Viena iš aktualių problemų – aplinkos tarša ir riboti organinės kilmės energijos ištekliai. Daug žadantis būdas išspręsti šias problemas yra naudoti vandenilį kaip energijos š altinį. Straipsnyje aptarsime vandenilio degimo klausimą, šio proceso temperatūrą ir chemiją.
Kas yra vandenilis?
Prieš svarstant klausimą, kokia yra vandenilio degimo temperatūra, būtina atsiminti, kas yra ši medžiaga.
Vandenilis yra lengviausias cheminis elementas, susidedantis tik iš vieno protono ir vieno elektrono. Normaliomis sąlygomis (slėgis 1 atm., temperatūra 0 oC) jis yra dujinės būsenos. Jo molekulę (H2) sudaro 2 šio cheminio elemento atomai. Vandenilis yra 3-as pagal gausumą elementas mūsų planetoje ir 1-as Visatoje (apie 90 % visos medžiagos).
Vandenilio dujos (H2)bekvapis, beskonis ir bespalvis. Jis nėra toksiškas, tačiau kai jo kiekis atmosferos ore yra keli procentai, žmogus gali uždusti dėl deguonies trūkumo.
Įdomu pastebėti, kad nors cheminiu požiūriu visos H2 molekulės yra identiškos, jų fizinės savybės šiek tiek skiriasi. Viskas priklauso nuo elektronų sukinių (jie yra atsakingi už magnetinio momento atsiradimą) orientacija, kuri gali būti lygiagreti ir antilygiagreti, tokia molekulė vadinama atitinkamai orto ir paravandeniliu.
Degimo cheminė reakcija
Atsižvelgdami į klausimą dėl vandenilio degimo su deguonimi temperatūros, pateikiame cheminę reakciją, kuri apibūdina šį procesą: 2H2 + O2=> 2H2O. Tai yra, reakcijoje dalyvauja 3 molekulės (dvi vandenilio ir viena deguonies), o produktas yra dvi vandens molekulės. Ši reakcija apibūdina degimą cheminiu požiūriu ir galima spręsti, kad jam prabėgus lieka tik grynas vanduo, kuris neteršia aplinkos, kaip tai vyksta deginant iškastinį kurą (benziną, alkoholį).
Kita vertus, ši reakcija yra egzoterminė, tai yra, be vandens, ji išskiria šiek tiek šilumos, kuri gali būti panaudota vairuoti automobilius ir raketas, taip pat perduoti ją kitiems energijos š altiniams, pvz. kaip elektra.
Vandenilio degimo proceso mechanizmas
Aprašyta ankstesniamepastraipos cheminė reakcija yra žinoma bet kuriam vidurinės mokyklos mokiniui, tačiau tai labai apytikslis tikrovėje vykstančio proceso aprašymas. Atkreipkite dėmesį, kad iki praėjusio amžiaus vidurio žmonija nežinojo, kaip vandenilis dega ore, ir 1956 m. už jo tyrimą buvo suteikta Nobelio chemijos premija.
Iš tikrųjų, jei O2 ir H2 molekulės susiduria, reakcija neįvyks. Abi molekulės yra gana stabilios. Kad įvyktų degimas ir susidarytų vanduo, turi egzistuoti laisvieji radikalai. Visų pirma, H, O atomai ir OH grupės. Toliau pateikiama seka reakcijų, kurios iš tikrųjų vyksta deginant vandenilį:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Ką matote iš šių reakcijų? Degant vandeniliui susidaro vanduo, taip, tai tiesa, bet tai atsitinka tik tada, kai dviejų OH atomų grupė susitinka su H2 molekule. Be to, visos reakcijos vyksta formuojantis laisviesiems radikalams, o tai reiškia, kad prasideda savaiminio degimo procesas.
Taigi šios reakcijos pradžia yra radikalų susidarymas. Jie atsiranda, jei į deguonies ir vandenilio mišinį įdedate degtuką arba pakaitinate šį mišinį virš tam tikros temperatūros.
Reakcija inicijuojama
Kaip minėta, yra du būdai tai padaryti:
- Su kibirkštimi, kuri turėtų pateikti tik 0,02 mJ šilumos. Tai labai maža energinė vertė, palyginimui, tarkime, kad benzino mišinio panaši vertė yra 0,24 mJ, o metano - 0,29 mJ. Mažėjant slėgiui, didėja reakcijos pradžios energija. Taigi, esant 2 kPa, tai jau yra 0,56 mJ. Bet kokiu atveju tai labai mažos vertės, todėl vandenilio ir deguonies mišinys laikomas labai degiu.
- Temperatūros pagalba. Tai yra, deguonies ir vandenilio mišinį galima tiesiog pašildyti, o virš tam tikros temperatūros jis užsidegs pats. Kada tai atsitiks, priklauso nuo slėgio ir dujų procento. Esant plačiam koncentracijų diapazonui esant atmosferos slėgiui, savaiminio užsidegimo reakcija vyksta aukštesnėje nei 773–850 K temperatūroje, ty aukštesnėje nei 500–577 oC temperatūroje. Tai gana didelės vertės, palyginti su benzino mišiniu, kuris pradeda savaime užsidegti jau esant žemesnei nei 300 °C temperatūrai oC.
Dujų procentas degiajame mišinyje
Kalbant apie vandenilio degimo ore temperatūrą, reikia pažymėti, kad ne kiekvienas šių dujų mišinys pateks į nagrinėjamą procesą. Eksperimentiškai nustatyta, kad jei deguonies kiekis yra mažesnis nei 6 tūrio procentai arba vandenilio kiekis yra mažesnis nei 4 tūrio procentai, reakcija neįvyks. Tačiau degiojo mišinio egzistavimo ribos yra gana plačios. Oro atveju vandenilio procentas gali svyruoti nuo 4,1% iki 74,8%. Atkreipkite dėmesį, kad viršutinė vertė tiesiog atitinka reikalingą deguonies minimumą.
