Een van de urgente problemen is milieuvervuiling en beperkte energiebronnen van organische oorsprong. Een veelbelovende manier om deze problemen op te lossen is het gebruik van waterstof als energiebron. In het artikel zullen we de kwestie van waterstofverbranding, de temperatuur en chemie van dit proces bespreken.
Wat is waterstof?
Alvorens in te gaan op de vraag wat de verbrandingstemperatuur van waterstof is, is het noodzakelijk om te onthouden wat deze stof is.
Waterstof is het lichtste chemische element en bestaat uit slechts één proton en één elektron. Onder normale omstandigheden (druk 1 atm., temperatuur 0 oC) is het in gasvormige toestand aanwezig. Het molecuul (H2) wordt gevormd door 2 atomen van dit chemische element. Waterstof is het derde meest voorkomende element op onze planeet en het eerste in het heelal (ongeveer 90% van alle materie).
Waterstofgas (H2)geurloos, smaakloos en kleurloos. Het is echter niet giftig, wanneer het geh alte in de atmosferische lucht een paar procent is, dan kan een persoon verstikking ervaren door zuurstofgebrek.
Het is merkwaardig op te merken dat, hoewel vanuit chemisch oogpunt alle H2-moleculen identiek zijn, hun fysieke eigenschappen enigszins verschillen. Het draait allemaal om de oriëntatie van de elektronenspins (ze zijn verantwoordelijk voor het verschijnen van een magnetisch moment), dat parallel en antiparallel kan zijn, zo'n molecuul wordt respectievelijk ortho- en parawaterstof genoemd.
Verbrandingschemische reactie
Rekening houdend met de kwestie van de verbrandingstemperatuur van waterstof met zuurstof, presenteren we een chemische reactie die dit proces beschrijft: 2H2 + O2=> 2H2O. Dat wil zeggen, 3 moleculen nemen deel aan de reactie (twee waterstof en één zuurstof), en het product is twee watermoleculen. Deze reactie beschrijft de verbranding vanuit chemisch oogpunt, en er kan worden geoordeeld dat na zijn passage alleen zuiver water overblijft, dat het milieu niet vervuilt, zoals gebeurt bij de verbranding van fossiele brandstoffen (benzine, alcohol).
Aan de andere kant is deze reactie exotherm, dat wil zeggen dat er naast water wat warmte vrijkomt die kan worden gebruikt om auto's en raketten aan te drijven, en om deze over te dragen naar andere energiebronnen, zoals als elektriciteit.
Mechanisme van het waterstofverbrandingsproces
Beschreven in de vorigeparagraaf chemische reactie is bekend bij elke middelbare scholier, maar het is een zeer ruwe beschrijving van het proces dat in werkelijkheid plaatsvindt. Merk op dat de mensheid tot het midden van de vorige eeuw niet wist hoe waterstof in lucht brandt, en in 1956 werd de Nobelprijs voor de Scheikunde toegekend voor zijn onderzoek.
In feite, als O2 en H2 moleculen botsen, zal er geen reactie plaatsvinden. Beide moleculen zijn vrij stabiel. Om verbranding te laten plaatsvinden en water te vormen, moeten vrije radicalen aanwezig zijn. In het bijzonder H-, O-atomen en OH-groepen. Het volgende is een opeenvolging van reacties die daadwerkelijk optreden wanneer waterstof wordt verbrand:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Wat zie je aan deze reacties? Wanneer waterstof verbrandt, wordt water gevormd, ja, dat klopt, maar het gebeurt alleen wanneer een groep van twee OH-atomen een H2-molecuul ontmoet. Bovendien vinden alle reacties plaats met de vorming van vrije radicalen, wat betekent dat het proces van zelfvoorzienende verbranding begint.
Dus de sleutel tot het starten van deze reactie is de vorming van radicalen. Ze verschijnen als je een brandende lucifer bij een zuurstof-waterstofmengsel brengt, of als je dit mengsel boven een bepaalde temperatuur verwarmt.
