Een van die dringende probleme is omgewingsbesoedeling en beperkte energiebronne van organiese oorsprong. 'n Belowende manier om hierdie probleme op te los, is om waterstof as 'n energiebron te gebruik. In die artikel sal ons die kwessie van waterstofverbranding, die temperatuur en chemie van hierdie proses oorweeg.
Wat is waterstof?
Voordat die vraag oorweeg word wat die verbrandingstemperatuur van waterstof is, is dit nodig om te onthou wat hierdie stof is.
Waterstof is die ligste chemiese element, wat slegs uit een proton en een elektron bestaan. Onder normale toestande (druk 1 atm., temperatuur 0 oC) is dit teenwoordig in die gasvormige toestand. Sy molekule (H2) word gevorm deur 2 atome van hierdie chemiese element. Waterstof is die 3de volopste element op ons planeet, en die 1ste in die heelal (ongeveer 90% van alle materie).
Waterstofgas (H2)reukloos, smaakloos en kleurloos. Dit is egter nie giftig nie, wanneer die inhoud daarvan in die atmosferiese lug 'n paar persent is, kan 'n persoon verstikking ervaar weens 'n gebrek aan suurstof.
Dit is eienaardig om daarop te let dat al die H2-molekules uit 'n chemiese oogpunt identies is, is hul fisiese eienskappe ietwat anders. Dit gaan alles oor die oriëntasie van die elektronspin (hulle is verantwoordelik vir die verskyning van 'n magnetiese moment), wat parallel en antiparallel kan wees, so 'n molekule word onderskeidelik orto- en parawaterstof genoem.
Verbranding chemiese reaksie
Oorweging van die vraag oor die verbrandingstemperatuur van waterstof met suurstof, bied ons 'n chemiese reaksie wat hierdie proses beskryf: 2H2 + O2=> 2H2O. Dit wil sê, 3 molekules neem deel aan die reaksie (twee waterstof en een suurstof), en die produk is twee watermolekules. Hierdie reaksie beskryf verbranding vanuit 'n chemiese oogpunt, en daar kan geoordeel word dat na die deurgang daarvan slegs suiwer water oorbly, wat nie die omgewing besoedel nie, soos wat tydens die verbranding van fossielbrandstowwe (petrol, alkohol) plaasvind.
Aan die ander kant is hierdie reaksie eksotermies, dit wil sê, benewens water, stel dit hitte vry wat gebruik kan word om motors en vuurpyle aan te dryf, asook om dit na ander energiebronne oor te dra, soos bv. as elektrisiteit.
Meganisme van die waterstofverbrandingsproses
Beskryf in die vorigeparagraaf chemiese reaksie is bekend aan enige hoërskoolleerling, maar dit is 'n baie rowwe beskrywing van die proses wat in werklikheid plaasvind. Let daarop dat die mensdom tot in die middel van die vorige eeu nie geweet het hoe waterstof in lug brand nie, en in 1956 is die Nobelprys in Chemie vir sy studie toegeken.
In werklikheid, as O2 en H2 molekules bots, sal geen reaksie plaasvind nie. Albei molekules is redelik stabiel. Vir verbranding en water om te vorm, moet vrye radikale bestaan. In die besonder, H, O-atome en OH-groepe. Die volgende is 'n volgorde van reaksies wat werklik plaasvind wanneer waterstof verbrand word:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Wat sien jy uit hierdie reaksies? Wanneer waterstof brand, word water gevorm, ja, dit is reg, maar dit gebeur net wanneer 'n groep van twee OH-atome 'n H2-molekule ontmoet. Boonop vind alle reaksies plaas met die vorming van vrye radikale, wat beteken dat die proses van selfonderhoudende verbranding begin.
Die sleutel om hierdie reaksie te begin is dus die vorming van radikale. Hulle verskyn as jy 'n brandende vuurhoutjie na 'n suurstof-waterstofmengsel bring, of as jy hierdie mengsel bo 'n sekere temperatuur verhit.
