Salah satu masalah mendesak ialah pencemaran alam sekitar dan sumber tenaga yang terhad dari asal organik. Cara yang menjanjikan untuk menyelesaikan masalah ini adalah dengan menggunakan hidrogen sebagai sumber tenaga. Dalam artikel kami akan mempertimbangkan isu pembakaran hidrogen, suhu dan kimia proses ini.
Apakah hidrogen?
Sebelum mempertimbangkan persoalan apakah suhu pembakaran hidrogen, adalah perlu untuk mengingati apakah bahan ini.
Hidrogen ialah unsur kimia paling ringan, terdiri daripada hanya satu proton dan satu elektron. Dalam keadaan biasa (tekanan 1 atm., suhu 0 oC) ia hadir dalam keadaan gas. Molekulnya (H2) dibentuk oleh 2 atom unsur kimia ini. Hidrogen ialah unsur ke-3 paling banyak di planet kita, dan yang pertama di Alam Semesta (kira-kira 90% daripada semua jirim).
Gas hidrogen (H2)tidak berbau, tidak berasa dan tidak berwarna. Ia tidak toksik, bagaimanapun, apabila kandungannya dalam udara atmosfera adalah beberapa peratus, maka seseorang mungkin mengalami sesak nafas kerana kekurangan oksigen.
Adalah ingin tahu bahawa walaupun dari sudut pandangan kimia, semua molekul H2 adalah sama, sifat fizikalnya agak berbeza. Ini semua tentang orientasi putaran elektron (mereka bertanggungjawab untuk kemunculan momen magnetik), yang boleh selari dan antiselari, molekul sedemikian dipanggil orto- dan parahidrogen, masing-masing.
Tindak balas kimia pembakaran
Memandangkan persoalan suhu pembakaran hidrogen dengan oksigen, kami membentangkan tindak balas kimia yang menerangkan proses ini: 2H2 + O2=> 2H2O. Iaitu, 3 molekul mengambil bahagian dalam tindak balas (dua hidrogen dan satu oksigen), dan produknya ialah dua molekul air. Tindak balas ini menerangkan pembakaran dari sudut kimia, dan boleh dinilai bahawa selepas laluannya, hanya air tulen yang tinggal, yang tidak mencemarkan alam sekitar, seperti yang berlaku semasa pembakaran bahan api fosil (petrol, alkohol).
Sebaliknya, tindak balas ini adalah eksotermik, iaitu, sebagai tambahan kepada air, ia membebaskan sedikit haba yang boleh digunakan untuk memandu kereta dan roket, serta memindahkannya ke sumber tenaga lain, seperti sebagai elektrik.
Mekanisme proses pembakaran hidrogen
Diterangkan dalam sebelumnyatindak balas kimia perenggan diketahui oleh mana-mana pelajar sekolah menengah, tetapi ia adalah penerangan yang sangat kasar tentang proses yang berlaku dalam realiti. Ambil perhatian bahawa sehingga pertengahan abad yang lalu, manusia tidak tahu bagaimana hidrogen terbakar di udara, dan pada tahun 1956 Hadiah Nobel dalam Kimia telah dianugerahkan untuk kajiannya.
Malah, jika molekul O2 dan H2 berlanggar, tiada tindak balas akan berlaku. Kedua-dua molekul agak stabil. Untuk pembakaran berlaku dan air terbentuk, radikal bebas mesti wujud. Khususnya, atom H, O dan kumpulan OH. Berikut ialah urutan tindak balas yang sebenarnya berlaku apabila hidrogen dibakar:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Apakah yang anda lihat daripada reaksi ini? Apabila hidrogen terbakar, air terbentuk, ya, betul, tetapi ia hanya berlaku apabila sekumpulan dua atom OH bertemu dengan molekul H2. Di samping itu, semua tindak balas berlaku dengan pembentukan radikal bebas, yang bermaksud bahawa proses pembakaran mampan sendiri bermula.
Jadi kunci untuk memulakan tindak balas ini ialah pembentukan radikal. Ia muncul jika anda membawa mancis yang menyala ke campuran oksigen-hidrogen, atau jika anda memanaskan campuran ini melebihi suhu tertentu.
