Isa sa mga kagyat na problema ay ang polusyon sa kapaligiran at limitadong mapagkukunan ng enerhiya na organikong pinagmulan. Ang isang promising na paraan upang malutas ang mga problemang ito ay ang paggamit ng hydrogen bilang isang mapagkukunan ng enerhiya. Sa artikulong isasaalang-alang natin ang isyu ng hydrogen combustion, ang temperatura at chemistry ng prosesong ito.
Ano ang hydrogen?
Bago isaalang-alang ang tanong kung ano ang temperatura ng pagkasunog ng hydrogen, kailangang tandaan kung ano ang sangkap na ito.
Ang
Hydrogen ay ang pinakamagaan na elemento ng kemikal, na binubuo lamang ng isang proton at isang electron. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon (pressure 1 atm., temperatura 0 oC) ito ay naroroon sa gaseous state. Ang molekula nito (H2) ay nabuo sa pamamagitan ng 2 atomo ng elementong kemikal na ito. Ang hydrogen ay ang ika-3 pinaka-masaganang elemento sa ating planeta, at ang una sa Uniberso (mga 90% ng lahat ng bagay).
Hydrogen gas (H2)walang amoy, walang lasa at walang kulay. Ito ay hindi nakakalason, gayunpaman, kapag ang nilalaman nito sa hangin sa atmospera ay ilang porsyento, kung gayon ang isang tao ay maaaring makaranas ng pagka-suffocation dahil sa kakulangan ng oxygen.
Nakaka-curious na tandaan na bagama't mula sa kemikal na pananaw, lahat ng H2 na molekula ay magkapareho, ang kanilang mga pisikal na katangian ay medyo naiiba. Ang lahat ng ito ay tungkol sa oryentasyon ng mga electron spins (ang mga ito ay responsable para sa hitsura ng isang magnetic moment), na maaaring magkatulad at antiparallel, ang naturang molekula ay tinatawag na ortho- at parahydrogen, ayon sa pagkakabanggit.
Reaksyon ng kemikal sa pagkasunog
Isinasaalang-alang ang tanong ng temperatura ng pagkasunog ng hydrogen na may oxygen, nagpapakita kami ng kemikal na reaksyon na naglalarawan sa prosesong ito: 2H2 + O2=> 2H2O. Iyon ay, 3 molecule ang lumahok sa reaksyon (dalawang hydrogen at isang oxygen), at ang produkto ay dalawang molekula ng tubig. Ang reaksyong ito ay naglalarawan ng pagkasunog mula sa isang kemikal na pananaw, at maaari itong hatulan na pagkatapos ng pagpasa nito, purong tubig na lang ang natitira, na hindi nagpaparumi sa kapaligiran, gaya ng nangyayari sa panahon ng pagkasunog ng mga fossil fuel (gasolina, alkohol).
Sa kabilang banda, ang reaksyong ito ay exothermic, ibig sabihin, bilang karagdagan sa tubig, naglalabas ito ng kaunting init na maaaring magamit sa pagmamaneho ng mga kotse at mga rocket, gayundin upang ilipat ito sa iba pang mga mapagkukunan ng enerhiya, tulad ng bilang kuryente.
Mekanismo ng proseso ng hydrogen combustion
Inilarawan sa nakaraanAng reaksyong kemikal ng talata ay alam ng sinumang mag-aaral sa high school, ngunit ito ay isang napaka-magaspang na paglalarawan ng prosesong nangyayari sa katotohanan. Tandaan na hanggang sa kalagitnaan ng huling siglo, hindi alam ng sangkatauhan kung paano nasusunog ang hydrogen sa hangin, at noong 1956 ay iginawad ang Nobel Prize sa Chemistry para sa pag-aaral nito.
Sa katunayan, kung ang O2 at H2 na mga molekula ay nagbanggaan, walang reaksyon na magaganap. Ang parehong mga molekula ay medyo matatag. Para maganap ang pagkasunog at mabuo ang tubig, dapat na mayroong mga libreng radikal. Sa partikular, ang mga atomo ng H, O at mga pangkat ng OH. Ang sumusunod ay isang sequence ng mga reaksyon na aktwal na nagaganap kapag ang hydrogen ay sinunog:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Ano ang nakikita mo sa mga reaksyong ito? Kapag nasunog ang hydrogen, nabubuo ang tubig, oo, tama, ngunit nangyayari lamang ito kapag ang isang pangkat ng dalawang OH atoms ay nagtagpo ng isang H2 molecule. Bilang karagdagan, ang lahat ng mga reaksyon ay nangyayari sa pagbuo ng mga libreng radical, na nangangahulugan na ang proseso ng self-sustaining combustion ay magsisimula.
