Jedan od urgentnih problema je zagađenje životne sredine i ograničeni energetski resursi organskog porekla. Obećavajući način za rješavanje ovih problema je korištenje vodonika kao izvora energije. U članku ćemo razmotriti pitanje sagorijevanja vodonika, temperaturu i hemiju ovog procesa.
Šta je vodonik?
Pre razmatranja pitanja kolika je temperatura sagorevanja vodonika, potrebno je da se prisetimo šta je ova supstanca.
Vodonik je najlakši hemijski element, koji se sastoji od samo jednog protona i jednog elektrona. U normalnim uslovima (pritisak 1 atm., temperatura 0 oC) prisutan je u gasovitom stanju. Njegov molekul (H2) formiraju 2 atoma ovog hemijskog elementa. Vodonik je treći najzastupljeniji element na našoj planeti i prvi u Univerzumu (oko 90% sve materije).
Plin vodonik (H2)bez mirisa, ukusa i boje. Nije toksičan, međutim, kada je njegov sadržaj u atmosferskom zraku nekoliko postotaka, tada osoba može doživjeti gušenje zbog nedostatka kisika.
Zanimljivo je napomenuti da iako su sa hemijske tačke gledišta svi H2 molekuli identični, njihova fizička svojstva su donekle drugačija. Sve je u orijentaciji spinova elektrona (oni su odgovorni za pojavu magnetnog momenta), koji mogu biti paralelni i antiparalelni, takav molekul se naziva orto- i paravodonik, respektivno.
Hemijska reakcija sagorevanja
S obzirom na pitanje temperature sagorevanja vodonika sa kiseonikom, predstavljamo hemijsku reakciju koja opisuje ovaj proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Odnosno, u reakciji učestvuju 3 molekula (dva vodika i jedan kiseonik), a proizvod su dva molekula vode. Ova reakcija opisuje sagorevanje sa hemijske tačke gledišta, a može se proceniti da nakon njenog prolaska ostaje samo čista voda, koja ne zagađuje životnu sredinu, kao što se dešava pri sagorevanju fosilnih goriva (benzin, alkohol).
S druge strane, ova reakcija je egzotermna, odnosno osim vode oslobađa i nešto toplote koja se može iskoristiti za pogon automobila i raketa, kao i za prenos na druge izvore energije, npr. kao struja.
Mehanizam procesa sagorevanja vodonika
Opisano u prethodnompasus hemijska reakcija je poznata svakom srednjoškolcu, ali je vrlo grub opis procesa koji se dešava u stvarnosti. Imajte na umu da do sredine prošlog veka čovečanstvo nije znalo kako vodonik gori u vazduhu, a 1956. godine dodeljena je Nobelova nagrada za hemiju za njegovo proučavanje.
U stvari, ako se O2 i H2 molekuli sudare, neće doći do reakcije. Oba molekula su prilično stabilna. Da bi došlo do sagorijevanja i stvaranja vode, slobodni radikali moraju postojati. Konkretno, atomi H, O i OH grupe. Sljedeći je slijed reakcija koje se stvarno dešavaju kada se vodik sagorijeva:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Šta vidite iz ovih reakcija? Kada vodonik sagorijeva, nastaje voda, da, tako je, ali to se dešava samo kada se grupa od dva OH atoma sretne sa H2 molekulom. Osim toga, sve reakcije nastaju stvaranjem slobodnih radikala, što znači da počinje proces samoodrživog sagorijevanja.
Dakle, ključ za pokretanje ove reakcije je stvaranje radikala. Pojavljuju se ako unesete goruću šibicu u mješavinu kisika i vodika, ili ako zagrijete ovu mješavinu iznad određene temperature.
Pokretanje reakcije
Kao što je navedeno, postoje dva načina da to uradite:
- Uz pomoć iskre koja bi trebala dati samo 0,02 mJ toplote. Ovo je vrlo mala energetska vrijednost, za poređenje, recimo da je slična vrijednost za mješavinu benzina 0,24 mJ, a za metan - 0,29 mJ. Kako pritisak opada, energija inicijacije reakcije raste. Dakle, na 2 kPa, to je već 0,56 mJ. U svakom slučaju, to su vrlo male vrijednosti, tako da se smjesa vodika i kisika smatra vrlo zapaljivom.
- Uz pomoć temperature. Odnosno, mješavina kisika i vodika može se jednostavno zagrijati, a iznad određene temperature će se sama zapaliti. Kada se to desi zavisi od pritiska i procenta gasova. U širokom opsegu koncentracija pri atmosferskom pritisku, reakcija spontanog sagorevanja se javlja na temperaturama iznad 773-850 K, odnosno iznad 500-577 oC. Ovo su prilično visoke vrijednosti u poređenju sa mješavinom benzina, koja počinje spontano da se pali već na temperaturama ispod 300 oC.
Procenat gasova u zapaljivoj mešavini
Govoreći o temperaturi sagorevanja vodonika u vazduhu, treba napomenuti da neće svaka mešavina ovih gasova ući u proces koji se razmatra. Eksperimentalno je utvrđeno da ako je količina kiseonika manja od 6% zapremine, ili ako je količina vodonika manja od 4% zapremine, onda neće doći do reakcije. Međutim, granice postojanja zapaljive mješavine su prilično široke. Za zrak, postotak vodonika može se kretati od 4,1% do 74,8%. Imajte na umu da gornja vrijednost samo odgovara potrebnom minimumu za kisik.