Memulakan reaksi
Seperti yang dinyatakan, terdapat dua cara untuk melakukan ini:
- Dengan bantuan percikan yang sepatutnya memberikan hanya 0,02 mJ haba. Ini adalah nilai tenaga yang sangat kecil, sebagai perbandingan, katakan bahawa nilai yang sama untuk campuran petrol ialah 0.24 mJ, dan untuk metana - 0.29 mJ. Apabila tekanan berkurangan, tenaga permulaan tindak balas meningkat. Jadi, pada 2 kPa, ia sudah 0.56 mJ. Walau apa pun, ini adalah nilai yang sangat kecil, jadi campuran hidrogen-oksigen dianggap sangat mudah terbakar.
- Dengan bantuan suhu. Iaitu, campuran oksigen-hidrogen hanya boleh dipanaskan, dan di atas suhu tertentu ia akan menyala sendiri. Apabila ini berlaku bergantung kepada tekanan dan peratusan gas. Dalam julat kepekatan yang luas pada tekanan atmosfera, tindak balas pembakaran spontan berlaku pada suhu melebihi 773-850 K, iaitu melebihi 500-577 oC. Ini adalah nilai yang agak tinggi berbanding dengan campuran petrol, yang mula menyala secara spontan pada suhu di bawah 300 oC.
Peratusan gas dalam campuran mudah terbakar
Bercakap tentang suhu pembakaran hidrogen dalam udara, perlu diingatkan bahawa tidak semua campuran gas ini akan masuk ke dalam proses yang sedang dipertimbangkan. Telah terbukti secara eksperimen bahawa jika jumlah oksigen kurang daripada 6% mengikut isipadu, atau jika jumlah hidrogen adalah kurang daripada 4% mengikut isipadu, maka tiada tindak balas akan berlaku. Walau bagaimanapun, had kewujudan campuran mudah terbakar adalah agak luas. Untuk udara, peratusan hidrogen boleh berkisar antara 4.1% hingga 74.8%. Ambil perhatian bahawa nilai atas hanya sepadan dengan minimum yang diperlukan untuk oksigen.
Jikapertimbangkan campuran oksigen-hidrogen tulen, maka hadnya lebih luas di sini: 4, 1-94%.
Mengurangkan tekanan gas membawa kepada pengurangan dalam had yang ditentukan (had bawah naik, had atas turun).
Ia juga penting untuk memahami bahawa semasa pembakaran hidrogen dalam udara (oksigen), hasil tindak balas yang terhasil (air) membawa kepada penurunan kepekatan reagen, yang boleh menyebabkan penamatan proses kimia..
Keselamatan pembakaran
Ini adalah ciri penting bagi campuran mudah terbakar, kerana ia membolehkan anda menilai sama ada tindak balas itu tenang dan boleh dikawal, atau prosesnya meletup. Apakah yang menentukan kadar pembakaran? Sudah tentu, pada kepekatan reagen, pada tekanan, dan juga pada jumlah tenaga "benih".
Malangnya, hidrogen dalam julat kepekatan yang luas mampu melakukan pembakaran yang meletup. Angka berikut diberikan dalam literatur: 18.5-59% hidrogen dalam campuran udara. Selain itu, di tepi had ini, akibat letupan, jumlah tenaga terbesar bagi setiap unit isipadu dilepaskan.
Sifat pembakaran yang ketara menimbulkan masalah besar untuk menggunakan tindak balas ini sebagai sumber tenaga terkawal.
Suhu tindak balas pembakaran
Sekarang kita datang terus kepada jawapan kepada soalan, apakah suhu terendah pembakaran hidrogen. Ia adalah 2321 K atau 2048 oC untuk campuran dengan 19.6% H2. Iaitu, suhu pembakaran hidrogen dalam udara lebih tinggi2000 oC (untuk kepekatan lain ia boleh mencapai 2500 oC), dan berbanding dengan campuran petrol, ini adalah angka yang besar (untuk petrol kira-kira 800 oC). Jika anda membakar hidrogen dalam oksigen tulen, suhu nyalaan akan menjadi lebih tinggi (sehingga 2800 oC).
