Una dintre problemele urgente este poluarea mediului și resursele energetice limitate de origine organică. O modalitate promițătoare de a rezolva aceste probleme este utilizarea hidrogenului ca sursă de energie. În articol vom lua în considerare problema arderii hidrogenului, temperatura și chimia acestui proces.
Ce este hidrogenul?
Înainte de a lua în considerare întrebarea care este temperatura de ardere a hidrogenului, este necesar să ne amintim care este această substanță.
Hidrogenul este cel mai ușor element chimic, format dintr-un singur proton și un electron. În condiții normale (presiune 1 atm., temperatură 0 oC) este prezent în stare gazoasă. Molecula sa (H2) este formată din 2 atomi ai acestui element chimic. Hidrogenul este al treilea element cel mai abundent de pe planeta noastră și primul din Univers (aproximativ 90% din toată materia).
Hidrogen gazos (H2)inodor, insipid și incolor. Cu toate acestea, nu este toxic, atunci când conținutul său în aerul atmosferic este de câteva procente, atunci o persoană poate experimenta sufocare din cauza lipsei de oxigen.
Este curios de observat că, deși din punct de vedere chimic, toate moleculele H2 sunt identice, proprietățile lor fizice sunt oarecum diferite. Totul ține de orientarea spinurilor electronilor (aceștia sunt responsabili de apariția unui moment magnetic), care pot fi paralele și antiparalele, o astfel de moleculă se numește orto- și, respectiv, parahidrogen.
Reacție chimică de ardere
Avand in vedere problema temperaturii de ardere a hidrogenului cu oxigenul, prezentam o reactie chimica care descrie acest proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Adică, 3 molecule participă la reacție (două hidrogen și unul oxigen), iar produsul este două molecule de apă. Această reacție descrie arderea din punct de vedere chimic și se poate aprecia că după trecerea ei rămâne doar apă pură, care nu poluează mediul, așa cum se întâmplă în timpul arderii combustibililor fosili (benzină, alcool).
Pe de altă parte, această reacție este exotermă, adică, pe lângă apă, eliberează o cantitate de căldură care poate fi folosită pentru a conduce mașini și rachete, precum și pentru a o transfera către alte surse de energie, cum ar fi ca energie electrică.
Mecanismul procesului de ardere a hidrogenului
Descris în precedentulparagraf reacția chimică este cunoscută oricărui elev de liceu, dar este o descriere foarte grosieră a procesului care are loc în realitate. Rețineți că până la jumătatea secolului trecut, omenirea nu știa cum arde hidrogenul în aer, iar în 1956 a fost acordat Premiul Nobel pentru Chimie pentru studiul său.
De fapt, dacă moleculele O2 și H2 se ciocnesc, nu va avea loc nicio reacție. Ambele molecule sunt destul de stabile. Pentru ca arderea să aibă loc și să se formeze apa, trebuie să existe radicali liberi. În special, atomi de H, O și grupări OH. Următoarea este o secvență de reacții care apar de fapt atunci când hidrogenul este ars:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Ce vezi din aceste reacții? Când hidrogenul arde, se formează apă, da, așa este, dar se întâmplă doar atunci când un grup de doi atomi de OH întâlnește o moleculă H2. În plus, toate reacțiile apar cu formarea de radicali liberi, ceea ce înseamnă că începe procesul de ardere autosusținută.
Deci, cheia începerii acestei reacții este formarea de radicali. Acestea apar dacă aduci un chibrit arzător într-un amestec de oxigen-hidrogen sau dacă încălziți acest amestec peste o anumită temperatură.
Reacția de inițiere
După cum sa menționat, există două moduri de a face acest lucru:
- Cu ajutorul unei scântei care ar trebui să furnizeze doar 0,02 mJ de căldură. Aceasta este o valoare energetică foarte mică, pentru comparație, să spunem că valoarea similară pentru un amestec de benzină este de 0,24 mJ, iar pentru metan - 0,29 mJ. Pe măsură ce presiunea scade, energia de inițiere a reacției crește. Deci, la 2 kPa, este deja 0,56 mJ. În orice caz, acestea sunt valori foarte mici, astfel încât amestecul hidrogen-oxigen este considerat foarte inflamabil.
- Cu ajutorul temperaturii. Adică, amestecul de oxigen-hidrogen poate fi pur și simplu încălzit, iar peste o anumită temperatură se va aprinde singur. Când se întâmplă acest lucru depinde de presiunea și procentul de gaze. Într-o gamă largă de concentrații la presiunea atmosferică, reacția de ardere spontană are loc la temperaturi peste 773-850 K, adică peste 500-577 oC. Acestea sunt valori destul de mari în comparație cu un amestec de benzină, care începe să se aprindă spontan deja la temperaturi sub 300 oC.
Procentul de gaze din amestecul combustibil
Vorbind despre temperatura de ardere a hidrogenului în aer, trebuie remarcat că nu orice amestec al acestor gaze va intra în procesul luat în considerare. S-a stabilit experimental că, dacă cantitatea de oxigen este mai mică de 6% în volum, sau dacă cantitatea de hidrogen este mai mică de 4% în volum, atunci nu va avea loc nicio reacție. Totuși, limitele existenței unui amestec combustibil sunt destul de largi. Pentru aer, procentul de hidrogen poate varia de la 4,1% la 74,8%. Rețineți că valoarea superioară corespunde doar cu minimul necesar pentru oxigen.