Kaya ang susi sa pagsisimula ng reaksyong ito ay ang pagbuo ng mga radikal. Lumilitaw ang mga ito kung magdadala ka ng nasusunog na posporo sa isang pinaghalong oxygen-hydrogen, o kung painitin mo ang halo na ito nang higit sa isang partikular na temperatura.
Pagsisimula ng reaksyon
Tulad ng nabanggit, may dalawang paraan para gawin ito:
- Sa tulong ng isang spark na dapat magbigay lamang ng 0,02 mJ ng init. Ito ay isang napakaliit na halaga ng enerhiya, para sa paghahambing, sabihin natin na ang katulad na halaga para sa isang halo ng gasolina ay 0.24 mJ, at para sa mitein - 0.29 mJ. Habang bumababa ang presyon, tumataas ang enerhiya sa pagsisimula ng reaksyon. Kaya, sa 2 kPa, ito ay 0.56 mJ. Sa anumang kaso, ang mga ito ay napakaliit na halaga, kaya ang pinaghalong hydrogen-oxygen ay itinuturing na lubos na nasusunog.
- Sa tulong ng temperatura. Iyon ay, ang pinaghalong oxygen-hydrogen ay maaari lamang na pinainit, at sa itaas ng isang tiyak na temperatura ito ay mag-apoy mismo. Kapag nangyari ito ay depende sa presyon at porsyento ng mga gas. Sa isang malawak na hanay ng mga konsentrasyon sa atmospheric pressure, ang spontaneous combustion reaction ay nangyayari sa mga temperaturang higit sa 773-850 K, iyon ay, sa itaas ng 500-577 oC. Ang mga ito ay medyo mataas na halaga kumpara sa pinaghalong gasolina, na nagsisimula nang kusang mag-apoy sa mga temperaturang mababa sa 300 oC.
Porsyento ng mga gas sa nasusunog na halo
Sa pagsasalita tungkol sa temperatura ng pagkasunog ng hydrogen sa hangin, dapat tandaan na hindi lahat ng pinaghalong mga gas na ito ay papasok sa prosesong isinasaalang-alang. Eksperimento na itinatag na kung ang dami ng oxygen ay mas mababa sa 6% sa dami, o kung ang halaga ng hydrogen ay mas mababa sa 4% sa dami, kung gayon walang reaksyon na magaganap. Gayunpaman, ang mga limitasyon ng pagkakaroon ng isang nasusunog na halo ay medyo malawak. Para sa hangin, ang porsyento ng hydrogen ay maaaring mula 4.1% hanggang 74.8%. Tandaan na ang itaas na halaga ay tumutugma lamang sa kinakailangang minimum para sa oxygen.
Kungisaalang-alang ang isang purong oxygen-hydrogen mixture, kung gayon ang mga limitasyon ay mas malawak dito: 4, 1-94%.
Ang pagbabawas sa presyon ng mga gas ay humahantong sa pagbawas sa mga tinukoy na limitasyon (ang mas mababang limitasyon ay tumaas, ang nasa itaas ay bumaba).
Mahalaga ring maunawaan na sa panahon ng pagkasunog ng hydrogen sa hangin (oxygen), ang mga resultang produkto ng reaksyon (tubig) ay humahantong sa pagbaba sa konsentrasyon ng mga reagents, na maaaring humantong sa pagwawakas ng proseso ng kemikal..
Kaligtasan sa pagkasunog
Ito ay isang mahalagang katangian ng isang nasusunog na timpla, dahil nagbibigay-daan ito sa iyong hatulan kung ang reaksyon ay kalmado at makokontrol, o ang proseso ay sumasabog. Ano ang tumutukoy sa rate ng pagkasunog? Siyempre, sa konsentrasyon ng mga reagents, sa presyon, at gayundin sa dami ng enerhiya ng "binhi".
Sa kasamaang palad, ang hydrogen sa malawak na hanay ng mga konsentrasyon ay may kakayahang sumabog na pagkasunog. Ang mga sumusunod na numero ay ibinigay sa panitikan: 18.5-59% hydrogen sa pinaghalong hangin. Bukod dito, sa mga gilid ng limitasyong ito, bilang resulta ng pagsabog, ang pinakamalaking halaga ng enerhiya sa bawat volume ng yunit ay inilalabas.
Ang minarkahang katangian ng pagkasunog ay nagpapakita ng isang malaking problema para sa paggamit ng reaksyong ito bilang isang kontroladong pinagmumulan ng enerhiya.
Temperatura ng reaksyon ng pagkasunog
Ngayon ay diretso na tayo sa sagot sa tanong, ano ang pinakamababang temperatura ng hydrogen combustion. Ito ay 2321 K o 2048 oC para sa halo na may 19.6% H2. Iyon ay, ang temperatura ng pagkasunog ng hydrogen sa hangin ay mas mataas2000 oC (para sa iba pang mga konsentrasyon maaari itong umabot sa 2500 oC), at kumpara sa pinaghalong gasolina, ito ay isang malaking bilang (para sa gasolina humigit-kumulang 800 oC). Kung magsusunog ka ng hydrogen sa purong oxygen, tataas pa ang temperatura ng apoy (hanggang 2800 oC).
