Ένα από τα επείγοντα προβλήματα είναι η περιβαλλοντική ρύπανση και οι περιορισμένοι ενεργειακοί πόροι οργανικής προέλευσης. Ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος επίλυσης αυτών των προβλημάτων είναι η χρήση του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας. Στο άρθρο θα εξετάσουμε το θέμα της καύσης του υδρογόνου, τη θερμοκρασία και τη χημεία αυτής της διαδικασίας.
Τι είναι υδρογόνο;
Πριν εξετάσετε το ερώτημα ποια είναι η θερμοκρασία καύσης του υδρογόνου, είναι απαραίτητο να θυμηθείτε τι είναι αυτή η ουσία.
Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο χημικό στοιχείο, που αποτελείται μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Υπό κανονικές συνθήκες (πίεση 1 atm., θερμοκρασία 0 oC) βρίσκεται σε αέρια κατάσταση. Το μόριο του (H2) σχηματίζεται από 2 άτομα αυτού του χημικού στοιχείου. Το υδρογόνο είναι το 3ο πιο άφθονο στοιχείο στον πλανήτη μας και το 1ο στο Σύμπαν (περίπου το 90% της ύλης).
Αέριο υδρογόνο (H2)άοσμο, άγευστο και άχρωμο. Δεν είναι τοξικό, ωστόσο, όταν η περιεκτικότητά του στον ατμοσφαιρικό αέρα είναι λίγα τοις εκατό, τότε ένα άτομο μπορεί να εμφανίσει ασφυξία λόγω έλλειψης οξυγόνου.
Είναι περίεργο να σημειωθεί ότι αν και από χημική άποψη, όλα τα μόρια H2 είναι πανομοιότυπα, οι φυσικές τους ιδιότητες είναι κάπως διαφορετικές. Όλα έχουν να κάνουν με τον προσανατολισμό των σπιν ηλεκτρονίων (ευθύνονται για την εμφάνιση μιας μαγνητικής ροπής), η οποία μπορεί να είναι παράλληλη και αντιπαράλληλη, ένα τέτοιο μόριο ονομάζεται ορθο- και παραϋδρογόνο, αντίστοιχα.
Χημική αντίδραση καύσης
Λαμβάνοντας υπόψη το ζήτημα της θερμοκρασίας καύσης του υδρογόνου με το οξυγόνο, παρουσιάζουμε μια χημική αντίδραση που περιγράφει αυτή τη διαδικασία: 2H2 + O2=> 2H2O. Δηλαδή, στην αντίδραση συμμετέχουν 3 μόρια (δύο υδρογόνο και ένα οξυγόνο), και το προϊόν είναι δύο μόρια νερού. Αυτή η αντίδραση περιγράφει την καύση από χημική άποψη και μπορεί να κριθεί ότι μετά το πέρασμά της παραμένει μόνο καθαρό νερό, το οποίο δεν μολύνει το περιβάλλον, όπως συμβαίνει κατά την καύση ορυκτών καυσίμων (βενζίνη, αλκοόλ).
Από την άλλη, αυτή η αντίδραση είναι εξώθερμη, δηλαδή, εκτός από το νερό, απελευθερώνει κάποια θερμότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση αυτοκινήτων και πυραύλων, καθώς και για τη μεταφορά της σε άλλες πηγές ενέργειας, όπως π.χ. ως ηλεκτρική ενέργεια.
Μηχανισμός της διαδικασίας καύσης υδρογόνου
Περιγράφεται στο προηγούμενοΗ χημική αντίδραση της παραγράφου είναι γνωστή σε κάθε μαθητή γυμνασίου, αλλά είναι μια πολύ πρόχειρη περιγραφή της διαδικασίας που συμβαίνει στην πραγματικότητα. Σημειώστε ότι μέχρι τα μέσα του περασμένου αιώνα, η ανθρωπότητα δεν γνώριζε πώς καίγεται το υδρογόνο στον αέρα και το 1956 απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας για τη μελέτη του.
