یکی از مشکلات فوری آلودگی محیط زیست و منابع انرژی محدود با منشاء آلی است. یک راه امیدوارکننده برای حل این مشکلات استفاده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی است. در این مقاله به موضوع احتراق هیدروژن، دما و شیمی این فرآیند خواهیم پرداخت.
هیدروژن چیست؟
قبل از بررسی این سوال که دمای احتراق هیدروژن چقدر است، لازم است به یاد داشته باشید که این ماده چیست.
هیدروژن سبک ترین عنصر شیمیایی است که فقط از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. در شرایط عادی (فشار 1 اتمسفر، دمای 0 oC) در حالت گازی وجود دارد. مولکول آن (H2) توسط 2 اتم این عنصر شیمیایی تشکیل شده است. هیدروژن سومین عنصر فراوان در سیاره ما و اولین عنصر در کیهان (حدود 90 درصد کل ماده) است.
گاز هیدروژن (H2)بی بو، بی مزه و بی رنگ. سمی نیست، با این حال، زمانی که محتوای آن در هوای اتمسفر چند درصد باشد، ممکن است فرد به دلیل کمبود اکسیژن دچار خفگی شود.
جالب است بدانیم که اگرچه از نظر شیمیایی، همه مولکول های H2 یکسان هستند، خواص فیزیکی آنها تا حدودی متفاوت است. همه چیز در مورد جهت گیری اسپین های الکترون است (آنها مسئول ظهور یک گشتاور مغناطیسی هستند)، که می تواند موازی و ضد موازی باشد، چنین مولکولی به ترتیب ارتو- و پاراهیدروژن نامیده می شود.
واکنش شیمیایی احتراق
با توجه به سوال دمای احتراق هیدروژن با اکسیژن، ما یک واکنش شیمیایی را ارائه می دهیم که این فرآیند را توصیف می کند: 2H2 + O2=> 2H2O. یعنی 3 مولکول در واکنش شرکت می کنند (دو هیدروژن و یک اکسیژن) و محصول دو مولکول آب است. این واکنش احتراق را از دیدگاه شیمیایی توصیف می کند و می توان قضاوت کرد که پس از عبور آن فقط آب خالص باقی می ماند که مانند احتراق سوخت های فسیلی (بنزین، الکل) محیط را آلوده نمی کند..
از طرف دیگر، این واکنش گرمازا است، یعنی علاوه بر آب مقداری گرما آزاد می کند که می توان از آن برای راندن خودروها و موشک ها و همچنین انتقال آن به سایر منابع انرژی مانند آب استفاده کرد. به عنوان برق.
مکانیسم فرآیند احتراق هیدروژن
در قسمت قبلی توضیح داده شدواکنش شیمیایی پاراگراف برای هر دانش آموز دبیرستانی شناخته شده است، اما این یک توصیف بسیار تقریبی از فرآیندی است که در واقعیت رخ می دهد. توجه داشته باشید که تا اواسط قرن گذشته، بشر نمی دانست که هیدروژن چگونه در هوا می سوزد و در سال 1956 جایزه نوبل شیمی برای مطالعه آن اهدا شد.
در واقع، اگر مولکول های O2 و H2 با هم برخورد کنند، هیچ واکنشی رخ نخواهد داد. هر دو مولکول کاملاً پایدار هستند. برای اینکه احتراق رخ دهد و آب تشکیل شود، رادیکال های آزاد باید وجود داشته باشند. به طور خاص، اتم های H، O و گروه های OH. در زیر دنباله ای از واکنش هایی است که در واقع هنگام سوختن هیدروژن رخ می دهد:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
از این واکنش ها چه می بینید؟ وقتی هیدروژن می سوزد، آب تشکیل می شود، بله، درست است، اما این اتفاق تنها زمانی رخ می دهد که گروهی از دو اتم OH با یک مولکول H2 برخورد کنند. علاوه بر این، تمام واکنش ها با تشکیل رادیکال های آزاد رخ می دهد، به این معنی که فرآیند احتراق خودپایدار شروع می شود.
بنابراین کلید شروع این واکنش، تشکیل رادیکال‌ها است. اگر کبریت سوخته را به مخلوط اکسیژن-هیدروژن بیاورید، یا اگر این مخلوط را بالاتر از دمای معینی گرم کنید، ظاهر می‌شوند.