Akorazmislite o čistoj mješavini kisika i vodika, onda su granice ovdje još šire: 4, 1-94%.
Smanjenje pritiska gasova dovodi do smanjenja navedenih granica (donja granica raste, gornja pada).
Takođe je važno shvatiti da tokom sagorevanja vodonika u vazduhu (kiseonik), nastali produkti reakcije (voda) dovode do smanjenja koncentracije reagensa, što može dovesti do prekida hemijskog procesa.
Sigurnost sagorijevanja
Ovo je važna karakteristika zapaljive smeše, jer vam omogućava da procenite da li je reakcija mirna i da li se može kontrolisati ili je proces eksplozivan. Šta određuje brzinu sagorevanja? Naravno, o koncentraciji reagensa, o pritisku, kao i o količini energije "semena".
Nažalost, vodonik u širokom rasponu koncentracija je sposoban za eksplozivno sagorijevanje. U literaturi su date sljedeće brojke: 18,5-59% vodonika u mješavini zraka. Štaviše, na ivicama ove granice, kao rezultat detonacije, oslobađa se najveća količina energije po jedinici zapremine.
Izražena priroda sagorevanja predstavlja veliki problem za korišćenje ove reakcije kao kontrolisanog izvora energije.
temperatura reakcije sagorevanja
Sada dolazimo direktno do odgovora na pitanje koja je najniža temperatura sagorevanja vodonika. To je 2321 K ili 2048 oC za mješavinu sa 19,6% H2. Odnosno, temperatura sagorevanja vodonika u vazduhu je viša2000 oC (za druge koncentracije može dostići 2500 oC), a u poređenju sa benzinskom mešavinom, ovo je ogroman broj (za benzin oko 800 oC). Ako sagorite vodonik u čistom kiseoniku, temperatura plamena će biti još veća (do 2800 oC).
Ovako visoka temperatura plamena predstavlja još jedan problem u korištenju ove reakcije kao izvora energije, budući da trenutno ne postoje legure koje mogu raditi dugo vremena u tako ekstremnim uslovima.
Naravno, ovaj problem je riješen korištenjem dobro dizajniranog rashladnog sistema za komoru u kojoj se odvija sagorijevanje vodonika.
Količina oslobođene toplote
Kao deo pitanja temperature sagorevanja vodonika, takođe je zanimljivo dati podatke o količini energije koja se oslobađa tokom ove reakcije. Za različite uslove i sastave zapaljive smeše dobijene su vrednosti od 119 MJ/kg do 141 MJ/kg. Da bismo razumjeli koliko je to, napominjemo da je slična vrijednost za mješavinu benzina oko 40 MJ / kg.
Energijski prinos mešavine vodonika je mnogo veći nego kod benzina, što je veliki plus za njegovu upotrebu kao goriva za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Međutim, ni ovdje nije sve tako jednostavno. Sve je u gustini vodonika, preniska je na atmosferskom pritisku. Dakle, 1 m3 ovog gasa teži samo 90 grama. Ako sagorite ovaj 1 m3 H2, tada će se osloboditi oko 10-11 MJ toplote, što je već 4 puta manje nego kada sagorijevanje 1 kg benzina (nešto više od 1 litre).
Navedene brojke ukazuju da je za korištenje reakcije sagorijevanja vodonika potrebno naučiti kako se taj plin skladištiti u bocama visokog pritiska, što već stvara dodatne poteškoće, kako u tehnološkom tako i u sigurnosnom smislu.
Upotreba zapaljive mješavine vodonika u tehnologiji: problemi
Mora se odmah reći da se trenutno zapaljiva smjesa vodonika već koristi u nekim područjima ljudske aktivnosti. Na primjer, kao dodatno gorivo za svemirske rakete, kao izvori za proizvodnju električne energije, kao i u eksperimentalnim modelima modernih automobila. Međutim, obim ove primjene je malen u usporedbi s fosilnim gorivima i općenito je eksperimentalne prirode. Razlog za to nije samo teškoća u kontroli same reakcije sagorevanja, već iu skladištenju, transportu i ekstrakciji H2.
Vodonik na Zemlji praktično ne postoji u svom čistom obliku, pa se mora dobiti iz raznih jedinjenja. Na primjer, iz vode. Ovo je trenutno prilično popularna metoda, koja se izvodi propuštanjem električne struje kroz H2O. Čitav problem je što ovo troši više energije nego što se tada može dobiti spaljivanjem H2.
Još jedan važan problem je transport i skladištenje vodonika. Činjenica je da ovaj plin, zbog male veličine svojih molekula, može "izletjeti" iz bilo kojegkontejneri. Osim toga, ulazeći u metalnu rešetku legura, uzrokuje njihovu krtost. Stoga je najefikasniji način skladištenja H2 korištenje atoma ugljika koji mogu čvrsto vezati "neuhvatljivi" plin.
Dakle, upotreba vodika kao goriva u manje ili više velikih razmjera moguća je samo ako se koristi kao "skladište" električne energije (na primjer, pretvaranje energije vjetra i sunca u vodonik pomoću vodene elektrolize), ili ako naučite dostaviti H2 iz svemira (gdje ga ima mnogo) na Zemlju.
