Üks pakilisemaid probleeme on keskkonnareostus ja piiratud orgaanilise päritoluga energiaressursid. Paljutõotav viis nende probleemide lahendamiseks on vesiniku kasutamine energiaallikana. Artiklis käsitleme vesiniku põlemise küsimust, selle protsessi temperatuuri ja keemiat.
Mis on vesinik?
Enne kui mõelda küsimusele, milline on vesiniku põlemistemperatuur, tuleb meeles pidada, mis see aine on.
Vesinik on kõige kergem keemiline element, mis koosneb ainult ühest prootonist ja ühest elektronist. Norma altingimustes (rõhk 1 atm, temperatuur 0 oC) on see gaasilises olekus. Selle molekuli (H2) moodustavad selle keemilise elemendi 2 aatomit. Vesinik on meie planeedi arvukuse poolest kolmas element ja universumis 1. kohal (umbes 90% kogu ainest).
Gaasvesinik (H2)lõhnatu, maitsetu ja värvitu. See ei ole mürgine, kuid kui selle sisaldus atmosfääriõhus on paar protsenti, võib inimene hapnikupuuduse tõttu lämbuda.
On huvitav märkida, et kuigi keemilisest seisukohast on kõik H2 molekulid identsed, on nende füüsikalised omadused mõnevõrra erinevad. Kõik on seotud elektronide spinnide orientatsiooniga (need vastutavad magnetmomendi ilmnemise eest), mis võivad olla paralleelsed ja antiparalleelsed, sellist molekuli nimetatakse vastav alt orto- ja paravesinikuks.
Põlemiskeemiline reaktsioon
Võttes arvesse vesiniku ja hapniku põlemistemperatuuri küsimust, esitame seda protsessi kirjeldava keemilise reaktsiooni: 2H2 + O2=> 2H2O. See tähendab, et reaktsioonis osaleb 3 molekuli (kaks vesinikku ja üks hapnik) ning saadus on kaks veemolekuli. See reaktsioon kirjeldab põlemist keemilisest vaatenurgast ja võib otsustada, et pärast selle läbimist jääb järele ainult puhas vesi, mis ei saasta keskkonda, nagu toimub fossiilsete kütuste (bensiin, alkohol) põletamisel.
Teis alt on see reaktsioon eksotermiline, st lisaks veele eraldab see soojust, mida saab kasutada autode ja rakettide juhtimiseks, samuti selle ülekandmiseks teistele energiaallikatele, näiteks elektrienergiana.
Vesiniku põlemisprotsessi mehhanism
Kirjeldatud eelmiseslõigu keemiline reaktsioon on teada igale keskkooliõpilasele, kuid see on tegelikkuses toimuva protsessi väga ligikaudne kirjeldus. Pange tähele, et kuni eelmise sajandi keskpaigani ei teadnud inimkond, kuidas vesinik õhus põleb, ja 1956. aastal anti selle uurimise eest Nobeli keemiaauhind.
Tegelikult, kui O2 ja H2 molekulid põrkuvad, siis reaktsiooni ei toimu. Mõlemad molekulid on üsna stabiilsed. Põlemiseks ja vee tekkeks peavad eksisteerima vabad radikaalid. Eelkõige H, O aatomid ja OH rühmad. Järgnev on reaktsioonide jada, mis tegelikult toimuvad vesiniku põletamisel:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Mida te nendest reaktsioonidest näete? Vesiniku põlemisel tekib vesi, jah, see on õige, kuid see juhtub ainult siis, kui kahe OH aatomi rühm kohtub H2 molekuliga. Lisaks toimuvad kõik reaktsioonid vabade radikaalide moodustumisega, mis tähendab, et algab isesätev põlemisprotsess.
Nii et selle reaktsiooni käivitamise võti on radikaalide moodustumine. Need ilmuvad, kui lisate hapniku-vesiniku segule põleva tiku või kui kuumutate segu teatud temperatuurist kõrgemale.
Reaktsiooni algatamine
Nagu märgitud, on selleks kaks võimalust:
- Sädeme abil, mis peaks andma ainult 0,02 mJ soojust. See on väga väike energiaväärtus, võrdluseks oletame, et bensiinisegu sarnane väärtus on 0,24 mJ ja metaani puhul 0,29 mJ. Rõhu langedes suureneb reaktsiooni initsiatsioonienergia. Nii et 2 kPa juures on see juba 0,56 mJ. Igal juhul on need väga väikesed väärtused, seega peetakse vesiniku-hapniku segu väga tuleohtlikuks.
- Temperatuuri abil. See tähendab, et hapniku-vesiniku segu saab lihts alt kuumutada ja üle teatud temperatuuri süttib see ise. Millal see juhtub, sõltub rõhust ja gaaside protsendist. Laias kontsentratsioonivahemikus atmosfäärirõhul toimub isesüttimisreaktsioon temperatuuril üle 773–850 K, st üle 500–577 oC. Need on üsna kõrged väärtused võrreldes bensiiniseguga, mis hakkab iseeneslikult süttima juba temperatuuril alla 300 oC.
Gaaside protsent põlevas segus
Rääkides vesiniku põlemistemperatuurist õhus, tuleb märkida, et mitte kõik nende gaaside segud ei osale vaadeldavas protsessis. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et kui hapniku kogus on alla 6 mahuprotsendi või vesiniku kogus alla 4 mahuprotsendi, siis reaktsiooni ei toimu. Põlevsegu olemasolu piirid on aga üsna laiad. Õhu puhul võib vesiniku osakaal olla vahemikus 4,1% kuni 74,8%. Pange tähele, et ülemine väärtus vastab lihts alt hapniku nõutavale miinimumile.