Dacăluați în considerare un amestec pur oxigen-hidrogen, atunci limitele sunt și mai largi aici: 4, 1-94%.
Reducerea presiunii gazelor duce la o reducere a limitelor specificate (limita inferioară crește, cea superioară scade).
De asemenea, este important de înțeles că în timpul arderii hidrogenului în aer (oxigen), produșii de reacție rezultați (apa) duc la o scădere a concentrației de reactivi, ceea ce poate duce la terminarea procesului chimic..
Siguranța la ardere
Aceasta este o caracteristică importantă a unui amestec inflamabil, deoarece îți permite să judeci dacă reacția este calmă și poate fi controlată, sau procesul este exploziv. Ce determină viteza de ardere? Desigur, asupra concentrației de reactivi, asupra presiunii și, de asemenea, asupra cantității de energie a „sămânței”.
Din păcate, hidrogenul într-o gamă largă de concentrații este capabil de ardere explozivă. Următoarele cifre sunt date în literatură: 18,5-59% hidrogen în amestecul de aer. Mai mult, la marginile acestei limite, ca urmare a detonării, se eliberează cea mai mare cantitate de energie pe unitatea de volum.
Natura marcată a arderii prezintă o mare problemă pentru utilizarea acestei reacții ca sursă controlată de energie.
Temperatura reacției de ardere
Acum ajungem direct la răspunsul la întrebarea, care este temperatura cea mai scăzută de ardere a hidrogenului. Este 2321 K sau 2048 oC pentru un amestec cu 19,6% H2. Adică, temperatura de ardere a hidrogenului în aer este mai mare2000 oC (pentru alte concentrații poate ajunge la 2500 oC), iar în comparație cu un amestec de benzină, aceasta este o cifră uriașă (pentru benzină aproximativ 800 oC). Dacă ardeți hidrogen în oxigen pur, temperatura flăcării va fi și mai mare (până la 2800 oC).
O temperatură atât de ridicată a flăcării prezintă o altă problemă în utilizarea acestei reacții ca sursă de energie, deoarece în prezent nu există aliaje care să poată funcționa mult timp în condiții atât de extreme.
Desigur, această problemă este rezolvată prin utilizarea unui sistem de răcire bine conceput pentru camera în care are loc arderea hidrogenului.
Cantitatea de căldură eliberată
Ca parte a problemei temperaturii de ardere a hidrogenului, este, de asemenea, interesant să se furnizeze date despre cantitatea de energie care este eliberată în timpul acestei reacții. Pentru diferite condiții și compoziții ale amestecului combustibil s-au obținut valori de la 119 MJ/kg până la 141 MJ/kg. Pentru a înțelege cât de mult este aceasta, observăm că o valoare similară pentru un amestec de benzină este de aproximativ 40 MJ/kg.
Randamentul energetic al unui amestec de hidrogen este mult mai mare decât al benzinei, ceea ce reprezintă un avantaj enorm pentru utilizarea sa ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă. Cu toate acestea, nici aici nu totul este atât de simplu. Totul ține de densitatea hidrogenului, este prea scăzută la presiunea atmosferică. Deci, 1 m3 din acest gaz cântărește doar 90 de grame. Dacă ardeți acest 1 m3 H2, atunci se vor elibera aproximativ 10-11 MJ de căldură, ceea ce este deja de 4 ori mai puțin decât atunci când arderea a 1 kg de benzină (puțin peste 1 litru).
Cifrele date indică faptul că pentru a utiliza reacția de ardere a hidrogenului este necesar să înveți cum să depozitezi acest gaz în butelii de în altă presiune, ceea ce creează deja dificultăți suplimentare, atât din punct de vedere tehnologic, cât și din punct de vedere al siguranței.
Utilizarea unui amestec combustibil cu hidrogen în tehnologie: probleme
Trebuie spus imediat că în prezent amestecul combustibil cu hidrogen este deja folosit în unele domenii ale activității umane. De exemplu, ca combustibil suplimentar pentru rachetele spațiale, ca surse pentru generarea de energie electrică, precum și în modelele experimentale de mașini moderne. Cu toate acestea, amploarea acestei aplicații este minusculă în comparație cu cea a combustibililor fosili și este în general de natură experimentală. Motivul pentru aceasta nu este doar dificultatea de a controla reacția de ardere în sine, ci și în stocarea, transportul și extracția H2.
Hidrogenul de pe Pământ practic nu există în forma sa pură, așa că trebuie obținut din diverși compuși. De exemplu, din apă. Aceasta este o metodă destul de populară în prezent, care se realizează prin trecerea unui curent electric prin H2O. Întreaga problemă este că aceasta consumă mai multă energie decât se poate obține prin arderea H2.
O altă problemă importantă este transportul și stocarea hidrogenului. Faptul este că acest gaz, datorită dimensiunii mici a moleculelor sale, este capabil să „zboare” din oricecontainere. În plus, pătrunzând în rețeaua metalică a aliajelor, provoacă fragilizarea acestora. Prin urmare, cel mai eficient mod de a stoca H2 este utilizarea atomilor de carbon care pot lega ferm gazul „evaziv”.
Astfel, utilizarea hidrogenului ca combustibil la scară mai mult sau mai puțin mare este posibilă numai dacă este folosit ca „depozitare” a energiei electrice (de exemplu, conversia energiei eoliene și solare în hidrogen folosind electroliza apei), sau dacă învățați să livrați H2 din spațiu (unde este mult) pe Pământ.
