Jedan od urgentnih problema je onečišćenje okoliša i ograničeni energetski resursi organskog porijekla. Obećavajući način rješavanja ovih problema je korištenje vodika kao izvora energije. U članku ćemo razmotriti pitanje izgaranja vodika, temperaturu i kemiju ovog procesa.
Što je vodik?
Prije razmatranja pitanja kolika je temperatura izgaranja vodika, potrebno je zapamtiti što je ta tvar.
Vodik je najlakši kemijski element, koji se sastoji od samo jednog protona i jednog elektrona. U normalnim uvjetima (tlak 1 atm., temperatura 0 oC) prisutan je u plinovitom stanju. Njegovu molekulu (H2) čine 2 atoma ovog kemijskog elementa. Vodik je treći najzastupljeniji element na našem planetu i prvi u svemiru (oko 90% sve tvari).
Plin vodik (H2)bez mirisa, okusa i boje. Nije toksičan, međutim, kada je njegov sadržaj u atmosferskom zraku nekoliko postotaka, tada osoba može doživjeti gušenje zbog nedostatka kisika.
Zanimljivo je primijetiti da iako su s kemijskog gledišta sve molekule H2 identične, njihova fizička svojstva su nešto drugačija. Sve se radi o orijentaciji spinova elektrona (oni su odgovorni za pojavu magnetskog momenta), koji mogu biti paralelni i antiparalelni, takva se molekula naziva orto- odnosno paravodik.
Kemijska reakcija izgaranja
S obzirom na pitanje temperature izgaranja vodika s kisikom, predstavljamo kemijsku reakciju koja opisuje ovaj proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Odnosno, u reakciji sudjeluju 3 molekule (dvije vodik i jedan kisik), a produkt su dvije molekule vode. Ova reakcija opisuje izgaranje s kemijske točke gledišta, a može se ocijeniti da nakon njenog prolaska ostaje samo čista voda, koja ne zagađuje okoliš, kao što se događa pri izgaranju fosilnih goriva (benzin, alkohol).
S druge strane, ova reakcija je egzotermna, odnosno osim vode oslobađa i nešto topline koja se može koristiti za pogon automobila i raketa, kao i za prijenos na druge izvore energije, npr. kao struja.
Mehanizam procesa izgaranja vodika
Opisano u prethodnomstavak kemijska reakcija poznata je svakom srednjoškolcu, ali to je vrlo grub opis procesa koji se događa u stvarnosti. Imajte na umu da do sredine prošlog stoljeća čovječanstvo nije znalo kako vodik gori u zraku, a 1956. godine za njegovo proučavanje dodijeljena je Nobelova nagrada za kemiju.
U stvari, ako se O2 i H2 molekule sudare, neće doći do reakcije. Obje molekule su prilično stabilne. Da bi došlo do izgaranja i stvaranja vode, slobodni radikali moraju postojati. Konkretno, atomi H, O i OH skupine. Sljedeći je slijed reakcija koje se zapravo događaju kada se vodik sagorijeva:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Što vidite iz ovih reakcija? Kada vodik gori, nastaje voda, da, to je točno, ali to se događa samo kada se skupina od dva OH atoma susreće s H2 molekulom. Osim toga, sve reakcije nastaju stvaranjem slobodnih radikala, što znači da počinje proces samoodrživog izgaranja.
Dakle, ključ za pokretanje ove reakcije je stvaranje radikala. Pojavljuju se ako u smjesu kisika i vodika unesete goruću šibicu ili ako zagrijete ovu smjesu iznad određene temperature.
Pokretanje reakcije
Kao što je navedeno, postoje dva načina za to:
- Uz pomoć iskre koja bi trebala dati samo 0,02 mJ topline. Ovo je vrlo mala energetska vrijednost, za usporedbu, recimo da je slična vrijednost za mješavinu benzina 0,24 mJ, a za metan - 0,29 mJ. Kako se tlak smanjuje, energija pokretanja reakcije raste. Dakle, na 2 kPa, to je već 0,56 mJ. U svakom slučaju, to su vrlo male vrijednosti, pa se smjesa vodika i kisika smatra vrlo zapaljivom.
- Uz pomoć temperature. Odnosno, smjesa kisik-vodik može se jednostavno zagrijati, a iznad određene temperature ona će se sama zapaliti. Kada se to dogodi ovisi o tlaku i postotku plinova. U širokom rasponu koncentracija pri atmosferskom tlaku, reakcija spontanog izgaranja događa se na temperaturama iznad 773-850 K, odnosno iznad 500-577 oC. To su prilično visoke vrijednosti u usporedbi s mješavinom benzina, koja se počinje spontano paliti već na temperaturama ispod 300 oC.