Suhu nyalaan yang tinggi menimbulkan masalah lain dalam menggunakan tindak balas ini sebagai sumber tenaga, kerana pada masa ini tiada aloi yang boleh berfungsi untuk jangka masa yang lama dalam keadaan yang melampau.
Sudah tentu, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan sistem penyejukan yang direka dengan baik untuk ruang tempat pembakaran hidrogen berlaku.
Jumlah haba yang dibebaskan
Sebagai sebahagian daripada persoalan suhu pembakaran hidrogen, ia juga menarik untuk menyediakan data tentang jumlah tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas ini. Untuk keadaan dan komposisi yang berbeza bagi campuran mudah terbakar, nilai dari 119 MJ/kg hingga 141 MJ/kg telah diperolehi. Untuk memahami berapa banyak ini, kami ambil perhatian bahawa nilai yang sama untuk campuran petrol ialah kira-kira 40 MJ / kg.
Hasil tenaga bagi campuran hidrogen jauh lebih tinggi daripada petrol, yang merupakan kelebihan besar untuk kegunaannya sebagai bahan api untuk enjin pembakaran dalaman. Walau bagaimanapun, tidak semuanya begitu mudah di sini sama ada. Ini semua tentang ketumpatan hidrogen, ia terlalu rendah pada tekanan atmosfera. Jadi, 1 m3 daripada gas ini seberat 90 gram sahaja. Jika anda membakar 1 m3 H2 ini, maka kira-kira 10-11 MJ haba akan dibebaskan, iaitu sudah 4 kali lebih sedikit daripada masa membakar 1 kg petrol (lebih daripada 1 liter).
Angka yang diberikan menunjukkan bahawa untuk menggunakan tindak balas pembakaran hidrogen, adalah perlu untuk mempelajari cara menyimpan gas ini dalam silinder tekanan tinggi, yang sudah menimbulkan kesukaran tambahan, baik dari segi teknologi mahupun keselamatan.
Penggunaan campuran mudah terbakar hidrogen dalam teknologi: masalah
Perlu dikatakan dengan segera bahawa pada masa ini campuran mudah terbakar hidrogen telah digunakan dalam beberapa bidang aktiviti manusia. Sebagai contoh, sebagai bahan api tambahan untuk roket angkasa, sebagai sumber untuk menjana tenaga elektrik, serta dalam model eksperimen kereta moden. Walau bagaimanapun, skala aplikasi ini adalah kecil berbanding dengan bahan api fosil dan secara amnya bersifat eksperimen. Sebabnya bukan sahaja kesukaran mengawal tindak balas pembakaran itu sendiri, tetapi juga dalam penyimpanan, pengangkutan dan pengekstrakan H2.
Hidrogen di Bumi secara praktikalnya tidak wujud dalam bentuk tulennya, jadi ia mesti diperoleh daripada pelbagai sebatian. Contohnya, dari air. Ini ialah kaedah yang agak popular pada masa ini, yang dijalankan dengan menghantar arus elektrik melalui H2O. Masalah keseluruhannya ialah ini menggunakan lebih banyak tenaga daripada yang boleh diperolehi dengan membakar H2.
Satu lagi masalah penting ialah pengangkutan dan penyimpanan hidrogen. Hakikatnya ialah gas ini, kerana saiz molekulnya yang kecil, mampu "terbang keluar" dari mana-manabekas. Di samping itu, masuk ke dalam kekisi logam aloi, ia menyebabkan kerosakkan mereka. Oleh itu, cara yang paling berkesan untuk menyimpan H2 ialah menggunakan atom karbon yang boleh mengikat gas "lusif" dengan kukuh.
Oleh itu, penggunaan hidrogen sebagai bahan api pada skala yang lebih kurang besar hanya mungkin jika ia digunakan sebagai "penyimpanan" elektrik (contohnya, menukar tenaga angin dan suria kepada hidrogen menggunakan elektrolisis air), atau jika anda belajar hantar H2 dari angkasa (di mana terdapat banyak) ke Bumi.
