Jedným z naliehavých problémov je znečistenie životného prostredia a obmedzené energetické zdroje organického pôvodu. Sľubným spôsobom riešenia týchto problémov je využitie vodíka ako zdroja energie. V článku sa budeme zaoberať problematikou spaľovania vodíka, teplotou a chémiou tohto procesu.
Čo je vodík?
Pred zvážením otázky, aká je teplota spaľovania vodíka, je potrebné pripomenúť si, čo je to za látku.
Vodík je najľahší chemický prvok, ktorý pozostáva iba z jedného protónu a jedného elektrónu. Za normálnych podmienok (tlak 1 atm., teplota 0 oC) je prítomný v plynnom stave. Jeho molekula (H2) je tvorená 2 atómami tohto chemického prvku. Vodík je 3. najrozšírenejší prvok na našej planéte a 1. vo vesmíre (asi 90 % všetkej hmoty).
Vodíkový plyn (H2)bez zápachu, chuti a farby. Nie je jedovatý, ale keď je jeho obsah v atmosférickom vzduchu niekoľko percent, človek sa môže udusiť v dôsledku nedostatku kyslíka.
Je zaujímavé poznamenať, že hoci z chemického hľadiska sú všetky molekuly H2 identické, ich fyzikálne vlastnosti sú trochu odlišné. Všetko je to o orientácii spinov elektrónov (sú zodpovedné za vznik magnetického momentu), ktoré môžu byť paralelné a antiparalelné, takáto molekula sa nazýva orto- a paravodík.
Spaľovacia chemická reakcia
V súvislosti s otázkou teploty spaľovania vodíka s kyslíkom uvádzame chemickú reakciu, ktorá tento proces popisuje: 2H2 + O2=> 2H2O. To znamená, že na reakcii sa zúčastňujú 3 molekuly (dve vodíky a jeden kyslík) a produktom sú dve molekuly vody. Táto reakcia popisuje horenie z chemického hľadiska a dá sa usúdiť, že po jej prechode zostane iba čistá voda, ktorá neznečisťuje životné prostredie, ako sa to deje pri spaľovaní fosílnych palív (benzín, alkohol).
Na druhej strane je táto reakcia exotermická, to znamená, že okrem vody sa pri nej uvoľňuje určité množstvo tepla, ktoré možno využiť na pohon áut a rakiet, ako aj na jeho prenos do iných zdrojov energie, napr. ako elektrina.
Mechanizmus procesu spaľovania vodíka
Popísané v predchádzajúcomparagraf chemickú reakciu pozná každý stredoškolák, ale ide o veľmi hrubý popis procesu, ktorý v skutočnosti prebieha. Všimnite si, že až do polovice minulého storočia ľudstvo nevedelo, ako vodík horí vo vzduchu, a v roku 1956 bola za jeho štúdium udelená Nobelova cena za chémiu.
V skutočnosti, ak sa molekuly O2 a H2 zrazia, nedôjde k žiadnej reakcii. Obe molekuly sú celkom stabilné. Aby došlo k spaľovaniu a vzniku vody, musia existovať voľné radikály. Najmä atómy H, O a OH skupiny. Nasleduje postupnosť reakcií, ktoré sa skutočne vyskytujú pri spaľovaní vodíka:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Čo vidíte z týchto reakcií? Keď horí vodík, vzniká voda, áno, je to tak, ale stáva sa to len vtedy, keď sa skupina dvoch atómov OH stretne s molekulou H2. Okrem toho všetky reakcie prebiehajú s tvorbou voľných radikálov, čo znamená, že sa spustí proces samoudržiavacieho spaľovania.
Kľúčom na spustenie tejto reakcie je teda tvorba radikálov. Objavia sa, ak do zmesi kyslík-vodík privediete horiacu zápalku alebo ak túto zmes zahrejete nad určitú teplotu.
Inicializácia reakcie
Ako je uvedené, existujú dva spôsoby, ako to urobiť:
- Pomocou iskry, ktorá by mala poskytnúť iba 0,02 mJ tepla. To je veľmi malá energetická hodnota, pre porovnanie povedzme, že podobná hodnota pre benzínovú zmes je 0,24 mJ a pre metán - 0,29 mJ. So znižovaním tlaku sa zvyšuje iniciačná energia reakcie. Takže pri 2 kPa je to už 0,56 mJ. V každom prípade ide o veľmi malé hodnoty, takže zmes vodíka a kyslíka sa považuje za vysoko horľavú.
- Pomocou teploty. To znamená, že zmes kyslíka a vodíka sa môže jednoducho zahriať a nad určitou teplotou sa sama zapáli. Kedy k tomu dôjde, závisí od tlaku a percenta plynov. V širokom rozsahu koncentrácií pri atmosférickom tlaku dochádza k reakcii samovznietenia pri teplotách nad 773-850 K, to znamená nad 500-577 oC. To sú dosť vysoké hodnoty v porovnaní s benzínovou zmesou, ktorá sa začne samovoľne vznietiť už pri teplotách pod 300 oC.
Percento plynov v horľavej zmesi
Keď už hovoríme o teplote spaľovania vodíka vo vzduchu, treba poznamenať, že nie každá zmes týchto plynov vstúpi do uvažovaného procesu. Experimentálne sa zistilo, že ak je množstvo kyslíka menšie ako 6 % objemových alebo ak je množstvo vodíka menšie ako 4 % objemové, potom nedôjde k žiadnej reakcii. Hranice existencie horľavej zmesi sú však dosť široké. V prípade vzduchu sa percento vodíka môže pohybovať od 4,1 % do 74,8 %. Všimnite si, že horná hodnota len zodpovedá požadovanému minimu pre kyslík.
