Viena no aktuālajām problēmām ir vides piesārņojums un ierobežotie organiskās izcelsmes energoresursi. Daudzsološs veids, kā atrisināt šīs problēmas, ir izmantot ūdeņradi kā enerģijas avotu. Rakstā aplūkosim jautājumu par ūdeņraža sadegšanu, šī procesa temperatūru un ķīmiju.
Kas ir ūdeņradis?
Pirms izskatīt jautājumu par to, kāda ir ūdeņraža sadegšanas temperatūra, jāatceras, kas ir šī viela.
Ūdeņradis ir vieglākais ķīmiskais elements, kas sastāv tikai no viena protona un viena elektrona. Normālos apstākļos (spiediens 1 atm., temperatūra 0 oC) tas atrodas gāzveida stāvoklī. Tās molekulu (H2) veido 2 šī ķīmiskā elementa atomi. Ūdeņradis ir trešais visbiežāk sastopamais elements uz mūsu planētas un pirmais Visumā (apmēram 90% no visas vielas).
Ūdeņraža gāze (H2)bez smaržas, bez garšas un bezkrāsas. Tas nav toksisks, taču, ja tā saturs atmosfēras gaisā ir daži procenti, cilvēks var piedzīvot nosmakšanu skābekļa trūkuma dēļ.
Ir interesanti atzīmēt, ka, lai gan no ķīmiskā viedokļa visas H2 molekulas ir identiskas, to fizikālās īpašības ir nedaudz atšķirīgas. Tas viss ir par elektronu spinu orientāciju (tie ir atbildīgi par magnētiskā momenta parādīšanos), kas var būt paralēli un antiparalēli, šādu molekulu sauc attiecīgi par orto- un paraūdeņradi.
Sadegšanas ķīmiskā reakcija
Ņemot vērā jautājumu par ūdeņraža sadegšanas temperatūru ar skābekli, mēs piedāvājam ķīmisku reakciju, kas apraksta šo procesu: 2H2 + O2=> 2H2O. Tas ir, reakcijā piedalās 3 molekulas (divas ūdeņraža un viena skābekļa), un produkts ir divas ūdens molekulas. Šī reakcija raksturo degšanu no ķīmiskā viedokļa, un var spriest, ka pēc tās caurbraukšanas paliek tikai tīrs ūdens, kas nepiesārņo vidi, kā tas notiek fosilā kurināmā (benzīna, spirta) sadegšanas laikā.
No otras puses, šī reakcija ir eksotermiska, tas ir, papildus ūdenim, tā izdala daļu siltuma, ko var izmantot, lai vadītu automašīnas un raķetes, kā arī nodotu to citiem enerģijas avotiem, piemēram, kā elektrība.
Ūdeņraža sadegšanas procesa mehānisms
Aprakstīts iepriekšējārindkopas ķīmisko reakciju zina ikviens vidusskolnieks, taču tas ir ļoti aptuvens apraksts par procesu, kas notiek patiesībā. Ņemiet vērā, ka līdz pagājušā gadsimta vidum cilvēce nezināja, kā ūdeņradis deg gaisā, un 1956. gadā par tā izpēti tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.
Patiesībā, ja O2 un H2 molekulas saduras, reakcija nenotiks. Abas molekulas ir diezgan stabilas. Lai notiktu sadegšana un veidojas ūdens, ir jābūt brīvajiem radikāļiem. Jo īpaši H, O atomi un OH grupas. Tālāk ir norādīta reakciju secība, kas faktiski notiek, sadedzinot ūdeņradi:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Ko jūs redzat no šīm reakcijām? Ūdeņradim degot veidojas ūdens, jā, tas ir pareizi, bet tas notiek tikai tad, kad divu OH atomu grupa satiekas ar H2 molekulu. Turklāt visas reakcijas notiek ar brīvo radikāļu veidošanos, kas nozīmē, ka sākas pašpietiekamas sadegšanas process.
Tātad šīs reakcijas sākšanas atslēga ir radikāļu veidošanās. Tie parādās, ja pievienojat degošu sērkociņu skābekļa un ūdeņraža maisījumam vai ja karsējat šo maisījumu virs noteiktas temperatūras.