Στην πραγματικότητα, εάν τα μόρια O2 και H2 συγκρουστούν, δεν θα συμβεί καμία αντίδραση. Και τα δύο μόρια είναι αρκετά σταθερά. Για να συμβεί καύση και να σχηματιστεί νερό, πρέπει να υπάρχουν ελεύθερες ρίζες. Συγκεκριμένα, άτομα Η, Ο και ομάδες ΟΗ. Ακολουθεί μια ακολουθία αντιδράσεων που συμβαίνουν στην πραγματικότητα όταν καίγεται υδρογόνο:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Τι βλέπετε από αυτές τις αντιδράσεις; Όταν καίγεται υδρογόνο, σχηματίζεται νερό, ναι, αυτό είναι σωστό, αλλά συμβαίνει μόνο όταν μια ομάδα δύο ατόμων ΟΗ συναντά ένα μόριο H2. Επιπλέον, όλες οι αντιδράσεις συμβαίνουν με το σχηματισμό ελεύθερων ριζών, που σημαίνει ότι ξεκινά η διαδικασία της αυτοσυντηρούμενης καύσης.
Έτσι, το κλειδί για την έναρξη αυτής της αντίδρασης είναι ο σχηματισμός ριζών. Εμφανίζονται εάν φέρετε ένα αναμμένο σπίρτο σε ένα μείγμα οξυγόνου-υδρογόνου ή εάν θερμάνετε αυτό το μείγμα πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
Αντίδραση έναρξης
Όπως σημειώθηκε, υπάρχουν δύο τρόποι για να το κάνετε αυτό:
- Με τη βοήθεια ενός σπινθήρα που θα πρέπει να παρέχει μόνο 0,02 mJ θερμότητας. Αυτή είναι μια πολύ μικρή ενεργειακή τιμή, για σύγκριση, ας πούμε ότι η παρόμοια τιμή για ένα μείγμα βενζίνης είναι 0,24 mJ και για το μεθάνιο - 0,29 mJ. Καθώς η πίεση μειώνεται, η ενέργεια έναρξης της αντίδρασης αυξάνεται. Έτσι, στα 2 kPa, είναι ήδη 0,56 mJ. Σε κάθε περίπτωση πρόκειται για πολύ μικρές τιμές, επομένως το μείγμα υδρογόνου-οξυγόνου θεωρείται ιδιαίτερα εύφλεκτο.
- Με τη βοήθεια της θερμοκρασίας. Δηλαδή, το μείγμα οξυγόνου-υδρογόνου μπορεί απλά να θερμανθεί και πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία θα αναφλεγεί μόνο του. Το πότε συμβαίνει αυτό εξαρτάται από την πίεση και το ποσοστό των αερίων. Σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων σε ατμοσφαιρική πίεση, η αντίδραση αυθόρμητης καύσης λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες πάνω από 773-850 K, δηλαδή πάνω από 500-577 oC. Αυτές είναι αρκετά υψηλές τιμές σε σύγκριση με ένα μείγμα βενζίνης, το οποίο αρχίζει να αναφλέγεται αυθόρμητα ήδη σε θερμοκρασίες κάτω των 300 oC.
Ποσοστό αερίων στο εύφλεκτο μείγμα
Μιλώντας για τη θερμοκρασία καύσης υδρογόνου στον αέρα, πρέπει να σημειωθεί ότι δεν θα εισέλθει κάθε μείγμα αυτών των αερίων στην υπό εξέταση διαδικασία. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι εάν η ποσότητα του οξυγόνου είναι μικρότερη από 6% κατ' όγκο ή εάν η ποσότητα του υδρογόνου είναι μικρότερη από 4% κατ' όγκο, τότε δεν θα συμβεί καμία αντίδραση. Ωστόσο, τα όρια ύπαρξης εύφλεκτου μείγματος είναι αρκετά μεγάλα. Για τον αέρα, το ποσοστό υδρογόνου μπορεί να κυμαίνεται από 4,1% έως 74,8%. Σημειώστε ότι η ανώτερη τιμή αντιστοιχεί απλώς στο απαιτούμενο ελάχιστο για το οξυγόνο.
