Az egyik sürgető probléma a környezetszennyezés és a korlátozott szerves eredetű energiaforrások. E problémák megoldásának ígéretes módja a hidrogén energiaforrásként történő felhasználása. A cikkben megvizsgáljuk a hidrogén égésének kérdését, ennek a folyamatnak a hőmérsékletét és kémiáját.
Mi a hidrogén?
Mielőtt megvizsgálnánk azt a kérdést, hogy mi a hidrogén égési hőmérséklete, emlékeznünk kell arra, hogy mi ez az anyag.
A hidrogén a legkönnyebb kémiai elem, csak egy protonból és egy elektronból áll. Normál körülmények között (nyomás 1 atm, hőmérséklet 0 oC) gáz halmazállapotban van jelen. Molekuláját (H2) ennek a kémiai elemnek a 2 atomja alkotja. A hidrogén a 3. legelterjedtebb elem bolygónkon, és az 1. az Univerzumban (az összes anyag körülbelül 90%-a).
Hidrogéngáz (H2)szagtalan, íztelen és színtelen. Nem mérgező, azonban ha a légköri levegő tartalma néhány százalék, akkor az ember fulladást tapasztalhat oxigénhiány miatt.
Érdekes megjegyezni, hogy bár kémiai szempontból az összes H2 molekula azonos, fizikai tulajdonságaik némileg eltérőek. Az egész az elektron spinek orientációjáról szól (ezek felelősek a mágneses momentum megjelenéséért), ami lehet párhuzamos és antiparallel is, az ilyen molekulát orto-, illetve parahidrogénnek nevezik.
Égési kémiai reakció
A hidrogén oxigénnel való égési hőmérsékletének kérdését figyelembe véve bemutatunk egy kémiai reakciót, amely leírja ezt a folyamatot: 2H2 + O2=> 2H2O. Azaz 3 molekula vesz részt a reakcióban (két hidrogén és egy oxigén), a termék pedig két vízmolekula. Ez a reakció az égést kémiai szempontból írja le, és megállapítható, hogy áthaladása után csak tiszta víz marad, amely nem szennyezi a környezetet, mint a fosszilis tüzelőanyagok (benzin, alkohol) elégetésekor.
Másrészt ez a reakció exoterm, vagyis a víz mellett némi hőt is felszabadít, ami felhasználható autók és rakéták vezetésére, valamint más energiaforrások felé történő átvitelére, pl. mint elektromos áram.
A hidrogén égési folyamatának mechanizmusa
Leírva az előzőbenbekezdésben a kémiai reakciót minden középiskolás diák ismeri, de ez egy nagyon durva leírása a valóságban lezajló folyamatnak. Vegye figyelembe, hogy a múlt század közepéig az emberiség nem tudta, hogyan ég a hidrogén a levegőben, ezért 1956-ban a kémiai Nobel-díjat ítélték oda a tanulmányozásáért.
Valójában, ha O2 és H2 molekulák ütköznek, akkor nem megy végbe reakció. Mindkét molekula meglehetősen stabil. Az égéshez és a víz kialakulásához szabad gyököknek kell létezniük. Különösen H, O atomok és OH csoportok. A következő reakciósorozat a hidrogén elégetésekor ténylegesen fellép:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Mit látsz ezekből a reakciókból? A hidrogén égésekor víz keletkezik, igen, ez így van, de ez csak akkor történik meg, ha két OH atomból álló csoport találkozik egy H2 molekulával. Ráadásul minden reakció szabad gyökök képződésével megy végbe, ami azt jelenti, hogy beindul az önfenntartó égés folyamata.
Tehát ennek a reakciónak a kulcsa a gyökök képződése. Akkor jelennek meg, ha égő gyufát viszünk az oxigén-hidrogén keverékhez, vagy ha ezt a keveréket egy bizonyos hőmérséklet fölé melegítjük.
Reakció kezdeményezése
Amint megjegyeztük, ennek két módja van:
- Egy szikra segítségével, amelynek csak 0-t kell adnia,02 mJ hő. Ez egy nagyon kicsi energiaérték, összehasonlításképpen, mondjuk, hogy a benzinkeverék hasonló értéke 0,24 mJ, a metáné pedig 0,29 mJ. A nyomás csökkenésével a reakcióindító energia nő. Tehát 2 kPa-nál már 0,56 mJ. Mindenesetre ezek nagyon kicsi értékek, így a hidrogén-oxigén keverék nagyon gyúlékonynak minősül.
- A hőmérséklet segítségével. Vagyis az oxigén-hidrogén keveréket egyszerűen fel lehet melegíteni, és egy bizonyos hőmérséklet felett magától meggyullad. Az, hogy ez mikor történik, a nyomástól és a gázok százalékától függ. A légköri nyomáson a koncentrációk széles tartományában a spontán égési reakció 773-850 K feletti, azaz 500-577 oC feletti hőmérsékleten megy végbe. Ezek elég magas értékek egy benzinkeverékhez képest, amely már 300 oC.
hőmérsékleten spontán gyulladni kezd.
Gázok százalékos aránya az éghető keverékben
Ha a hidrogén levegőben történő égésének hőmérsékletéről beszélünk, meg kell jegyezni, hogy ezeknek a gázoknak nem minden keveréke kerül be a vizsgált folyamatba. Kísérletileg megállapították, hogy ha az oxigén mennyisége kevesebb, mint 6 térfogat%, vagy ha a hidrogén mennyisége kevesebb, mint 4 térfogat%, akkor nem megy végbe reakció. Az éghető keverék létezésének határai azonban meglehetősen tágak. Levegő esetében a hidrogén százalékos aránya 4,1% és 74,8% között lehet. Vegye figyelembe, hogy a felső érték csak az oxigén szükséges minimumának felel meg.