Sākot reakciju
Kā minēts, ir divi veidi, kā to izdarīt:
- Ar dzirksteles palīdzību, kurai vajadzētu nodrošināt tikai 0,02 mJ siltuma. Šī ir ļoti maza enerģētiskā vērtība, salīdzinājumam, pieņemsim, ka līdzīga vērtība benzīna maisījumam ir 0,24 mJ, bet metānam - 0,29 mJ. Samazinoties spiedienam, palielinās reakcijas ierosināšanas enerģija. Tātad pie 2 kPa tas jau ir 0,56 mJ. Jebkurā gadījumā tās ir ļoti mazas vērtības, tāpēc ūdeņraža un skābekļa maisījums tiek uzskatīts par viegli uzliesmojošu.
- Ar temperatūras palīdzību. Tas ir, skābekļa-ūdeņraža maisījumu var vienkārši uzkarsēt, un virs noteiktas temperatūras tas pats aizdegsies. Kad tas notiek, ir atkarīgs no spiediena un gāzu procentuālā daudzuma. Plašā koncentrāciju diapazonā pie atmosfēras spiediena spontānas sadegšanas reakcija notiek temperatūrā virs 773-850 K, tas ir, virs 500-577 oC. Tās ir diezgan augstas vērtības, salīdzinot ar benzīna maisījumu, kas sāk spontāni aizdegties jau pie temperatūras zem 300 oC.
Gāzu procentuālais daudzums degmaisījumā
Runājot par ūdeņraža sadegšanas temperatūru gaisā, jāatzīmē, ka ne katrs šo gāzu maisījums nonāks aplūkojamā procesā. Eksperimentāli ir noskaidrots, ka, ja skābekļa daudzums ir mazāks par 6 tilpumprocentiem vai ja ūdeņraža daudzums ir mazāks par 4 tilpumprocentiem, reakcija nenotiks. Tomēr degmaisījuma pastāvēšanas robežas ir diezgan plašas. Gaisa gadījumā ūdeņraža procentuālais daudzums var svārstīties no 4,1% līdz 74,8%. Ņemiet vērā, ka augšējā vērtība tikai atbilst nepieciešamajam skābekļa minimumam.
Jaapsveriet tīru skābekļa-ūdeņraža maisījumu, tad šeit robežas ir vēl plašākas: 4, 1-94%.
Gāzu spiediena samazināšana noved pie noteikto robežu samazināšanās (apakšējā robeža paaugstinās, augšējā pazeminās).
Svarīgi ir arī saprast, ka ūdeņraža sadegšanas laikā gaisā (skābeklī) radušies reakcijas produkti (ūdens) izraisa reaģentu koncentrācijas samazināšanos, kas var izraisīt ķīmiskā procesa pārtraukšanu..
Sadegšanas drošība
Šī ir svarīga degoša maisījuma īpašība, jo ļauj spriest, vai reakcija ir mierīga un kontrolējama, vai process ir sprādzienbīstams. Kas nosaka degšanas ātrumu? Protams, uz reaģentu koncentrāciju, spiedienu un arī "sēklas" enerģijas daudzumu.
Diemžēl ūdeņradis plašā koncentrāciju diapazonā var sprādzienbīstami sadegt. Literatūrā ir norādīti šādi skaitļi: 18,5-59% ūdeņraža gaisa maisījumā. Turklāt šīs robežas malās detonācijas rezultātā izdalās lielākais enerģijas daudzums uz tilpuma vienību.
Izteiktais sadegšanas raksturs rada lielas problēmas, izmantojot šo reakciju kā kontrolētu enerģijas avotu.
Sadegšanas reakcijas temperatūra
Tagad mēs nonākam tieši pie atbildes uz jautājumu, kāda ir zemākā ūdeņraža sadegšanas temperatūra. Tas ir 2321 K vai 2048 oC maisījumam ar 19,6% H2. Tas ir, ūdeņraža sadegšanas temperatūra gaisā ir augstāka2000 oC (citām koncentrācijām tas var sasniegt 2500 oC), un, salīdzinot ar benzīna maisījumu, tas ir milzīgs rādītājs (benzīnam aptuveni 800 oC). Ja ūdeņradi sadedzinat tīrā skābeklī, liesmas temperatūra būs vēl augstāka (līdz 2800 oC).