Ανεξετάστε ένα καθαρό μείγμα οξυγόνου-υδρογόνου, τότε τα όρια είναι ακόμη ευρύτερα εδώ: 4, 1-94%.
Η μείωση της πίεσης των αερίων οδηγεί σε μείωση των καθορισμένων ορίων (το κάτω όριο αυξάνεται, το ανώτερο πέφτει).
Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε ότι κατά την καύση του υδρογόνου στον αέρα (οξυγόνο), τα προκύπτοντα προϊόντα αντίδρασης (νερό) οδηγούν σε μείωση της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων, η οποία μπορεί να οδηγήσει στον τερματισμό της χημικής διαδικασίας.
Ασφάλεια καύσης
Αυτό είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό ενός εύφλεκτου μείγματος, επειδή σας επιτρέπει να κρίνετε εάν η αντίδραση είναι ήρεμη και μπορεί να ελεγχθεί ή εάν η διαδικασία είναι εκρηκτική. Τι καθορίζει τον ρυθμό καύσης; Φυσικά, στη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων, στην πίεση, αλλά και στην ποσότητα ενέργειας του "σπόρου".
Δυστυχώς, το υδρογόνο σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων είναι ικανό για εκρηκτική καύση. Στη βιβλιογραφία δίνονται τα ακόλουθα στοιχεία: 18,5-59% υδρογόνο στο μείγμα αέρα. Επιπλέον, στα άκρα αυτού του ορίου, ως αποτέλεσμα της έκρηξης, απελευθερώνεται η μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου.
Η χαρακτηριστική φύση της καύσης παρουσιάζει μεγάλο πρόβλημα για τη χρήση αυτής της αντίδρασης ως ελεγχόμενης πηγής ενέργειας.
Θερμοκρασία αντίδρασης καύσης
Τώρα ερχόμαστε απευθείας στην απάντηση στην ερώτηση, ποια είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης υδρογόνου. Είναι 2321 K ή 2048 oC για ένα μείγμα με 19,6% H2. Δηλαδή, η θερμοκρασία καύσης του υδρογόνου στον αέρα είναι υψηλότερη2000 oC (για άλλες συγκεντρώσεις μπορεί να φτάσει τους 2500 oC) και σε σύγκριση με ένα μείγμα βενζίνης, αυτός είναι ένας τεράστιος αριθμός (για τη βενζίνη περίπου 800 oC). Εάν καίτε υδρογόνο σε καθαρό οξυγόνο, η θερμοκρασία της φλόγας θα είναι ακόμη υψηλότερη (έως 2800 oC).
Μια τόσο υψηλή θερμοκρασία φλόγας παρουσιάζει ένα άλλο πρόβλημα στη χρήση αυτής της αντίδρασης ως πηγή ενέργειας, καθώς δεν υπάρχουν προς το παρόν κράματα που να μπορούν να λειτουργήσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε τέτοιες ακραίες συνθήκες.
Φυσικά, αυτό το πρόβλημα επιλύεται χρησιμοποιώντας ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα ψύξης για τον θάλαμο όπου γίνεται καύση υδρογόνου.
Ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται
Σαν μέρος του ζητήματος της θερμοκρασίας καύσης του υδρογόνου, είναι επίσης ενδιαφέρον να παρέχουμε δεδομένα για την ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης. Για διαφορετικές συνθήκες και συνθέσεις του εύφλεκτου μείγματος, ελήφθησαν τιμές από 119 MJ/kg έως 141 MJ/kg. Για να καταλάβουμε πόσο είναι αυτό, σημειώνουμε ότι μια παρόμοια τιμή για ένα μείγμα βενζίνης είναι περίπου 40 MJ / kg.
