Ett av de akuta problemen är miljöföroreningar och begränsade energiresurser av organiskt ursprung. Ett lovande sätt att lösa dessa problem är att använda väte som energikälla. I artikeln kommer vi att överväga frågan om väteförbränning, temperaturen och kemin i denna process.
Vad är väte?
Innan man överväger frågan om vad är förbränningstemperaturen för väte, är det nödvändigt att komma ihåg vad detta ämne är.
Väte är det lättaste kemiska grundämnet, som bara består av en proton och en elektron. Under normala förhållanden (tryck 1 atm., temperatur 0 oC) är den närvarande i gasformigt tillstånd. Dess molekyl (H2) bildas av 2 atomer av detta kemiska element. Väte är det 3:e vanligaste grundämnet på vår planet, och det 1:a i universum (cirka 90 % av all materia).
vätgas (H2)luktfri, smaklös och färglös. Det är dock inte giftigt, när dess innehåll i atmosfärens luft är några få procent, kan en person uppleva kvävning på grund av syrebrist.
Det är märkligt att notera att även om alla H2-molekylerna är identiska ur kemisk synvinkel är deras fysikaliska egenskaper något olika. Allt handlar om orienteringen av elektronsnurren (de är ansvariga för uppkomsten av ett magnetiskt moment), som kan vara parallella och antiparallella, en sådan molekyl kallas orto- respektive paraväte.
Kemisk förbränningsreaktion
Med tanke på frågan om förbränningstemperaturen för väte med syre presenterar vi en kemisk reaktion som beskriver denna process: 2H2 + O2=> 2H2O. Det vill säga, 3 molekyler deltar i reaktionen (två väte och ett syre), och produkten är två vattenmolekyler. Denna reaktion beskriver förbränning ur en kemisk synvinkel och man kan bedöma att efter dess passage återstår endast rent vatten, som inte förorenar miljön, vilket sker vid förbränning av fossila bränslen (bensin, alkohol).
Å andra sidan är denna reaktion exoterm, det vill säga att den förutom vatten frigör en del värme som kan användas för att köra bilar och raketer, samt för att överföra den till andra energikällor, t.ex. som el.
Mekanism för väteförbränningsprocessen
Beskrivs i föregåendestycke kemisk reaktion är känd för alla gymnasieelever, men det är en mycket grov beskrivning av processen som sker i verkligheten. Observera att fram till mitten av förra seklet visste inte mänskligheten hur väte brinner i luft, och 1956 delades Nobelpriset i kemi ut för sin studie.
Faktum är att om O2 och H2 molekyler kolliderar, kommer ingen reaktion att inträffa. Båda molekylerna är ganska stabila. För att förbränning ska ske och vatten ska bildas måste det finnas fria radikaler. I synnerhet H, O-atomer och OH-grupper. Följande är en sekvens av reaktioner som faktiskt inträffar när väte förbränns:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Vad ser du av dessa reaktioner? När väte brinner bildas vatten, ja, det stämmer, men det händer bara när en grupp av två OH-atomer möter en H2-molekyl. Dessutom sker alla reaktioner med bildandet av fria radikaler, vilket gör att processen med självuppehållande förbränning startar.
Så nyckeln till att starta denna reaktion är bildandet av radikaler. De visas om du tar med en brinnande tändsticka till en syre-väteblandning, eller om du värmer denna blandning över en viss temperatur.
Initierar reaktion
Som noterat finns det två sätt att göra detta:
- Med hjälp av en gnista som bara ska ge 0,02 mJ värme. Detta är ett mycket litet energivärde, för jämförelse, låt oss säga att det liknande värdet för en bensinblandning är 0,24 mJ och för metan - 0,29 mJ. När trycket minskar, ökar reaktionsinitieringsenergin. Så vid 2 kPa är det redan 0,56 mJ. Det är i alla fall mycket små värden, så väte-syreblandningen anses vara mycket brandfarlig.
- Med hjälp av temperatur. Det vill säga att syre-väteblandningen helt enkelt kan värmas upp, och över en viss temperatur kommer den att antända sig själv. När detta händer beror på trycket och andelen gaser. I ett brett område av koncentrationer vid atmosfärstryck sker den spontana förbränningsreaktionen vid temperaturer över 773-850 K, det vill säga över 500-577 oC. Det är ganska höga värden jämfört med en bensinblandning, som börjar självantända redan vid temperaturer under 300 oC.
Procentandel av gaser i den brännbara blandningen
På tal om temperaturen vid förbränning av väte i luft, bör det noteras att inte varje blandning av dessa gaser kommer att ingå i den aktuella processen. Det har experimentellt fastställts att om mängden syre är mindre än 6 volymprocent, eller om mängden väte är mindre än 4 volymprocent, kommer ingen reaktion att inträffa. Emellertid är gränserna för förekomsten av en brännbar blandning ganska vida. För luft kan andelen väte variera från 4,1 % till 74,8 %. Observera att det övre värdet bara motsvarar det minimum som krävs för syre.