Tik augsta liesmas temperatūra rada vēl vienu problēmu, izmantojot šo reakciju kā enerģijas avotu, jo pašlaik nav neviena sakausējuma, kas varētu ilgstoši darboties šādos ekstremālos apstākļos.
Protams, šī problēma tiek atrisināta, izmantojot labi izstrādātu dzesēšanas sistēmu kamerai, kurā notiek ūdeņraža sadegšana.
Izdalītā siltuma daudzums
Saistībā ar jautājumu par ūdeņraža sadegšanas temperatūru interesanti ir arī sniegt datus par enerģijas daudzumu, kas izdalās šīs reakcijas laikā. Dažādiem degmaisījuma apstākļiem un sastāviem tika iegūtas vērtības no 119 MJ/kg līdz 141 MJ/kg. Lai saprastu, cik tas ir, ņemiet vērā, ka līdzīga vērtība benzīna maisījumam ir aptuveni 40 MJ/kg.
Ūdeņraža maisījuma enerģijas iznākums ir daudz augstāks nekā benzīnam, kas ir milzīgs pluss, ja to izmanto kā degvielu iekšdedzes dzinējiem. Tomēr arī šeit viss nav tik vienkārši. Tas viss ir saistīts ar ūdeņraža blīvumu, tas ir pārāk zems atmosfēras spiedienā. Tātad 1 m3 šīs gāzes sver tikai 90 gramus. Ja sadedzināsi šo 1 m3 H2, tad izdalīsies apmēram 10-11 MJ siltuma, kas jau ir 4 reizes mazāk nekā tad, kad sadedzinot 1 kg benzīna (nedaudz vairāk par 1 litru).
Norādītie skaitļi norāda, ka, lai izmantotu ūdeņraža sadegšanas reakciju, ir jāiemācās šo gāzi uzglabāt augstspiediena balonos, kas jau rada papildu grūtības gan tehnoloģiskā, gan drošības ziņā.
Ūdeņraža degmaisījuma izmantošana tehnoloģijā: problēmas
Uzreiz jāsaka, ka šobrīd ūdeņraža degmaisījums jau tiek izmantots atsevišķās cilvēka darbības jomās. Piemēram, kā papildu degviela kosmosa raķetēm, kā elektroenerģijas ražošanas avoti, kā arī mūsdienu automašīnu eksperimentālajos modeļos. Tomēr šī pielietojuma mērogs ir niecīgs salīdzinājumā ar fosilo kurināmo, un tas parasti ir eksperimentāls. Iemesls tam ir ne tikai grūtības kontrolēt pašu sadegšanas reakciju, bet arī H2.
uzglabāšanu, transportēšanu un ieguvi.
Ūdeņradis uz Zemes praktiski neeksistē tīrā veidā, tāpēc tas jāiegūst no dažādiem savienojumiem. Piemēram, no ūdens. Pašlaik šī ir diezgan populāra metode, ko veic, laižot elektrisko strāvu caur H2O. Visa problēma ir tāda, ka tas patērē vairāk enerģijas, nekā to var iegūt, sadedzinot H2.
Vēl viena svarīga problēma ir ūdeņraža transportēšana un uzglabāšana. Fakts ir tāds, ka šī gāze, pateicoties tās molekulu mazajam izmēram, spēj "izlidot" no jebkurakonteineri. Turklāt, nokļūstot sakausējumu metāla režģī, tas izraisa to trauslumu. Tāpēc visefektīvākais veids, kā uzglabāt H2, ir izmantot oglekļa atomus, kas var stingri saistīt "nenotveramo" gāzi.
Tādējādi ūdeņraža kā kurināmā izmantošana vairāk vai mazāk plašā mērogā ir iespējama tikai tad, ja to izmanto kā elektroenerģijas "akumulatoru" (piemēram, vēja un saules enerģiju pārvēršot ūdeņradī, izmantojot ūdens elektrolīzi), vai, ja iemācīsities piegādāt H2 no kosmosa (kur tā ir daudz) uz Zemi.
