (de er ansvarlige for utseendet til et magnetisk moment), som kan være parallelle og antiparallelle, et slikt molekyl kalles henholdsvis orto- og parahydrogen.
Forbrenningskjemisk reaksjon
Med tanke på spørsmålet om forbrenningstemperaturen til hydrogen med oksygen, presenterer vi en kjemisk reaksjon som beskriver denne prosessen: 2H2 + O2=> 2H2O. Det vil si at 3 molekyler deltar i reaksjonen (to hydrogen og ett oksygen), og produktet er to vannmolekyler. Denne reaksjonen beskriver forbrenning fra et kjemisk synspunkt, og det kan bedømmes at etter dens passasje er det kun rent vann igjen, som ikke forurenser miljøet, slik det skjer ved forbrenning av fossilt brensel (bensin, alkohol).
På den annen side er denne reaksjonen eksoterm, det vil si at den i tillegg til vann frigjør noe varme som kan brukes til å kjøre biler og raketter, samt overføre den til andre energikilder, som f.eks. som strøm.
Mekanisme for hydrogenforbrenningsprosessen
Beskrevet i forrigeavsnitt kjemisk reaksjon er kjent for enhver videregående skoleelev, men det er en veldig grov beskrivelse av prosessen som skjer i virkeligheten. Merk at før midten av forrige århundre visste ikke menneskeheten hvordan hydrogen brenner i luft, og i 1956 ble Nobelprisen i kjemi delt ut for sin studie.
Faktisk, hvis O2 og H2 molekyler kolliderer, vil ingen reaksjon forekomme. Begge molekylene er ganske stabile. For at forbrenning skal oppstå og vann dannes, må det eksistere frie radikaler. Spesielt H, O-atomer og OH-grupper. Følgende er en sekvens av reaksjoner som faktisk oppstår når hydrogen forbrennes:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Hva ser du av disse reaksjonene? Når hydrogen brenner, dannes det vann, ja, det stemmer, men det skjer bare når en gruppe på to OH-atomer møter et H2-molekyl. I tillegg oppstår alle reaksjoner med dannelse av frie radikaler, noe som betyr at prosessen med selvopprettholdende forbrenning starter.
Så nøkkelen til å starte denne reaksjonen er dannelsen av radikaler. De vises hvis du tar med en brennende fyrstikk til en oksygen-hydrogenblanding, eller hvis du varmer denne blandingen over en viss temperatur.
Starter reaksjon
Som nevnt er det to måter å gjøre dette på:
- Ved hjelp av en gnist som bare skal gi 0,02 mJ varme. Dette er en veldig liten energiverdi, for sammenligning, la oss si at den tilsvarende verdien for en bensinblanding er 0,24 mJ, og for metan - 0,29 mJ. Når trykket synker, øker reaksjonsinitieringsenergien. Så ved 2 kPa er det allerede 0,56 mJ. Uansett er dette svært små verdier, så hydrogen-oksygenblandingen anses som svært brannfarlig.
- Ved hjelp av temperatur. Det vil si at oksygen-hydrogenblandingen ganske enkelt kan varmes opp, og over en viss temperatur vil den selv antennes. Når dette skjer avhenger av trykket og prosentandelen av gasser. I et bredt spekter av konsentrasjoner ved atmosfærisk trykk skjer den spontane forbrenningsreaksjonen ved temperaturer over 773-850 K, det vil si over 500-577 oC. Dette er ganske høye verdier sammenlignet med en bensinblanding, som begynner å selvantenne allerede ved temperaturer under 300 oC.
Prosentandel av gasser i den brennbare blandingen
Når vi snakker om temperaturen ved hydrogenforbrenning i luft, bør det bemerkes at ikke hver blanding av disse gassene vil gå inn i prosessen som vurderes. Det er eksperimentelt fastslått at hvis mengden oksygen er mindre enn 6 volum%, eller hvis mengden hydrogen er mindre enn 4 volum%, vil ingen reaksjon forekomme. Imidlertid er grensene for eksistensen av en brennbar blanding ganske vide. For luft kan prosentandelen av hydrogen variere fra 4,1 % til 74,8 %. Merk at den øvre verdien bare tilsvarer det nødvendige minimum for oksygen.
Ifvurdere en ren oksygen-hydrogen-blanding, så er grensene enda bredere her: 4, 1-94%.
Reduksjon av trykket på gasser fører til en reduksjon i de angitte grensene (den nedre grensen stiger, den øvre faller).
Det er også viktig å forstå at under forbrenning av hydrogen i luft (oksygen), fører de resulterende reaksjonsproduktene (vann) til en reduksjon i konsentrasjonen av reagenser, noe som kan føre til avslutning av den kjemiske prosessen.