واکنش آغاز
همانطور که اشاره شد، دو راه برای انجام این کار وجود دارد:
- با کمک جرقه ای که باید فقط 0 را ارائه کند،02 میلی ژول گرما این یک مقدار انرژی بسیار کوچک است، برای مقایسه، بیایید بگوییم که مقدار مشابه برای مخلوط بنزین 0.24 mJ و برای متان - 0.29 mJ است. با کاهش فشار، انرژی شروع واکنش افزایش می یابد. بنابراین، در 2 کیلو پاسکال، در حال حاضر 0.56 میلی ژول است. در هر صورت، این مقادیر بسیار کوچک هستند، بنابراین مخلوط هیدروژن و اکسیژن بسیار قابل اشتعال در نظر گرفته می شود.
- با کمک دما. یعنی مخلوط اکسیژن و هیدروژن را می توان به سادگی گرم کرد و بالاتر از دمای معینی خود را مشتعل می کند. زمانی که این اتفاق می افتد بستگی به فشار و درصد گازها دارد. در طیف وسیعی از غلظت‌ها در فشار اتمسفر، واکنش احتراق خود به خود در دماهای بالاتر از 773-850 کلوین، یعنی بالای 500-577 oC رخ می دهد. اینها مقادیر بسیار بالایی در مقایسه با مخلوط بنزینی هستند که در دمای کمتر از 300 به طور خود به خود شروع به مشتعل شدن می کند oC.
درصد گازها در مخلوط قابل احتراق
در مورد دمای احتراق هیدروژن در هوا، باید توجه داشت که هر مخلوطی از این گازها وارد فرآیند مورد بررسی نمی شود. به طور تجربی ثابت شده است که اگر مقدار اکسیژن کمتر از 6 درصد حجمی باشد یا اگر مقدار هیدروژن کمتر از 4 درصد حجمی باشد، هیچ واکنشی رخ نخواهد داد. با این حال، محدودیت های وجود یک مخلوط قابل احتراق بسیار گسترده است. برای هوا، درصد هیدروژن می تواند از 4.1٪ تا 74.8٪ متغیر باشد. توجه داشته باشید که مقدار بالایی فقط با حداقل مورد نیاز برای اکسیژن مطابقت دارد.
اگریک مخلوط اکسیژن-هیدروژن خالص را در نظر بگیرید، سپس محدودیت ها در اینجا حتی گسترده تر هستند: 4، 1-94%.
کاهش فشار گازها منجر به کاهش حدود مشخص شده می شود (حد پایین بالا می رود، حد بالایی کاهش می یابد).
همچنین درک این نکته مهم است که در طی احتراق هیدروژن در هوا (اکسیژن)، محصولات واکنش حاصل (آب) منجر به کاهش غلظت معرف‌ها می‌شود که می‌تواند منجر به خاتمه فرآیند شیمیایی شود..
ایمنی احتراق
این یک ویژگی مهم یک مخلوط قابل اشتعال است، زیرا به شما اجازه می دهد تا قضاوت کنید که آیا واکنش آرام است و قابل کنترل است یا اینکه فرآیند انفجاری است. چه چیزی میزان سوختن را تعیین می کند؟ البته بر غلظت معرف ها، فشار و همچنین میزان انرژی "دانه".
متاسفانه، هیدروژن در طیف وسیعی از غلظت ها قادر به احتراق انفجاری است. ارقام زیر در ادبیات ارائه شده است: 18.5-59٪ هیدروژن در مخلوط هوا. علاوه بر این، در لبه های این حد، در نتیجه انفجار، بیشترین مقدار انرژی در واحد حجم آزاد می شود.
ماهیت مشخص احتراق یک مشکل بزرگ برای استفاده از این واکنش به عنوان منبع کنترل شده انرژی است.
دمای واکنش احتراق
اکنون مستقیماً به پاسخ این سؤال می رسیم که کمترین دمای احتراق هیدروژن چقدر است. این 2321 K یا 2048 oC برای مخلوطی با 19.6% H2 است. یعنی دمای احتراق هیدروژن در هوا بیشتر است2000 oC (برای سایر غلظت ها می تواند به 2500 oC برسد)، و در مقایسه با مخلوط بنزین، این رقم بزرگی است (برای بنزین حدود 800 oC). اگر هیدروژن را در اکسیژن خالص بسوزانید، دمای شعله حتی بالاتر می‌رود (تا 2800 oC).