Initiërende reactie
Zoals opgemerkt, zijn er twee manieren om dit te doen:
- Met de hulp van een vonk die slechts 0 zou moeten leveren,02 mJ warmte. Dit is een zeer kleine energiewaarde, laten we ter vergelijking zeggen dat de vergelijkbare waarde voor een benzinemengsel 0,24 mJ is, en voor methaan - 0,29 mJ. Naarmate de druk afneemt, neemt de reactie-initiatie-energie toe. Dus bij 2 kPa is het al 0,56 mJ. Dit zijn in ieder geval zeer kleine waarden, dus het waterstof-zuurstofmengsel wordt als licht ontvlambaar beschouwd.
- Met behulp van temperatuur. Dat wil zeggen, het zuurstof-waterstofmengsel kan eenvoudig worden verwarmd en boven een bepaalde temperatuur zal het zichzelf ontsteken. Wanneer dit gebeurt, hangt af van de druk en het percentage gassen. In een groot aantal concentraties bij atmosferische druk vindt de spontane verbrandingsreactie plaats bij temperaturen boven 773-850 K, dat wil zeggen boven 500-577 oC. Dit zijn vrij hoge waarden in vergelijking met een benzinemengsel, dat al spontaan begint te ontbranden bij temperaturen onder de 300 oC.
Percentage gassen in het brandbare mengsel
Sprekend over de temperatuur van waterstofverbranding in lucht, moet worden opgemerkt dat niet elk mengsel van deze gassen in het betreffende proces zal worden betrokken. Experimenteel is vastgesteld dat als de hoeveelheid zuurstof minder dan 6 vol.% is, of als de hoeveelheid waterstof kleiner is dan 4 vol.%, er geen reactie zal plaatsvinden. De grenzen van het bestaan van een brandbaar mengsel zijn echter vrij breed. Voor lucht kan het percentage waterstof variëren van 4,1% tot 74,8%. Merk op dat de bovenste waarde net overeenkomt met het vereiste minimum voor zuurstof.
Alsoverweeg een zuiver zuurstof-waterstofmengsel, dan zijn de limieten hier nog groter: 4, 1-94%.
Het verlagen van de druk van gassen leidt tot een verlaging van de gespecificeerde limieten (de onderste limiet stijgt, de bovenste da alt).
Het is ook belangrijk om te begrijpen dat tijdens de verbranding van waterstof in lucht (zuurstof), de resulterende reactieproducten (water) leiden tot een afname van de concentratie van reagentia, wat kan leiden tot de beëindiging van het chemische proces.
Verbrandingsveiligheid
Dit is een belangrijk kenmerk van een ontvlambaar mengsel, omdat het je in staat stelt te beoordelen of de reactie rustig is en gecontroleerd kan worden, of dat het proces explosief is. Wat bepa alt de brandsnelheid? Natuurlijk, op de concentratie van reagentia, op druk, en ook op de hoeveelheid energie van het "zaad".
Helaas is waterstof in een groot aantal concentraties in staat tot explosieve verbranding. In de literatuur worden de volgende cijfers gegeven: 18,5-59% waterstof in het luchtmengsel. Bovendien komt aan de randen van deze limiet als gevolg van detonatie de grootste hoeveelheid energie per volume-eenheid vrij.
De opvallende aard van verbranding vormt een groot probleem voor het gebruik van deze reactie als een gecontroleerde energiebron.
Verbrandingsreactietemperatuur
Nu komen we direct bij het antwoord op de vraag, wat is de laagste temperatuur van waterstofverbranding. Het is 2321 K of 2048 oC voor een mengsel met 19,6% H2. Dat wil zeggen, de verbrandingstemperatuur van waterstof in lucht is hoger2000 oC (voor andere concentraties kan het 2500 oC bereiken), en vergeleken met een benzinemengsel is dit een enorm cijfer (voor benzine ongeveer 800 oC). Als je waterstof verbrandt in zuivere zuurstof, wordt de vlamtemperatuur nog hoger (tot wel 2800 oC).
