Един от спешните проблеми е замърсяването на околната среда и ограничените енергийни ресурси от органичен произход. Обещаващ начин за решаване на тези проблеми е използването на водород като енергиен източник. В статията ще разгледаме въпроса за горенето на водорода, температурата и химията на този процес.
Какво е водород?
Преди да разгледаме въпроса каква е температурата на горене на водорода, е необходимо да си спомним какво е това вещество.
Водородът е най-лекият химичен елемент, състоящ се само от един протон и един електрон. При нормални условия (налягане 1 атм., температура 0 oC) присъства в газообразно състояние. Неговата молекула (H2) е образувана от 2 атома на този химичен елемент. Водородът е третият най-разпространен елемент на нашата планета и първият във Вселената (около 90% от цялата материя).
Водород (H2)без мирис, вкус и цвят. Не е токсичен обаче, когато съдържанието му в атмосферния въздух е няколко процента, тогава човек може да получи задушаване поради липса на кислород.
Любопитно е да се отбележи, че макар от химическа гледна точка, всички молекули H2 са идентични, техните физически свойства са малко по-различни. Всичко е за ориентацията на завъртанията на електроните (те са отговорни за появата на магнитен момент), които могат да бъдат успоредни и антипаралелни, такава молекула се нарича съответно орто- и параводород.
Химична реакция на горене
Разглеждайки въпроса за температурата на горене на водорода с кислород, ние представяме химическа реакция, която описва този процес: 2H2 + O2=> 2H2O. Тоест в реакцията участват 3 молекули (два водорода и един кислород), а продуктът е две водни молекули. Тази реакция описва горенето от химическа гледна точка и може да се прецени, че след преминаването й остава само чиста вода, която не замърсява околната среда, както се случва при изгарянето на изкопаеми горива (бензин, алкохол).
От друга страна, тази реакция е екзотермична, тоест освен вода отделя малко топлина, която може да се използва за задвижване на автомобили и ракети, както и за прехвърлянето й към други източници на енергия, напр. като електричество.
Механизъм на процеса на горене на водород
Описано в предишнияпараграф химична реакция е известна на всеки ученик в гимназията, но това е много грубо описание на процеса, който се случва в действителност. Забележете, че до средата на миналия век човечеството не е знаело как водородът гори във въздуха и през 1956 г. е присъдена Нобелова награда за химия за неговото изследване.
Всъщност, ако O2 и H2 молекули се сблъскат, няма да настъпи реакция. И двете молекули са доста стабилни. За да се получи горене и да се образува вода, трябва да съществуват свободни радикали. По-специално, Н, О атоми и ОН групи. Следва последователност от реакции, които действително възникват при изгаряне на водорода:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Какво виждате от тези реакции? Когато водородът гори, се образува вода, да, така е, но това се случва само когато група от два ОН атома срещнат H2 молекула. Освен това всички реакции протичат с образуването на свободни радикали, което означава, че започва процесът на самоподдържащо се горене.
Така че ключът към започването на тази реакция е образуването на радикали. Те се появяват, ако поставите горяща клечка в кислородно-водородна смес или ако загреете тази смес над определена температура.
Иницииране на реакция
Както беше отбелязано, има два начина да направите това:
- С помощта на искра, която трябва да осигури само 0,02 mJ топлина. Това е много малка енергийна стойност, за сравнение, да кажем, че подобна стойност за бензинова смес е 0,24 mJ, а за метан - 0,29 mJ. С понижаване на налягането енергията на иницииране на реакцията се увеличава. Така че при 2 kPa вече е 0,56 mJ. Във всеки случай това са много малки стойности, така че сместа водород-кислород се счита за силно запалима.
- С помощта на температурата. Тоест кислородно-водородната смес може просто да се нагрее и над определена температура ще се самозапали. Кога това се случи зависи от налягането и процента на газовете. В широк диапазон от концентрации при атмосферно налягане реакцията на спонтанно горене протича при температури над 773-850 K, тоест над 500-577 oC. Това са доста високи стойности в сравнение с бензинова смес, която започва спонтанно да се запалва вече при температури под 300 oC.
Процент на газовете в горимата смес
Говорейки за температурата на горене на водорода във въздуха, трябва да се отбележи, че не всяка смес от тези газове ще влезе в разглеждания процес. Експериментално е установено, че ако количеството кислород е по-малко от 6 обемни процента или ако количеството водород е по-малко от 4 обемни процента, тогава няма да настъпи реакция. Въпреки това, границите на съществуването на горима смес са доста широки. За въздуха процентът на водород може да варира от 4,1% до 74,8%. Имайте предвид, че горната стойност просто съответства на необходимия минимум за кислород.