Jeilaikykime gryno deguonies ir vandenilio mišinio, tada čia ribos dar platesnės: 4, 1-94%.
Sumažėjus dujų slėgiui, sumažinamos nurodytos ribos (apatinė riba pakyla, viršutinė nukrenta).
Taip pat svarbu suprasti, kad vandenilio degimo metu ore (deguonyje) susidarantys reakcijos produktai (vanduo) sumažina reagentų koncentraciją, o tai gali lemti cheminio proceso pabaigą..
Degimo sauga
Tai svarbi degaus mišinio savybė, nes ji leidžia spręsti, ar reakcija yra rami ir gali būti kontroliuojama, ar procesas yra sprogus. Kas lemia degimo greitį? Žinoma, nuo reagentų koncentracijos, slėgio ir „sėklos“energijos kiekio.
Deja, įvairių koncentracijų vandenilis gali sprogti. Literatūroje pateikiami tokie skaičiai: 18,5-59% vandenilio oro mišinyje. Be to, šios ribos pakraščiuose dėl detonacijos išsiskiria didžiausias energijos kiekis tūrio vienete.
Ryškus degimo pobūdis kelia didelę problemą naudojant šią reakciją kaip kontroliuojamą energijos š altinį.
Degimo reakcijos temperatūra
Dabar mes tiesiogiai atsakome į klausimą, kokia yra žemiausia vandenilio degimo temperatūra. Tai yra 2321 K arba 2048 oC mišinyje su 19,6 % H2. Tai reiškia, kad vandenilio degimo temperatūra ore yra aukštesnė2000 oC (kitoms koncentracijoms jis gali siekti 2500 oC), o palyginti su benzino mišiniu, tai yra didžiulis skaičius (benzinui apie 800 oC). Jei deginsite vandenilį gryname deguonyje, liepsnos temperatūra bus dar aukštesnė (iki 2800 oC).
Tokia aukšta liepsnos temperatūra yra dar viena problema naudojant šią reakciją kaip energijos š altinį, nes šiuo metu nėra lydinių, kurie galėtų ilgai veikti tokiomis ekstremaliomis sąlygomis.
Žinoma, ši problema išspręsta naudojant gerai suprojektuotą kameros, kurioje vyksta vandenilio degimo, aušinimo sistemą.
Išskiriamos šilumos kiekis
Kalbant apie vandenilio degimo temperatūrą, taip pat įdomu pateikti duomenis apie energijos kiekį, kuris išsiskiria šios reakcijos metu. Esant skirtingoms degiojo mišinio sąlygoms ir sudėtims, gautos vertės nuo 119 MJ/kg iki 141 MJ/kg. Norėdami suprasti, kiek tai yra, pažymime, kad panaši benzino mišinio vertė yra apie 40 MJ / kg.
Vandilio mišinio energijos išeiga yra daug didesnė nei benzino, o tai yra didžiulis pliusas naudojant jį kaip vidaus degimo variklių kurą. Tačiau ir čia ne viskas taip paprasta. Viskas priklauso nuo vandenilio tankio, jis per mažas esant atmosferos slėgiui. Taigi, 1 m3 šių dujų sveria tik 90 gramų. Jei sudeginsite šį 1 m3 H2, tada išsiskirs apie 10-11 MJ šilumos, o tai jau 4 kartus mažiau nei tada deginant 1 kg benzino (šiek tiek daugiau nei 1 litrą).
Pateikti skaičiai rodo, kad norint panaudoti vandenilio degimo reakciją, būtina išmokti šias dujas laikyti aukšto slėgio balionuose, o tai jau kelia papildomų sunkumų tiek technologiniu, tiek saugumo požiūriu.
Degiojo vandenilio mišinio naudojimas technologijoje: problemos
Iš karto reikia pasakyti, kad šiuo metu vandenilio degus mišinys jau naudojamas kai kuriose žmogaus veiklos srityse. Pavyzdžiui, kaip papildomas kuras kosminėms raketoms, kaip elektros energijos generavimo š altiniai, taip pat šiuolaikinių automobilių eksperimentiniuose modeliuose. Tačiau šio taikymo mastas yra menkas, palyginti su iškastiniu kuru, ir paprastai yra eksperimentinio pobūdžio. To priežastis – ne tik pačios degimo reakcijos valdymo, bet ir H2.
saugojimo, transportavimo ir ištraukimo sunkumai.
Vandenis Žemėje praktiškai neegzistuoja gryna forma, todėl jis turi būti gaunamas iš įvairių junginių. Pavyzdžiui, iš vandens. Šiuo metu tai gana populiarus metodas, kuris atliekamas elektros srovę praleidžiant per H2O. Visa problema ta, kad tai sunaudoja daugiau energijos, nei būtų galima gauti sudeginus H2.
Kita svarbi problema yra vandenilio transportavimas ir saugojimas. Faktas yra tas, kad šios dujos dėl mažo savo molekulių dydžio gali „išskristi“iš bet kurioskonteineriai. Be to, patekęs į metalinę lydinių gardelę, tai sukelia jų trapumą. Todėl efektyviausias būdas laikyti H2 yra naudoti anglies atomus, kurie gali tvirtai surišti „nepagaunamas“dujas.
Todėl vandenilio kaip kuro naudojimas daugiau ar mažiau dideliu mastu galimas tik tada, kai jis naudojamas kaip elektros energijos „saugykla“(pavyzdžiui, vandens elektrolizės būdu vėjo ir saulės energiją paverčiant vandeniliu), arba jei išmoksite pristatyti H2 iš kosmoso (kur jo yra daug) į Žemę.