چنین دمای شعله بالا مشکل دیگری در استفاده از این واکنش به عنوان منبع انرژی ایجاد می کند، زیرا در حال حاضر هیچ آلیاژی وجود ندارد که بتواند برای مدت طولانی در چنین شرایط شدید کار کند.
البته، این مشکل با استفاده از یک سیستم خنک کننده خوب طراحی شده برای محفظه ای که در آن احتراق هیدروژن رخ می دهد، حل می شود.
میزان گرمای آزاد شده
به عنوان بخشی از سوال دمای احتراق هیدروژن، ارائه داده هایی در مورد میزان انرژی آزاد شده در طی این واکنش نیز جالب است. برای شرایط و ترکیبات مختلف مخلوط قابل احتراق، مقادیر از 119 MJ/kg تا 141 MJ/kg به دست آمد. برای اینکه بفهمیم این چقدر است، توجه می کنیم که مقدار مشابهی برای مخلوط بنزین حدود 40 مگا ژول بر کیلوگرم است.
بازده انرژی مخلوط هیدروژن بسیار بیشتر از بنزین است، که یک مزیت بزرگ برای استفاده از آن به عنوان سوخت برای موتورهای احتراق داخلی است. با این حال، اینجا هم همه چیز به این سادگی نیست. همه چیز در مورد چگالی هیدروژن است، در فشار اتمسفر بسیار کم است. بنابراین، 1 متر3 از این گاز تنها 90 گرم وزن دارد. اگر این 1 m3 H2 را بسوزانید، حدود 10-11 مگا ژول گرما آزاد می شود که در حال حاضر 4 برابر کمتر از زمانی است که سوزاندن 1 کیلوگرم بنزین (کمی بیش از 1 لیتر).
اشکال داده شده نشان می دهد که برای استفاده از واکنش احتراق هیدروژن، لازم است یاد بگیرید که چگونه این گاز را در سیلندرهای فشار قوی ذخیره کنید، که در حال حاضر هم از نظر فناوری و هم از نظر ایمنی مشکلات اضافی ایجاد می کند.
استفاده از مخلوط قابل احتراق هیدروژن در فناوری: مشکلات
باید فوراً گفت که در حال حاضر مخلوط قابل احتراق هیدروژن در برخی از مناطق فعالیت انسانی استفاده می شود. به عنوان مثال، به عنوان سوخت اضافی برای موشک های فضایی، به عنوان منابع تولید انرژی الکتریکی، و همچنین در مدل های آزمایشی اتومبیل های مدرن. با این حال، مقیاس این کاربرد در مقایسه با سوخت های فسیلی ناچیز است و به طور کلی ماهیت تجربی دارد. دلیل این امر نه تنها مشکل در کنترل خود واکنش احتراق، بلکه در ذخیره، حمل و نقل و استخراج H2 است.
هیدروژن روی زمین عملاً به شکل خالص وجود ندارد، بنابراین باید از ترکیبات مختلف به دست آید. مثلا از آب. این یک روش نسبتاً محبوب در حال حاضر است که با عبور جریان الکتریکی از طریق H2O انجام می شود. کل مشکل این است که انرژی بیشتری مصرف می‌کند که با سوزاندن H2.
مشکل مهم دیگر حمل و نقل و ذخیره هیدروژن است. واقعیت این است که این گاز، به دلیل اندازه کوچک مولکول های خود، می تواند از هر مکانی "بیرون بزند"ظروف علاوه بر این، ورود به شبکه فلزی آلیاژها باعث شکنندگی آنها می شود. بنابراین، کارآمدترین راه برای ذخیره‌سازی H2 استفاده از اتم‌های کربن است که می‌توانند گاز "گریزان" را محکم ببندند.
بنابراین، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در مقیاس کم و بیش وسیع تنها در صورتی امکان پذیر است که از آن به عنوان "ذخیره" الکتریسیته استفاده شود (به عنوان مثال، تبدیل انرژی باد و خورشید به هیدروژن با استفاده از الکترولیز آب). ، یا اگر یاد گرفتید H2 را از فضا (جایی که مقدار زیادی از آن وجود دارد) به زمین تحویل دهید.