Акопомислете за чиста кислородно-водородна смес, тогава границите са още по-широки тук: 4, 1-94%.
Намаляването на налягането на газовете води до намаляване на определените граници (долната граница се повишава, горната спада).
Важно е също да се разбере, че по време на изгарянето на водород във въздуха (кислород), получените реакционни продукти (вода) водят до намаляване на концентрацията на реагентите, което може да доведе до прекратяване на химичния процес.
Безопасност при горене
Това е важна характеристика на запалимата смес, защото ви позволява да прецените дали реакцията е спокойна и може да бъде контролирана, или процесът е експлозивен. Какво определя скоростта на изгаряне? Разбира се, от концентрацията на реагентите, от налягането, а също и от количеството енергия на "семената".
За съжаление, водородът в широк диапазон от концентрации е способен на експлозивно изгаряне. В литературата са дадени следните цифри: 18,5-59% водород във въздушната смес. Освен това, в ръбовете на тази граница, в резултат на детонация, се освобождава най-голямото количество енергия на единица обем.
Изразеният характер на горенето представлява голям проблем за използването на тази реакция като контролиран източник на енергия.
Температура на реакция на горене
Сега стигаме директно до отговора на въпроса каква е най-ниската температура на горене на водорода. Това е 2321 K или 2048 oC за смес с 19,6% H2. Тоест температурата на горене на водорода във въздуха е по-висока2000 oC (за други концентрации може да достигне 2500 oC) и в сравнение с бензинова смес, това е огромна цифра (за бензин около 800 oC). Ако горите водород в чист кислород, температурата на пламъка ще бъде още по-висока (до 2800 oC).
Такова висока температура на пламъка представлява друг проблем при използването на тази реакция като източник на енергия, тъй като в момента няма сплави, които могат да работят дълго време при такива екстремни условия.
Разбира се, този проблем се решава чрез използване на добре проектирана охладителна система за камерата, където се извършва горене на водород.
Количество отделена топлина
Като част от въпроса за температурата на горене на водорода, също е интересно да се предоставят данни за количеството енергия, което се освобождава по време на тази реакция. За различни условия и състави на горимата смес са получени стойности от 119 MJ/kg до 141 MJ/kg. За да разберем колко е това, отбелязваме, че подобна стойност за бензинова смес е около 40 MJ / kg.
Енергийният добив на водородната смес е много по-висок, отколкото при бензина, което е огромен плюс за използването му като гориво за двигатели с вътрешно горене. И тук обаче не всичко е толкова просто. Всичко е свързано с плътността на водорода, тя е твърде ниска при атмосферно налягане. И така, 1 m3 от този газ тежи само 90 грама. Ако изгорите този 1 m3 H2, тогава ще се отделят около 10-11 MJ топлина, което вече е 4 пъти по-малко, отколкото когато изгаряне на 1 кг бензин (малко над 1 литър).
Дадените цифри показват, че за да се използва реакцията на горене на водород, е необходимо да се научите как да съхранявате този газ в бутилки с високо налягане, което вече създава допълнителни трудности, както по отношение на технологията, така и по отношение на безопасността.
Използването на водородна горима смес в технологията: проблеми
Веднага трябва да се каже, че в момента горимата водородна смес вече се използва в някои области на човешката дейност. Например като допълнително гориво за космически ракети, като източници за генериране на електрическа енергия, както и в експериментални модели на съвременни автомобили. Въпреки това, мащабът на това приложение е минимален в сравнение с този на изкопаемите горива и като цяло е експериментален. Причината за това е не само трудността при контролирането на самата реакция на горене, но и при съхранението, транспортирането и извличането на H2.
Водородът на Земята практически не съществува в чиста форма, така че трябва да се получава от различни съединения. Например от вода. Това е доста популярен метод в момента, който се осъществява чрез преминаване на електрически ток през H2O. Целият проблем е, че това консумира повече енергия, отколкото може да се получи чрез изгаряне на H2.
Друг важен проблем е транспортирането и съхранението на водорода. Факт е, че този газ, поради малкия размер на молекулите си, е в състояние да "излети" от всекиконтейнери. Освен това, попадайки в металната решетка на сплавите, това причинява тяхното крехкост. Следователно, най-ефективният начин за съхраняване на H2 е да се използват въглеродни атоми, които могат здраво да свържат "неуловимия" газ.
По този начин използването на водород като гориво в повече или по-малко голям мащаб е възможно само ако се използва като "съхранение" на електричество (например преобразуване на вятърна и слънчева енергия във водород с помощта на водна електролиза), или ако се научите да доставяте H2 от космоса (където има много от него) на Земята.