Kuiarvestage puhta hapniku-vesiniku seguga, siis on siin piirid veelgi laiemad: 4, 1-94%.
Gaasi rõhu alandamine viib määratud piiride vähenemiseni (alumine piir tõuseb, ülemine langeb).
Samuti on oluline mõista, et vesiniku põlemisel õhus (hapnik) põhjustavad reaktsiooniproduktid (vesi) reaktiivide kontsentratsiooni vähenemist, mis võib viia keemilise protsessi lõppemiseni..
Põlemisohutus
See on tuleohtliku segu oluline omadus, kuna see võimaldab hinnata, kas reaktsioon kulgeb rahulikult ja on kontrollitav või on protsess plahvatusohtlik. Mis määrab põlemiskiiruse? Muidugi reaktiivide kontsentratsiooni, rõhu ja ka "seemne" energia hulga kohta.
Kahjuks on vesinik paljudes kontsentratsioonides võimeline plahvatuslikult põlema. Kirjanduses on toodud järgmised arvud: 18,5-59% vesinikku õhusegus. Veelgi enam, selle piiri servadel eraldub detonatsiooni tulemusena suurim energiakogus ruumalaühiku kohta.
Põlemise märkimisväärne olemus kujutab endast suurt probleemi selle reaktsiooni kasutamisel kontrollitud energiaallikana.
Põlemisreaktsiooni temperatuur
Nüüd jõuame otse vastuseni küsimusele, milline on madalaim vesiniku põlemistemperatuur. 19,6% H2 segu puhul on see 2321 K või 2048 oC. See tähendab, et vesiniku põlemistemperatuur õhus on kõrgem2000 oC (teiste kontsentratsioonide puhul võib see ulatuda 2500 oC) ja võrreldes bensiiniseguga on see tohutu näitaja (bensiini puhul umbes 800 oC). Kui põletate vesinikku puhtas hapnikus, on leegi temperatuur veelgi kõrgem (kuni 2800 oC).
Nii kõrge leegi temperatuur on selle reaktsiooni kasutamisel energiaallikana veel üks probleem, kuna praegu pole ühtegi sulamit, mis suudaks sellistes ekstreemsetes tingimustes pikka aega töötada.
Muidugi lahendab see probleem hästi läbimõeldud jahutussüsteemi kasutamisega kambris, kus toimub vesiniku põlemine.
Eraldunud soojushulk
Vesiniku põlemistemperatuuri küsimuse raames on huvitav esitada ka andmeid selle reaktsiooni käigus vabaneva energia hulga kohta. Põlevsegu erinevate tingimuste ja koostiste puhul saadi väärtused 119 MJ/kg kuni 141 MJ/kg. Et mõista, kui palju see on, märgime, et samasugune väärtus bensiinisegu puhul on umbes 40 MJ / kg.
Vesinikusegu energiasaagis on palju suurem kui bensiinil, mis on tohutu pluss selle kasutamisel sisepõlemismootorite kütusena. Samas pole ka siin kõik nii lihtne. See kõik on seotud vesiniku tihedusega, see on atmosfäärirõhul liiga madal. Niisiis, 1 m3 seda gaasi kaalub vaid 90 grammi. Kui põletada see 1 m3 H2, siis eraldub soojust umbes 10-11 MJ, mis on juba 4 korda vähem kui siis, kui põletab 1 kg bensiini (veidi üle 1 liitri).
Antud arvud näitavad, et vesiniku põlemisreaktsiooni kasutamiseks on vaja õppida seda gaasi hoidma kõrgsurveballoonides, mis juba tekitab lisaraskusi nii tehnoloogilises kui ka ohutuse mõttes.
Vesiniku põleva segu kasutamine tehnoloogias: probleemid
Peab kohe ütlema, et praegu on vesiniku põlevsegu mõnes inimtegevuse valdkonnas juba kasutusel. Näiteks kosmoserakettide lisakütusena, elektrienergia tootmise allikana, aga ka kaasaegsete autode eksperimentaalsetes mudelites. Selle rakenduse ulatus on aga fossiilkütustega võrreldes väike ja üldiselt on see eksperimentaalne. Selle põhjuseks ei ole mitte ainult raskused põlemisreaktsiooni enda kontrollimisel, vaid ka H2.
ladustamisel, transportimisel ja eraldamisel.
Vesinikku Maal puhtal kujul praktiliselt ei eksisteeri, seega tuleb seda saada erinevatest ühenditest. Näiteks veest. See on praegu üsna populaarne meetod, mille läbiviimiseks juhitakse elektrivool läbi H2O. Kogu probleem seisneb selles, et see kulutab rohkem energiat, kui H2.
põletamisel saada on
Teine oluline probleem on vesiniku transport ja ladustamine. Fakt on see, et see gaas suudab oma molekulide väiksuse tõttu "välja lennata" mis taheskonteinerid. Lisaks põhjustab sulamite metallvõre sattumine nende haprust. Seetõttu on kõige tõhusam viis H2 salvestamiseks kasutada süsinikuaatomeid, mis suudavad "tabamatu" gaasi kindl alt siduda.
Seega on vesiniku kasutamine kütusena enam-vähem suuremas mahus võimalik ainult siis, kui seda kasutatakse elektri "salvestina" (näiteks tuule- ja päikeseenergia muutmine vesinikuks vee elektrolüüsi abil) või kui õpite H2 kosmosest (kus seda on palju) Maale toimetama.