Η ενεργειακή απόδοση ενός μείγματος υδρογόνου είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι για τη βενζίνη, η οποία είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα για τη χρήση της ως καύσιμο για κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ωστόσο, ούτε εδώ είναι όλα τόσο απλά. Όλα έχουν να κάνουν με την πυκνότητα του υδρογόνου, είναι πολύ χαμηλή στην ατμοσφαιρική πίεση. Έτσι, 1 m3 αυτού του αερίου ζυγίζει μόνο 90 γραμμάρια. Εάν κάψετε αυτό το 1 m3 H2, τότε θα απελευθερωθούν περίπου 10-11 MJ θερμότητας, που είναι ήδη 4 φορές λιγότερο από ό,τι όταν καίγοντας 1 κιλό βενζίνη (λίγο περισσότερο από 1 λίτρο).
Τα δεδομένα που δίνονται δείχνουν ότι για να χρησιμοποιηθεί η αντίδραση καύσης υδρογόνου, είναι απαραίτητο να μάθουμε πώς να αποθηκεύουμε αυτό το αέριο σε κυλίνδρους υψηλής πίεσης, κάτι που ήδη δημιουργεί πρόσθετες δυσκολίες, τόσο από άποψη τεχνολογίας όσο και από άποψη ασφάλειας.
Η χρήση ενός εύφλεκτου μείγματος υδρογόνου στην τεχνολογία: προβλήματα
Πρέπει να ειπωθεί αμέσως ότι επί του παρόντος το εύφλεκτο μείγμα υδρογόνου χρησιμοποιείται ήδη σε ορισμένους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Για παράδειγμα, ως πρόσθετο καύσιμο για διαστημικούς πυραύλους, ως πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και σε πειραματικά μοντέλα σύγχρονων αυτοκινήτων. Ωστόσο, η κλίμακα αυτής της εφαρμογής είναι μικροσκοπική σε σύγκριση με αυτή των ορυκτών καυσίμων και είναι γενικά πειραματικής φύσης. Ο λόγος για αυτό δεν είναι μόνο η δυσκολία στον έλεγχο της ίδιας της αντίδρασης καύσης, αλλά και στην αποθήκευση, μεταφορά και εξαγωγή του H2.
Το υδρογόνο στη Γη πρακτικά δεν υπάρχει στην καθαρή του μορφή, επομένως πρέπει να λαμβάνεται από διάφορες ενώσεις. Για παράδειγμα, από το νερό. Αυτή είναι μια αρκετά δημοφιλής μέθοδος επί του παρόντος, η οποία πραγματοποιείται με τη διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του H2O. Το όλο πρόβλημα είναι ότι αυτό καταναλώνει περισσότερη ενέργεια από ό,τι μπορεί να ληφθεί με την καύση H2.
Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα είναι η μεταφορά και αποθήκευση υδρογόνου. Το γεγονός είναι ότι αυτό το αέριο, λόγω του μικρού μεγέθους των μορίων του, είναι σε θέση να "πετάξει έξω" από οποιοδήποτεδοχεία. Επιπλέον, μπαίνοντας στο μεταλλικό πλέγμα των κραμάτων, προκαλεί την ευθραυστότητά τους. Επομένως, ο πιο αποτελεσματικός τρόπος αποθήκευσης H2 είναι να χρησιμοποιήσετε άτομα άνθρακα που μπορούν να δεσμεύσουν σταθερά το "απιαστό" αέριο.
Έτσι, η χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου σε λίγο πολύ μεγάλη κλίμακα είναι δυνατή μόνο εάν χρησιμοποιείται ως «αποθήκη» ηλεκτρικής ενέργειας (για παράδειγμα, μετατροπή της αιολικής και ηλιακής ενέργειας σε υδρογόνο με χρήση ηλεκτρόλυσης νερού), ή αν μάθετε να μεταφέρετε το H2 από το διάστημα (όπου υπάρχει πολύ) στη Γη.
