Jednym z pilnych problemów jest zanieczyszczenie środowiska i ograniczone zasoby energii pochodzenia organicznego. Obiecującym sposobem rozwiązania tych problemów jest wykorzystanie wodoru jako źródła energii. W artykule rozważymy kwestię spalania wodoru, temperatury i chemii tego procesu.
Co to jest wodór?
Zanim zastanowimy się, jaka jest temperatura spalania wodoru, należy pamiętać, czym jest ta substancja.
Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem chemicznym, składającym się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. W normalnych warunkach (ciśnienie 1 atm., temperatura 0 oC) występuje w stanie gazowym. Jego cząsteczka (H2) składa się z 2 atomów tego pierwiastka chemicznego. Wodór jest trzecim najobficiej występującym pierwiastkiem na naszej planecie i pierwszym we Wszechświecie (około 90% całej materii).
Gazowy wodór (H2)bezwonny, bez smaku i bezbarwny. Nie jest toksyczny, jednak gdy jego zawartość w powietrzu atmosferycznym wynosi kilka procent, wówczas człowiek może doświadczyć uduszenia z powodu braku tlenu.
Ciekawe, że chociaż z chemicznego punktu widzenia wszystkie cząsteczki H2 są identyczne, ich właściwości fizyczne są nieco inne. Chodzi o orientację spinów elektronów (odpowiadają one za pojawienie się momentu magnetycznego), które mogą być równoległe i antyrównoległe, taka cząsteczka nazywa się odpowiednio orto- i parawodorem.
Reakcja chemiczna spalania
Rozważając kwestię temperatury spalania wodoru z tlenem, przedstawiamy reakcję chemiczną opisującą ten proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Oznacza to, że w reakcji biorą udział 3 cząsteczki (dwa wodór i jeden tlen), a produktem są dwie cząsteczki wody. Reakcja ta opisuje spalanie z chemicznego punktu widzenia i można sądzić, że po jego przejściu pozostaje tylko czysta woda, która nie zanieczyszcza środowiska, jak ma to miejsce podczas spalania paliw kopalnych (benzyna, alkohol).
Z drugiej strony ta reakcja jest egzotermiczna, to znaczy oprócz wody wydziela trochę ciepła, które można wykorzystać do napędzania samochodów i rakiet, a także do przeniesienia go do innych źródeł energii, takich jak jako prąd.
Mechanizm procesu spalania wodoru
Opisane w poprzednimust. reakcja chemiczna jest znana każdemu uczniowi szkoły średniej, ale jest to bardzo przybliżony opis procesu, który zachodzi w rzeczywistości. Należy pamiętać, że do połowy ubiegłego wieku ludzkość nie wiedziała, jak wodór spala się w powietrzu, a w 1956 roku za jego badania przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
W rzeczywistości, jeśli cząsteczki O2 i H2 zderzą się ze sobą, reakcja nie nastąpi. Obie cząsteczki są dość stabilne. Aby nastąpiło spalanie i powstała woda, muszą istnieć wolne rodniki. W szczególności atomy H, O i grupy OH. Poniżej znajduje się sekwencja reakcji, które faktycznie zachodzą podczas spalania wodoru:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Co widzisz po tych reakcjach? Podczas spalania wodoru powstaje woda, tak, to prawda, ale dzieje się tak tylko wtedy, gdy grupa dwóch atomów OH spotyka cząsteczkę H2. Ponadto wszystkie reakcje zachodzą z powstawaniem wolnych rodników, co oznacza, że rozpoczyna się proces samopodtrzymującego się spalania.
Kluczem do rozpoczęcia tej reakcji jest więc powstanie rodników. Pojawiają się, gdy do mieszanki tlenowo-wodorowej wprowadzisz płonącą zapałkę lub jeśli podgrzejesz tę mieszankę powyżej określonej temperatury.
Inicjowanie reakcji
Jak już wspomniano, można to zrobić na dwa sposoby:
- Z pomocą iskry, która powinna zapewnić tylko 0,02 mJ ciepła. Jest to bardzo mała wartość energetyczna, dla porównania załóżmy, że podobna wartość dla mieszanki benzynowej wynosi 0,24 mJ, a dla metanu 0,29 mJ. Wraz ze spadkiem ciśnienia wzrasta energia inicjacji reakcji. Czyli przy 2 kPa jest to już 0,56 mJ. W każdym razie są to bardzo małe wartości, więc mieszanina wodoru i tlenu jest uważana za wysoce łatwopalną.
- Z pomocą temperatury. Oznacza to, że mieszaninę tlen-wodór można po prostu ogrzać, a powyżej określonej temperatury sama się zapali. Kiedy tak się dzieje, zależy od ciśnienia i procentu gazów. W szerokim zakresie stężeń pod ciśnieniem atmosferycznym reakcja samozapłonu zachodzi w temperaturach powyżej 773-850 K, czyli powyżej 500-577 oC. Są to dość wysokie wartości w porównaniu do mieszanki benzynowej, która zaczyna się samoistnie zapalać już w temperaturach poniżej 300 oC.
Procent gazów w mieszaninie palnej
Mówiąc o temperaturze spalania wodoru w powietrzu należy zauważyć, że nie każda mieszanina tych gazów zostanie włączona do rozważanego procesu. Zostało eksperymentalnie ustalone, że jeśli ilość tlenu jest mniejsza niż 6% obj. lub jeżeli ilość wodoru jest mniejsza niż 4% obj., to reakcja nie zajdzie. Jednak granice istnienia mieszanki palnej są dość szerokie. W przypadku powietrza procent wodoru może wynosić od 4,1% do 74,8%. Zauważ, że górna wartość odpowiada wymaganemu minimum dla tlenu.