Ang ganitong mataas na temperatura ng apoy ay nagpapakita ng isa pang problema sa paggamit ng reaksyong ito bilang pinagmumulan ng enerhiya, dahil sa kasalukuyan ay walang mga haluang metal na maaaring gumana nang mahabang panahon sa gayong matinding mga kondisyon.
Siyempre, nalulutas ang problemang ito sa pamamagitan ng paggamit ng mahusay na disenyong sistema ng paglamig para sa silid kung saan nagaganap ang pagkasunog ng hydrogen.
Halaga ng init na inilabas
Bilang bahagi ng tanong ng temperatura ng pagkasunog ng hydrogen, kawili-wiling magbigay ng data sa dami ng enerhiya na inilabas sa panahon ng reaksyong ito. Para sa iba't ibang mga kondisyon at komposisyon ng nasusunog na halo, nakuha ang mga halaga mula 119 MJ/kg hanggang 141 MJ/kg. Upang maunawaan kung magkano ito, tandaan namin na ang isang katulad na halaga para sa isang halo ng gasolina ay humigit-kumulang 40 MJ / kg.
Ang energy yield ng hydrogen mixture ay mas mataas kaysa sa gasolina, na isang malaking plus para sa paggamit nito bilang gasolina para sa internal combustion engine. Gayunpaman, hindi lahat ay sobrang simple dito. Ang lahat ay tungkol sa density ng hydrogen, ito ay masyadong mababa sa atmospheric pressure. Kaya, ang 1 m3 ng gas na ito ay tumitimbang lamang ng 90 gramo. Kung susunugin mo itong 1 m3 H2, pagkatapos ay humigit-kumulang 10-11 MJ ng init ang ilalabas, na 4 na beses na mas mababa kaysa noong nagsusunog ng 1 kg na gasolina (mahigit 1 litro lang).
Ipinahiwatig ng mga ibinigay na numero na para magamit ang hydrogen combustion reaction, kailangang matutunan kung paano iimbak ang gas na ito sa mga high-pressure cylinder, na lumilikha na ng karagdagang mga paghihirap, kapwa sa mga tuntunin ng teknolohiya at kaligtasan.
Ang paggamit ng hydrogen combustible mixture sa teknolohiya: mga problema
Dapat sabihin kaagad na sa kasalukuyan ang hydrogen combustible mixture ay ginagamit na sa ilang lugar ng aktibidad ng tao. Halimbawa, bilang isang karagdagang gasolina para sa mga rocket sa espasyo, bilang mga mapagkukunan para sa pagbuo ng elektrikal na enerhiya, pati na rin sa mga eksperimentong modelo ng mga modernong kotse. Gayunpaman, ang sukat ng application na ito ay napakaliit kumpara sa mga fossil fuel at sa pangkalahatan ay eksperimental sa kalikasan. Ang dahilan nito ay hindi lamang ang kahirapan sa pagkontrol sa mismong reaksyon ng pagkasunog, kundi pati na rin sa pag-iimbak, transportasyon at pagkuha ng H2.
Ang
Hydrogen sa Earth ay halos wala sa purong anyo nito, kaya dapat itong makuha mula sa iba't ibang compound. Halimbawa, mula sa tubig. Ito ay medyo sikat na paraan sa kasalukuyan, na isinasagawa sa pamamagitan ng pagpasa ng electric current sa H2O. Ang buong problema ay ang pagkonsumo nito ng mas maraming enerhiya kaysa sa maaaring makuha sa pamamagitan ng pagsunog ng H2.
Ang isa pang mahalagang problema ay ang transportasyon at pag-iimbak ng hydrogen. Ang katotohanan ay ang gas na ito, dahil sa maliit na sukat ng mga molekula nito, ay "lumipad palabas" mula sa anumangmga lalagyan. Bilang karagdagan, ang pagpasok sa metal na sala-sala ng mga haluang metal, nagiging sanhi ito ng kanilang pagkasira. Samakatuwid, ang pinakamabisang paraan para mag-imbak ng H2 ay ang paggamit ng mga carbon atom na matatag na makakapagbigkis sa "mailap" na gas.
Kaya, ang paggamit ng hydrogen bilang panggatong sa mas marami o hindi gaanong malaking sukat ay posible lamang kung ito ay ginagamit bilang isang "imbak" ng kuryente (halimbawa, pag-convert ng hangin at solar energy sa hydrogen gamit ang water electrolysis), o kung matututo kang maghatid ng H2 mula sa kalawakan (kung saan marami nito) papuntang Earth.