Forbrenningssikkerhet
Dette er en viktig egenskap ved en brennbar blanding, fordi den lar deg bedømme om reaksjonen er rolig og kan kontrolleres, eller om prosessen er eksplosiv. Hva bestemmer brennhastigheten? Selvfølgelig på konsentrasjonen av reagenser, på trykk, og også på mengden energi til "frøet".
Dessverre er hydrogen i et bredt spekter av konsentrasjoner i stand til eksplosiv forbrenning. Følgende tall er gitt i litteraturen: 18,5-59 % hydrogen i luftblandingen. Dessuten, ved kantene av denne grensen, som et resultat av detonasjon, frigjøres den største energimengden per volumenhet.
Forbrenningens markerte natur utgjør et stort problem for å bruke denne reaksjonen som en kontrollert energikilde.
Forbrenningsreaksjonstemperatur
Nå kommer vi direkte til svaret på spørsmålet, hva er den laveste temperaturen ved hydrogenforbrenning. Det er 2321 K eller 2048 oC for en blanding med 19,6 % H2. Det vil si at forbrenningstemperaturen til hydrogen i luft er høyere2000 oC (for andre konsentrasjoner kan den nå 2500 oC), og sammenlignet med en bensinblanding er dette et enormt tall (for bensin ca. 800 oC). Hvis du brenner hydrogen i rent oksygen, vil flammetemperaturen bli enda høyere (opptil 2800 oC).
En slik høy flammetemperatur utgjør et annet problem ved å bruke denne reaksjonen som energikilde, siden det for tiden ikke finnes noen legeringer som kan fungere lenge under slike ekstreme forhold.
Selvfølgelig løses dette problemet ved å bruke et godt designet kjølesystem for kammeret der hydrogenforbrenning skjer.
Mengde varme som frigjøres
Som en del av spørsmålet om forbrenningstemperaturen til hydrogen, er det også interessant å gi data om hvor mye energi som frigjøres under denne reaksjonen. For forskjellige forhold og sammensetninger av den brennbare blandingen ble det oppnådd verdier fra 119 MJ/kg til 141 MJ/kg. For å forstå hvor mye dette er, legger vi merke til at en tilsvarende verdi for en bensinblanding er ca. 40 MJ/kg.
Energiutbyttet til en hydrogenblanding er mye høyere enn for bensin, som er et stort pluss for bruken som drivstoff for forbrenningsmotorer. Men ikke alt er så enkelt her heller. Alt handler om tettheten til hydrogen, den er for lav ved atmosfærisk trykk. Så, 1 m3 av denne gassen veier bare 90 gram. Hvis du brenner denne 1 m3 H2, vil det frigjøres ca. 10-11 MJ varme, som allerede er 4 ganger mindre enn når brenner 1 kg bensin (litt over 1 liter).
De oppgitte tallene indikerer at for å bruke hydrogenforbrenningsreaksjonen, er det nødvendig å lære å lagre denne gassen i høytrykksflasker, noe som allerede skaper ytterligere vanskeligheter, både når det gjelder teknologi og sikkerhet.
Bruken av en brennbar hydrogenblanding i teknologi: problemer
Det skal sies med en gang at den brennbare hydrogenblandingen allerede brukes i enkelte områder av menneskelig aktivitet. For eksempel som et ekstra drivstoff for romraketter, som kilder for å generere elektrisk energi, så vel som i eksperimentelle modeller av moderne biler. Imidlertid er omfanget av denne applikasjonen minimal sammenlignet med fossilt brensel og er generelt eksperimentell i naturen. Årsaken til dette er ikke bare vanskeligheten med å kontrollere selve forbrenningsreaksjonen, men også i lagring, transport og utvinning av H2.
Hydrogen på jorden eksisterer praktisk t alt ikke i sin rene form, så det må fås fra forskjellige forbindelser. For eksempel fra vann. Dette er en ganske populær metode for tiden, som utføres ved å føre en elektrisk strøm gjennom H2O. Hele problemet er at dette bruker mer energi enn man da kan få ved å brenne H2.
Et annet viktig problem er transport og lagring av hydrogen. Faktum er at denne gassen, på grunn av den lille størrelsen på molekylene, er i stand til å "fly ut" fra enhvercontainere. I tillegg, å komme inn i metallgitteret av legeringer, forårsaker det deres sprøhet. Derfor er den mest effektive måten å lagre H2 på å bruke karbonatomer som kan binde fast den "unnvikende" gassen.
Dermed er bruk av hydrogen som drivstoff i mer eller mindre stor skala bare mulig hvis det brukes som "lagring" av elektrisitet (for eksempel ved å konvertere vind- og solenergi til hydrogen ved hjelp av vannelektrolyse), eller hvis du lærer, lever H2 fra verdensrommet (der det er mye av det) til jorden.