Zo'n hoge vlamtemperatuur levert een ander probleem op bij het gebruik van deze reactie als energiebron, aangezien er momenteel geen legeringen zijn die lang in zulke extreme omstandigheden kunnen werken.
Dit probleem wordt natuurlijk opgelost door een goed ontworpen koelsysteem te gebruiken voor de kamer waar waterstofverbranding plaatsvindt.
Hoeveelheid vrijgekomen warmte
Als onderdeel van de kwestie van de verbrandingstemperatuur van waterstof is het ook interessant om gegevens te verstrekken over de hoeveelheid energie die vrijkomt bij deze reactie. Voor verschillende omstandigheden en samenstellingen van het brandbare mengsel werden waarden van 119 MJ/kg tot 141 MJ/kg verkregen. Om te begrijpen hoeveel dit is, merken we op dat een vergelijkbare waarde voor een benzinemengsel ongeveer 40 MJ / kg is.
De energieopbrengst van een waterstofmengsel is veel hoger dan van benzine, wat een enorm pluspunt is voor het gebruik ervan als brandstof voor verbrandingsmotoren. Maar ook hier is niet alles zo eenvoudig. Het draait allemaal om de dichtheid van waterstof, die is te laag bij atmosferische druk. Dus 1 m3 van dit gas weegt slechts 90 gram. Als je deze 1 m3 H2 verbrandt, komt er ongeveer 10-11 MJ warmte vrij, wat al 4 keer minder is dan wanneer brandend 1 kg benzine (iets meer dan 1 liter).
De gegeven cijfers geven aan dat om de waterstofverbrandingsreactie te gebruiken, het nodig is om te leren hoe dit gas op te slaan in hogedrukcilinders, wat al extra problemen oplevert, zowel op het gebied van technologie als veiligheid.
Het gebruik van een waterstofbrandbaar mengsel in technologie: problemen
Het moet meteen gezegd worden dat het waterstofbrandbare mengsel momenteel al wordt gebruikt in sommige gebieden van menselijke activiteit. Bijvoorbeeld als extra brandstof voor ruimteraketten, als bronnen voor het opwekken van elektrische energie, maar ook in experimentele modellen van moderne auto's. De schaal van deze toepassing is echter minuscuul in vergelijking met die van fossiele brandstoffen en is over het algemeen experimenteel van aard. De reden hiervoor is niet alleen de moeilijkheid om de verbrandingsreactie zelf te beheersen, maar ook bij de opslag, het transport en de extractie van H2.
Waterstof op aarde bestaat praktisch niet in zijn pure vorm, dus het moet uit verschillende verbindingen worden verkregen. Bijvoorbeeld uit water. Dit is momenteel een vrij populaire methode, die wordt uitgevoerd door een elektrische stroom door H2O te laten gaan. Het hele probleem is dat dit meer energie verbruikt dan kan worden verkregen door H2.
te verbranden.
Een ander belangrijk probleem is het transport en de opslag van waterstof. Het is een feit dat dit gas, vanwege de kleine omvang van zijn moleculen, in staat is om uit elk gas te "vliegen".containers. Bovendien, door in het metalen rooster van legeringen te komen, veroorzaakt het hun brosheid. Daarom is de meest efficiënte manier om H2 op te slaan het gebruik van koolstofatomen die het "ongrijpbare" gas stevig kunnen binden.
Het gebruik van waterstof als brandstof op min of meer grote schaal is dus alleen mogelijk als het wordt gebruikt als "opslag" van elektriciteit (bijvoorbeeld door wind- en zonne-energie om te zetten in waterstof met behulp van waterelektrolyse), of als je leert, breng H2 vanuit de ruimte (waar er veel is) naar de aarde.