Havegyünk tiszta oxigén-hidrogén keveréket, akkor itt még szélesebbek a határok: 4, 1-94%.
A gázok nyomásának csökkentése a megadott határértékek csökkenéséhez vezet (az alsó határ emelkedik, a felső csökken).
Azt is fontos megérteni, hogy a hidrogén levegőben (oxigénben) történő égése során a keletkező reakciótermékek (víz) a reagensek koncentrációjának csökkenéséhez vezetnek, ami a kémiai folyamat leállásához vezethet..
Égésbiztonság
Ez a gyúlékony keverék fontos jellemzője, mert lehetővé teszi annak megítélését, hogy a reakció nyugodt és szabályozható, vagy a folyamat robbanásveszélyes. Mi határozza meg az égési sebességet? Természetesen a reagensek koncentrációján, a nyomáson és a "mag" energiamennyiségén is.
Sajnos a hidrogén széles koncentráció-tartományban képes robbanásveszélyes égésre. A szakirodalomban a következő számadatok találhatók: 18,5-59% hidrogén a levegőelegyben. Ezen túlmenően ennek a határnak a szélein szabadul fel a detonáció a térfogategységenkénti legnagyobb energiamennyiség.
Az égés markáns jellege nagy problémát jelent ennek a reakciónak az ellenőrzött energiaforrásként való felhasználásában.
Égési reakcióhőmérséklet
Most közvetlenül a válaszhoz jutunk arra a kérdésre, hogy mi a hidrogén égésének legalacsonyabb hőmérséklete. Ez 2321 K vagy 2048 oC egy 19,6% H2 keveréknél. Vagyis a hidrogén égési hőmérséklete a levegőben magasabb2000 oC (egyéb koncentrációknál elérheti a 2500 oC-ot), és egy benzinkeverékhez képest ez óriási érték (benzin esetében körülbelül 800 oC). Ha a hidrogént tiszta oxigénben égeti el, a láng hőmérséklete még magasabb lesz (akár 2800 oC).
Az ilyen magas lánghőmérséklet újabb problémát jelent a reakció energiaforrásként történő felhasználása során, mivel jelenleg nincs olyan ötvözet, amely ilyen szélsőséges körülmények között hosszú ideig működhetne.
Természetesen ezt a problémát megoldja egy jól megtervezett hűtőrendszer a kamrához, ahol a hidrogén égés történik.
A felszabaduló hőmennyiség
A hidrogén égési hőmérsékletének kérdése részeként érdekes adatokkal szolgálni a reakció során felszabaduló energia mennyiségére vonatkozóan is. Az éghető keverék különböző körülményei és összetétele esetén 119 MJ/kg és 141 MJ/kg közötti értékeket kaptunk. Annak megértéséhez, hogy ez mennyi, megjegyezzük, hogy a benzinkeverék hasonló értéke körülbelül 40 MJ / kg.
A hidrogénkeverék energiahozama sokkal magasabb, mint a benziné, ami óriási előny a belső égésű motorok üzemanyagaként való felhasználása szempontjából. Azonban itt sem minden olyan egyszerű. Az egész a hidrogén sűrűségéről szól, légköri nyomáson túl alacsony. Tehát ebből a gázból 1 m3 mindössze 90 grammot nyom. Ha ezt az 1 m3 H2 elégeted, akkor kb 10-11 MJ hő szabadul fel, ami már 4-szer kevesebb, mint amikor 1 kg benzin elégetése (valamivel több mint 1 liter).
A megadott ábrák azt jelzik, hogy a hidrogén égési reakciójának alkalmazásához meg kell tanulni ennek a gáznak a tárolását nagynyomású palackokban, ami már további nehézségeket okoz, mind technológiai, mind biztonsági szempontból.
Hidrogén éghető keverék alkalmazása a technológiában: problémák
Rögtön el kell mondanunk, hogy jelenleg a hidrogénnel éghető keveréket már használják az emberi tevékenység egyes területein. Például űrrakéták kiegészítő üzemanyagaként, elektromos energia előállításának forrásaként, valamint modern autók kísérleti modelljeiben. Ennek az alkalmazásnak a mérete azonban elenyésző a fosszilis tüzelőanyagokhoz képest, és általában kísérleti jellegű. Ennek oka nem csak magának az égési reakciónak a szabályozásának nehézsége, hanem a H2.
tárolása, szállítása és kinyerése is.
A hidrogén a Földön gyakorlatilag nem létezik tiszta formájában, ezért különféle vegyületekből kell előállítani. Például a vízből. Ez egy meglehetősen népszerű módszer jelenleg, amelyet elektromos áram átvezetésével hajtanak végre H2O-n. Az egész probléma az, hogy ez több energiát fogyaszt, mint amit a H2.
elégetésével nyerhetünk
Egy másik fontos probléma a hidrogén szállítása és tárolása. A helyzet az, hogy ez a gáz molekuláinak kis mérete miatt képes "kirepülni" bármelykonténerek. Ráadásul az ötvözetek fémrácsába kerülve azok ridegségét okozza. Ezért a H2 tárolásának leghatékonyabb módja olyan szénatomok használata, amelyek szilárdan meg tudják kötni a „megfoghatatlan” gázt.
Így a hidrogén többé-kevésbé nagy léptékű tüzelőanyagként való felhasználása csak akkor lehetséges, ha azt villamos energia "tárolójaként" használják (például a szél- és napenergiát vízelektrolízissel hidrogénné alakítják), vagy ha megtanulod szállítani H2 az űrből (ahol sok van) a Földre.