Postotak plinova u zapaljivoj smjesi
Govoreći o temperaturi izgaranja vodika u zraku, treba napomenuti da neće svaka mješavina ovih plinova ući u proces koji se razmatra. Eksperimentalno je utvrđeno da ako je količina kisika manja od 6 volumnih %, odnosno ako je količina vodika manja od 4 volumnih %, tada neće doći do reakcije. Međutim, granice postojanja zapaljive smjese prilično su široke. Za zrak, postotak vodika može se kretati od 4,1% do 74,8%. Imajte na umu da gornja vrijednost samo odgovara potrebnom minimumu za kisik.
Akorazmislite o čistoj smjesi kisika i vodika, onda su granice ovdje još šire: 4, 1-94%.
Smanjenje tlaka plinova dovodi do smanjenja navedenih granica (donja granica raste, gornja pada).
Također je važno razumjeti da tijekom izgaranja vodika u zraku (kisik), nastali produkti reakcije (voda) dovode do smanjenja koncentracije reagensa, što može dovesti do prekida kemijskog procesa.
Sigurnost izgaranja
Ovo je važna karakteristika zapaljive smjese, jer vam omogućuje da procijenite je li reakcija mirna i može li se kontrolirati ili je proces eksplozivan. Što određuje brzinu gorenja? Naravno, na koncentraciju reagensa, na pritisak, a također i na količinu energije "sjeme".
Nažalost, vodik u širokom rasponu koncentracija je sposoban za eksplozivno izgaranje. U literaturi su navedene sljedeće brojke: 18,5-59% vodika u zračnoj smjesi. Štoviše, na rubovima ove granice, kao rezultat detonacije, oslobađa se najveća količina energije po jedinici volumena.
Izražena priroda izgaranja predstavlja veliki problem za korištenje ove reakcije kao kontroliranog izvora energije.
temperatura reakcije izgaranja
Sada dolazimo izravno do odgovora na pitanje, koja je najniža temperatura izgaranja vodika. To je 2321 K ili 2048 oC za smjesu s 19,6% H2. Odnosno, temperatura izgaranja vodika u zraku je viša2000 oC (za druge koncentracije može doseći 2500 oC), a u usporedbi s benzinskom mješavinom, ovo je ogroman broj (za benzin oko 800 oC). Ako sagorite vodik u čistom kisiku, temperatura plamena će biti još viša (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 uvjetima.
Naravno, ovaj problem je riješen korištenjem dobro dizajniranog rashladnog sustava za komoru u kojoj dolazi do izgaranja vodika.
Količina oslobođene topline
Kao dio pitanja temperature izgaranja vodika, također je zanimljivo dati podatke o količini energije koja se oslobađa tijekom ove reakcije. Za različite uvjete i sastave zapaljive smjese dobivene su vrijednosti 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 mješavine vodika je mnogo veći nego kod benzina, što je veliki plus za njegovu upotrebu kao goriva za motore s unutarnjim izgaranjem. Međutim, ni ovdje nije sve tako jednostavno. Sve je u gustoći vodika, preniska je pri atmosferskom tlaku. Dakle, 1 m3 ovog plina teži samo 90 grama. Ako spalite ovaj 1 m3 H2, tada će se osloboditi oko 10-11 MJ topline, što je već 4 puta manje nego kada sagorijevanje 1 kg benzina (nešto više od 1 litre).
Navedene brojke pokazuju da je za korištenje reakcije izgaranja vodika potrebno naučiti kako pohraniti ovaj plin u visokotlačne cilindre, što već stvara dodatne poteškoće, kako u tehnološkom tako i u sigurnosnom smislu.
Upotreba zapaljive smjese vodika u tehnologiji: problemi
Mora se odmah reći da se trenutno zapaljiva smjesa vodika 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, opseg ove primjene je mali u usporedbi s fosilnim gorivima i općenito je eksperimentalne prirode. Razlog tome nije samo poteškoća u kontroli same reakcije izgaranja, već i u skladištenju, transportu i ekstrakciji H2.
Vodik na Zemlji praktički ne postoji u svom čistom obliku, pa se mora dobiti iz raznih spojeva. Na primjer, iz vode. Ovo je trenutno prilično popularna metoda, koja se provodi propuštanjem električne struje kroz H2O. Cijeli problem je u tome što to troši više energije nego što se tada može dobiti spaljivanjem H2.
Još jedan važan problem je transport i skladištenje vodika. Činjenica je da ovaj plin, zbog male veličine svojih molekula, može "izletjeti" iz bilo kojegposude. Osim toga, ulazeći u metalnu rešetku legura, uzrokuje njihovu krhkost. Stoga je najučinkovitiji način pohrane H2 korištenje atoma ugljika koji mogu čvrsto vezati "neuhvatljivi" plin.
Dakle, korištenje vodika kao goriva u manje ili više velikih razmjera moguće je samo ako se koristi kao "skladište" električne energije (na primjer, pretvaranje energije vjetra i sunca u vodik elektrolizom vode), ili ako naučite dostaviti H2 iz svemira (gdje ga ima puno) na Zemlju.