Inisieer reaksie
Soos opgemerk, is daar twee maniere om dit te doen:
- Met die hulp van 'n vonk wat slegs 0 moet verskaf,02 mJ hitte. Dit is 'n baie klein energiewaarde, ter vergelyking, kom ons sê dat die soortgelyke waarde vir 'n petrolmengsel 0,24 mJ is, en vir metaan - 0,29 mJ. Soos die druk afneem, neem die reaksie-aanvangsenergie toe. Dus, by 2 kPa, is dit reeds 0,56 mJ. Dit is in elk geval baie klein waardes, so die waterstof-suurstofmengsel word as hoogs vlambaar beskou.
- Met behulp van temperatuur. Dit wil sê, die suurstof-waterstofmengsel kan eenvoudig verhit word, en bo 'n sekere temperatuur sal dit self aan die brand steek. Wanneer dit gebeur, hang af van die druk en persentasie gasse. In 'n wye reeks konsentrasies by atmosferiese druk vind die spontane ontbrandingsreaksie plaas by temperature bo 773-850 K, dit wil sê bo 500-577 oC. Dit is redelik hoë waardes in vergelyking met 'n petrolmengsel, wat reeds by temperature onder 300 spontaan begin ontbrand oC.
Persentasie gasse in die brandbare mengsel
Praat oor die temperatuur van waterstofverbranding in lug, moet daarop gelet word dat nie elke mengsel van hierdie gasse in die proses onder oorweging sal ingaan nie. Daar is eksperimenteel vasgestel dat indien die hoeveelheid suurstof minder as 6% per volume is, of as die hoeveelheid waterstof minder as 4% per volume is, geen reaksie sal plaasvind nie. Die grense van die bestaan van 'n brandbare mengsel is egter redelik wyd. Vir lug kan die persentasie waterstof wissel van 4,1% tot 74,8%. Let daarop dat die boonste waarde net ooreenstem met die vereiste minimum vir suurstof.
Ifoorweeg 'n suiwer suurstof-waterstofmengsel, dan is die perke hier nog wyer: 4, 1-94%.
Vermindering van die druk van gasse lei tot 'n verlaging in die gespesifiseerde limiete (die onderste limiet styg, die boonste een daal).
Dit is ook belangrik om te verstaan dat tydens die verbranding van waterstof in lug (suurstof), die gevolglike reaksieprodukte (water) lei tot 'n afname in die konsentrasie van reagense, wat kan lei tot die beëindiging van die chemiese proses.
Verbrandingsveiligheid
Dit is 'n belangrike eienskap van 'n vlambare mengsel, want dit laat jou toe om te oordeel of die reaksie kalm is en beheer kan word, of die proses plofbaar is. Wat bepaal die brandtempo? Natuurlik op die konsentrasie van reagense, op druk, en ook op die hoeveelheid energie van die "saad".
Ongelukkig is waterstof in 'n wye reeks konsentrasies in staat tot plofbare verbranding. Die volgende syfers word in die literatuur gegee: 18,5-59% waterstof in die lugmengsel. Boonop word aan die rande van hierdie limiet, as gevolg van ontploffing, die grootste hoeveelheid energie per volume-eenheid vrygestel.
Die merkbare aard van verbranding bied 'n groot probleem vir die gebruik van hierdie reaksie as 'n beheerde bron van energie.
Verbrandingsreaksietemperatuur
Nou kom ons direk by die antwoord op die vraag, wat is die laagste temperatuur van waterstofverbranding. Dit is 2321 K of 2048 oC vir 'n mengsel met 19,6% H2. Dit wil sê, die verbrandingstemperatuur van waterstof in lug is hoër2000 oC (vir ander konsentrasies kan dit 2500 oC bereik), en in vergelyking met 'n petrolmengsel is dit 'n groot syfer (vir petrol ongeveer 800 oC). As jy waterstof in suiwer suurstof verbrand, sal die vlamtemperatuur selfs hoër wees (tot 2800 oC).