Iföverväg en ren syre-väteblandning, då är gränserna ännu bredare här: 4, 1-94%.
Reducering av gastrycket leder till en minskning av de specificerade gränserna (den nedre gränsen stiger, den övre sjunker).
Det är också viktigt att förstå att under förbränning av väte i luft (syre) leder de resulterande reaktionsprodukterna (vatten) till en minskning av koncentrationen av reagens, vilket kan leda till att den kemiska processen avbryts.
Förbränningssäkerhet
Detta är en viktig egenskap hos en brandfarlig blandning, eftersom den låter dig bedöma om reaktionen är lugn och kan kontrolleras, eller om processen är explosiv. Vad bestämmer brinnhastigheten? Naturligtvis på koncentrationen av reagenser, på trycket och även på mängden energi i "fröet".
Tyvärr är väte i ett brett spektrum av koncentrationer kapabelt till explosiv förbränning. Följande siffror anges i litteraturen: 18,5-59% väte i luftblandningen. Dessutom, vid kanterna av denna gräns, som ett resultat av detonation, frigörs den största mängden energi per volymenhet.
Den markanta karaktären av förbränning utgör ett stort problem för att använda denna reaktion som en kontrollerad energikälla.
Förbränningsreaktionstemperatur
Nu kommer vi direkt till svaret på frågan, vad är den lägsta temperaturen för väteförbränning. Det är 2321 K eller 2048 oC för en blandning med 19,6 % H2. Det vill säga att förbränningstemperaturen för väte i luft är högre2000 oC (för andra koncentrationer kan den nå 2500 oC), och jämfört med en bensinblandning är detta en enorm siffra (för bensin cirka 800 oC). Om du bränner väte i rent syre blir lågtemperaturen ännu högre (upp till 2800 oC).
En sådan hög flamtemperatur utgör ett annat problem med att använda denna reaktion som energikälla, eftersom det för närvarande inte finns några legeringar som kan arbeta under lång tid under sådana extrema förhållanden.
Naturligtvis löses detta problem genom att använda ett väldesignat kylsystem för kammaren där väteförbränning sker.
Mängd värme som frigörs
Som en del av frågan om vätgas förbränningstemperatur är det också intressant att ge data om mängden energi som frigörs vid denna reaktion. För olika förhållanden och sammansättningar av den brännbara blandningen erhölls värden från 119 MJ/kg till 141 MJ/kg. För att förstå hur mycket detta är, noterar vi att ett liknande värde för en bensinblandning är cirka 40 MJ/kg.
Energiutbytet för en väteblandning är mycket högre än för bensin, vilket är ett stort plus för dess användning som bränsle för förbränningsmotorer. Men allt är inte så enkelt här heller. Allt handlar om densiteten av väte, det är för lågt vid atmosfärstryck. Så, 1 m3 av denna gas väger bara 90 gram. Om du bränner denna 1 m3 H2, kommer cirka 10-11 MJ värme att frigöras, vilket redan är 4 gånger mindre än när bränner 1 kg bensin (drygt 1 liter).
De givna siffrorna indikerar att för att kunna använda väteförbränningsreaktionen är det nödvändigt att lära sig hur man lagrar denna gas i högtrycksflaskor, vilket redan skapar ytterligare svårigheter, både när det gäller teknik och säkerhet.
Användningen av en vätebrännbar blandning i teknik: problem
Det måste sägas omedelbart att för närvarande används den vätebrännbara blandningen redan inom vissa områden av mänsklig verksamhet. Till exempel som ett extra bränsle för rymdraketer, som källor för att generera elektrisk energi, såväl som i experimentella modeller av moderna bilar. Omfattningen av denna applikation är dock mycket liten jämfört med den för fossila bränslen och är generellt experimentell till sin natur. Anledningen till detta är inte bara svårigheten att kontrollera själva förbränningsreaktionen, utan också i lagring, transport och utvinning av H2.
Väte på jorden existerar praktiskt taget inte i sin rena form, så det måste erhållas från olika föreningar. Till exempel från vatten. Detta är en ganska populär metod för närvarande, som utförs genom att leda en elektrisk ström genom H2O. Hela problemet är att detta förbrukar mer energi än vad som sedan kan erhållas genom att bränna H2.
Ett annat viktigt problem är transport och lagring av väte. Faktum är att denna gas, på grund av den lilla storleken på dess molekyler, kan "flyga ut" från allabehållare. Dessutom, att komma in i metallgittret av legeringar, orsakar det deras sprödhet. Därför är det mest effektiva sättet att lagra H2 att använda kolatomer som fast kan binda den "glippiga" gasen.
Således är användningen av väte som bränsle i mer eller mindre stor skala endast möjlig om det används som ett "lager" av elektricitet (till exempel omvandling av vind- och solenergi till väte med hjälp av vattenelektrolys), eller om du lär dig leverera H2 från rymden (där det finns mycket av det) till jorden.