Jeślirozważ czystą mieszankę tlenowo-wodorową, wtedy granice są tu jeszcze szersze: 4, 1-94%.
Obniżenie ciśnienia gazów prowadzi do obniżenia określonych limitów (dolna granica rośnie, górna spada).
Ważne jest również, aby zrozumieć, że podczas spalania wodoru w powietrzu (tlenie) powstające produkty reakcji (woda) prowadzą do zmniejszenia stężenia odczynników, co może prowadzić do zakończenia procesu chemicznego.
Bezpieczeństwo spalania
Jest to ważna cecha palnej mieszaniny, ponieważ pozwala ocenić, czy reakcja jest spokojna i może być kontrolowana, czy też proces jest wybuchowy. Co decyduje o szybkości spalania? Oczywiście od koncentracji odczynników, od ciśnienia, a także od ilości energii "ziarna".
Niestety wodór w szerokim zakresie stężeń jest zdolny do wybuchowego spalania. W literaturze podawane są następujące liczby: 18,5-59% wodoru w mieszaninie powietrza. Co więcej, na krawędziach tej granicy, w wyniku detonacji, uwalniana jest największa ilość energii na jednostkę objętości.
Wyraźny charakter spalania stanowi duży problem w wykorzystaniu tej reakcji jako kontrolowanego źródła energii.
Temperatura reakcji spalania
Teraz dochodzimy bezpośrednio do odpowiedzi na pytanie, jaka jest najniższa temperatura spalania wodoru. Jest to 2321 K lub 2048 oC dla mieszaniny o 19,6% H2. Oznacza to, że temperatura spalania wodoru w powietrzu jest wyższa2000 oC (dla innych stężeń może osiągnąć 2500 oC) i w porównaniu z mieszanką benzynową jest to ogromna liczba (dla benzyny około 800 oC). Jeśli spalasz wodór w czystym tlenie, temperatura płomienia będzie jeszcze wyższa (do 2800 oC).
Tak wysoka temperatura płomienia stanowi kolejny problem w wykorzystaniu tej reakcji jako źródła energii, ponieważ obecnie nie ma stopów, które mogłyby pracować przez długi czas w tak ekstremalnych warunkach.
Oczywiście ten problem został rozwiązany poprzez zastosowanie dobrze zaprojektowanego systemu chłodzenia komory, w której zachodzi spalanie wodoru.
Ilość uwolnionego ciepła
W ramach pytania o temperaturę spalania wodoru interesujące jest również dostarczenie danych na temat ilości energii, która jest uwalniana podczas tej reakcji. Dla różnych warunków i składów mieszanki palnej uzyskano wartości od 119 MJ/kg do 141 MJ/kg. Aby zrozumieć, ile to jest, zauważamy, że podobna wartość dla mieszanki benzynowej wynosi około 40 MJ/kg.
Wydajność energetyczna mieszanki wodorowej jest znacznie wyższa niż benzyny, co jest ogromnym plusem jej wykorzystania jako paliwa do silników spalinowych. Jednak i tutaj nie wszystko jest takie proste. Chodzi o gęstość wodoru, jest on zbyt niski przy ciśnieniu atmosferycznym. Tak więc 1 m3 tego gazu waży tylko 90 gramów. Jeśli spalisz ten 1 m3 H2, uwolnione zostanie około 10-11 MJ ciepła, czyli już 4 razy mniej niż w przypadku spalanie 1 kg benzyny (nieco ponad 1 litr).
Podane liczby wskazują, że aby wykorzystać reakcję spalania wodoru, konieczne jest nauczenie się magazynowania tego gazu w butlach wysokociśnieniowych, co już stwarza dodatkowe trudności, zarówno pod względem technologicznym, jak i bezpieczeństwa.
Zastosowanie mieszanki palnej wodoru w technologii: problemy
Należy od razu powiedzieć, że obecnie palna mieszanina wodoru jest już wykorzystywana w niektórych obszarach działalności człowieka. Na przykład jako dodatkowe paliwo do rakiet kosmicznych, jako źródło wytwarzania energii elektrycznej, a także w eksperymentalnych modelach nowoczesnych samochodów. Jednak skala tego zastosowania jest niewielka w porównaniu z paliwami kopalnymi i generalnie ma charakter eksperymentalny. Powodem tego jest nie tylko trudność w kontrolowaniu samej reakcji spalania, ale także w przechowywaniu, transporcie i ekstrakcji H2.
Wodór na Ziemi praktycznie nie istnieje w czystej postaci, więc musi być pozyskiwany z różnych związków. Na przykład z wody. Jest to obecnie dość popularna metoda, która polega na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez H2O. Cały problem polega na tym, że zużywa to więcej energii niż można uzyskać spalając H2.
Kolejnym ważnym problemem jest transport i przechowywanie wodoru. Faktem jest, że ten gaz, ze względu na niewielkie rozmiary swoich cząsteczek, jest w stanie „wylecieć” z każdegopojemniki. Dodatkowo dostanie się w metalową siatkę stopów powoduje ich kruchość. Dlatego najwydajniejszym sposobem przechowywania H2 jest użycie atomów węgla, które mogą mocno związać „nieuchwytny” gaz.
Tak więc wykorzystanie wodoru jako paliwa na mniej więcej dużą skalę jest możliwe tylko wtedy, gdy jest on używany jako „magazyn” energii elektrycznej (na przykład przekształcanie energii wiatru i słońca w wodór za pomocą elektrolizy wody), lub jeśli nauczysz się dostarczać H2 z kosmosu (gdzie jest go dużo) na Ziemię.