So 'n hoë vlamtemperatuur bied nog 'n probleem om hierdie reaksie as 'n energiebron te gebruik, aangesien daar tans geen legerings is wat vir 'n lang tyd in sulke uiterste toestande kan werk nie.
Natuurlik word hierdie probleem opgelos deur 'n goed ontwerpte verkoelingstelsel te gebruik vir die kamer waar waterstofverbranding plaasvind.
Hoeveelheid hitte vrygestel
As deel van die vraag na die verbrandingstemperatuur van waterstof, is dit ook interessant om data te verskaf oor die hoeveelheid energie wat tydens hierdie reaksie vrygestel word. Vir verskillende toestande en samestellings van die brandbare mengsel is waardes van 119 MJ/kg tot 141 MJ/kg verkry. Om te verstaan hoeveel dit is, let ons daarop dat 'n soortgelyke waarde vir 'n petrolmengsel ongeveer 40 MJ / kg is.
Die energie-opbrengs van 'n waterstofmengsel is baie hoër as vir petrol, wat 'n groot pluspunt is vir die gebruik daarvan as brandstof vir binnebrandenjins. Alles is egter ook nie hier so eenvoudig nie. Dit gaan alles oor die digtheid van waterstof, dit is te laag by atmosferiese druk. Dus, 1 m3 van hierdie gas weeg slegs 90 gram. As jy hierdie 1 m3 H2 verbrand, sal ongeveer 10-11 MJ hitte vrygestel word, wat reeds 4 keer minder is as wanneer brand 1 kg petrol (net meer as 1 liter).
Die gegewe syfers dui aan dat om die waterstofverbrandingsreaksie te gebruik, dit nodig is om te leer hoe om hierdie gas in hoëdruksilinders te berg, wat reeds bykomende probleme skep, beide in terme van tegnologie en veiligheid.
Die gebruik van 'n waterstofbrandbare mengsel in tegnologie: probleme
Daar moet dadelik gesê word dat die waterstof-brandbare mengsel tans reeds in sommige areas van menslike aktiwiteit gebruik word. Byvoorbeeld, as 'n bykomende brandstof vir ruimtevuurpyle, as bronne vir die opwekking van elektriese energie, sowel as in eksperimentele modelle van moderne motors. Die skaal van hierdie toepassing is egter min in vergelyking met dié van fossielbrandstowwe en is oor die algemeen eksperimenteel van aard. Die rede hiervoor is nie net die moeilikheid om die verbrandingsreaksie self te beheer nie, maar ook in die berging, vervoer en onttrekking van H2.
Waterstof op Aarde bestaan feitlik nie in sy suiwer vorm nie, dus moet dit uit verskeie verbindings verkry word. Byvoorbeeld, van water. Dit is tans 'n redelik gewilde metode wat uitgevoer word deur 'n elektriese stroom deur H2O te laat loop. Die hele probleem is dat dit meer energie verbruik as wat dan verkry kan word deur H2 te verbrand.
Nog 'n belangrike probleem is die vervoer en berging van waterstof. Die feit is dat hierdie gas, as gevolg van die klein grootte van sy molekules, in staat is om te "uitvlieg" van enigehouers. Daarbenewens, om in die metaalrooster van legerings te kom, veroorsaak dit hul brosheid. Daarom is die mees doeltreffende manier om H2 te stoor om koolstofatome te gebruik wat die "ontwykende" gas stewig kan bind.
Daarom is die gebruik van waterstof as brandstof op min of meer groot skaal slegs moontlik as dit as 'n "berging" van elektrisiteit gebruik word (byvoorbeeld om wind- en sonenergie in waterstof om te skakel deur waterelektrolise), of as jy leer lewer H2 van die ruimte af (waar daar baie daarvan is) na die aarde.