Akzvážte zmes čistého kyslíka a vodíka, potom sú tu limity ešte širšie: 4, 1-94 %.
Zníženie tlaku plynov vedie k zníženiu stanovených limitov (dolná hranica stúpa, horná klesá).
Je tiež dôležité pochopiť, že počas spaľovania vodíka vo vzduchu (kyslík) vedú výsledné reakčné produkty (voda) k zníženiu koncentrácie činidiel, čo môže viesť k ukončeniu chemického procesu.
Bezpečnosť spaľovania
Toto je dôležitá charakteristika horľavej zmesi, pretože vám umožňuje posúdiť, či je reakcia pokojná a dá sa kontrolovať, alebo či ide o výbušný proces. Čo určuje rýchlosť horenia? Samozrejme, na koncentrácii činidiel, na tlaku a tiež na množstve energie „semena“.
Bohužiaľ, vodík v širokom rozsahu koncentrácií je schopný explozívneho horenia. V literatúre sú uvedené nasledujúce údaje: 18,5-59 % vodíka v zmesi vzduchu. Navyše, na hraniciach tejto hranice sa v dôsledku detonácie uvoľní najväčšie množstvo energie na jednotku objemu.
Výrazný charakter spaľovania predstavuje veľký problém pre využitie tejto reakcie ako riadeného zdroja energie.
Reakčná teplota spaľovania
Teraz sa dostávame priamo k odpovedi na otázku, aká je najnižšia teplota spaľovania vodíka. Je to 2321 K alebo 2048 oC pre zmes s 19,6 % H2. To znamená, že teplota spaľovania vodíka vo vzduchu je vyššia2000 oC (pri iných koncentráciách môže dosiahnuť 2500 oC) a v porovnaní s benzínovou zmesou je to obrovské číslo (pre benzín približne 800 oC). Ak spálite vodík v čistom kyslíku, teplota plameňa bude ešte vyššia (až 2800 oC).
Takáto vysoká teplota plameňa predstavuje ďalší problém pri využívaní tejto reakcie ako zdroja energie, pretože v súčasnosti neexistujú žiadne zliatiny, ktoré by mohli pracovať dlhú dobu v takýchto extrémnych podmienkach.
Tento problém je samozrejme vyriešený použitím dobre navrhnutého chladiaceho systému komory, kde dochádza k spaľovaniu vodíka.
Množstvo uvoľneného tepla
V rámci otázky teploty spaľovania vodíka je zaujímavé uviesť aj údaj o množstve energie, ktorá sa pri tejto reakcii uvoľní. Pre rôzne podmienky a zloženie horľavej zmesi boli získané hodnoty od 119 MJ/kg do 141 MJ/kg. Aby sme pochopili, koľko to je, poznamenávame, že podobná hodnota pre benzínovú zmes je približne 40 MJ / kg.
Energetická výťažnosť vodíkovej zmesi je oveľa vyššia ako u benzínu, čo je obrovské plus pre jeho použitie ako paliva pre spaľovacie motory. Ani tu však nie je všetko také jednoduché. Všetko je to o hustote vodíka, ten je pri atmosférickom tlaku príliš nízky. Takže 1 m3 tohto plynu váži iba 90 gramov. Ak spálite tento 1 m3 H2, uvoľní sa asi 10-11 MJ tepla, čo je už 4-krát menej ako pri spálite 1 kg benzínu (niečo cez 1 liter).
Uvedené čísla naznačujú, že na využitie reakcie spaľovania vodíka je potrebné naučiť sa skladovať tento plyn vo vysokotlakových fľašiach, čo už spôsobuje ďalšie ťažkosti, či už z hľadiska technológie alebo bezpečnosti.
Použitie vodíkovej horľavej zmesi v technológii: problémy
Hneď treba povedať, že v súčasnosti sa vodíková horľavá zmes už používa v niektorých oblastiach ľudskej činnosti. Napríklad ako dodatočné palivo pre vesmírne rakety, ako zdroje na výrobu elektrickej energie, ako aj v experimentálnych modeloch moderných automobilov. Rozsah tejto aplikácie je však nepatrný v porovnaní s rozsahom fosílnych palív a má vo všeobecnosti experimentálny charakter. Dôvodom nie sú len ťažkosti pri riadení samotnej spaľovacej reakcie, ale aj pri skladovaní, preprave a extrakcii H2.
Vodík na Zemi v čistej forme prakticky neexistuje, preto ho treba získavať z rôznych zlúčenín. Napríklad z vody. Toto je v súčasnosti pomerne populárna metóda, ktorá sa vykonáva prechodom elektrického prúdu cez H2O. Celý problém je v tom, že sa na to spotrebuje viac energie, než sa dá získať spaľovaním H2.
Ďalším dôležitým problémom je preprava a skladovanie vodíka. Faktom je, že tento plyn je vďaka malej veľkosti svojich molekúl schopný „vyletieť“z akéhokoľvekkontajnerov. Okrem toho, že sa dostane do kovovej mriežky zliatin, spôsobuje ich krehnutie. Preto najefektívnejším spôsobom skladovania H2 je použitie atómov uhlíka, ktoré dokážu pevne viazať „nepolapiteľný“plyn.
Využitie vodíka ako paliva vo viac či menej veľkom meradle je teda možné len vtedy, ak sa používa ako „zásobník“elektriny (napríklad premena veternej a slnečnej energie na vodík pomocou elektrolýzy vody), alebo ak sa naučíte doručiť H2 z vesmíru (kde je ho veľa) na Zem.
