Yksi kiireellisistä ongelmista on ympäristön saastuminen ja rajalliset orgaanista alkuperää olevat energiavarat. Lupaava tapa ratkaista nämä ongelmat on käyttää vetyä energialähteenä. Artikkelissa tarkastellaan vedyn palamista, tämän prosessin lämpötilaa ja kemiaa.
Mikä on vety?
Ennen kuin pohditaan kysymystä vedyn palamislämpötilasta, on muistettava, mikä tämä aine on.
Vety on kevyin kemiallinen alkuaine, joka koostuu vain yhdestä protonista ja yhdestä elektronista. Normaaleissa olosuhteissa (paine 1 atm, lämpötila 0 oC) se on kaasumaisessa tilassa. Sen molekyyli (H2) muodostuu tämän kemiallisen alkuaineen 2 atomista. Vety on planeettamme kolmanneksi yleisin alkuaine ja maailmankaikkeuden ensimmäinen alkuaine (noin 90 % kaikesta aineesta).
Vetykaasu (H2)hajuton, mauton ja väritön. Se ei kuitenkaan ole myrkyllistä, mutta kun sen pitoisuus ilmakehän ilmassa on muutama prosentti, voi ihminen tukehtua hapen puutteesta.
On mielenkiintoista huomata, että vaikka kemiallisesta näkökulmasta katsottuna kaikki H2-molekyylit ovat identtisiä, niiden fysikaaliset ominaisuudet ovat hieman erilaiset. Kyse on elektronien spinien suunnasta (ne ovat vastuussa magneettisen momentin esiintymisestä), joka voi olla yhdensuuntainen ja antirinnakkais, tällaista molekyyliä kutsutaan vastaavasti orto- ja paravedyksi.
Kemiallinen palamisreaktio
Kun otetaan huomioon kysymys vedyn palamislämpötilasta hapen kanssa, esitämme kemiallisen reaktion, joka kuvaa tätä prosessia: 2H2 + O2=> 2H2O. Eli reaktioon osallistuu 3 molekyyliä (kaksi vetyä ja yksi happi), ja tuote on kaksi vesimolekyyliä. Tämä reaktio kuvaa palamista kemiallisesta näkökulmasta, ja voidaan päätellä, että sen kulumisen jälkeen jäljelle jää vain puhdasta vettä, joka ei saastuta ympäristöä, kuten tapahtuu fossiilisten polttoaineiden (bensiini, alkoholi) palaessa.
Toisa alta tämä reaktio on eksoterminen, eli se vapauttaa veden lisäksi lämpöä, jota voidaan käyttää autojen ja rakettien ajamiseen sekä sen siirtämiseen muihin energialähteisiin, esim. sähkönä.
Vedyn palamisprosessin mekanismi
Kuvattu edellisessäkappaleen kemiallisen reaktion tuntee jokainen lukiolainen, mutta se on hyvin karkea kuvaus todellisuudessa tapahtuvasta prosessista. Huomaa, että viime vuosisadan puoliväliin asti ihmiskunta ei tiennyt, kuinka vety palaa ilmassa, ja vuonna 1956 kemian Nobel-palkinto myönnettiin sen tutkimuksesta.
Itse asiassa, jos O2 ja H2 molekyylit törmäävät, reaktiota ei tapahdu. Molemmat molekyylit ovat melko stabiileja. Jotta palaminen tapahtuisi ja vettä muodostuisi, vapaita radikaaleja on oltava olemassa. Erityisesti H-, O-atomit ja OH-ryhmät. Seuraava on sarja reaktioita, jotka todella tapahtuvat, kun vetyä poltetaan:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Mitä näet näistä reaktioista? Kun vety palaa, vettä muodostuu, kyllä, se on totta, mutta se tapahtuu vain, kun kahden OH-atomin ryhmä kohtaa H2-molekyylin. Lisäksi kaikki reaktiot tapahtuvat vapaiden radikaalien muodostuessa, mikä tarkoittaa, että itseään ylläpitävä palamisprosessi alkaa.
Joten avain tämän reaktion käynnistämiseen on radikaalien muodostuminen. Ne ilmestyvät, jos lisäät palavan tulitikku happi-vety-seokseen tai jos kuumennat tätä seosta tietyn lämpötilan yläpuolelle.
Aloittaa reaktion
Kuten todettiin, tämä voidaan tehdä kahdella tavalla:
- Kipinän avulla, jonka pitäisi antaa vain 0,02 mJ lämpöä. Tämä on erittäin pieni energia-arvo, vertailun vuoksi, oletetaan, että vastaava arvo bensiiniseokselle on 0,24 mJ ja metaanille - 0,29 mJ. Kun paine laskee, reaktion käynnistysenergia kasvaa. Joten 2 kPa:lla se on jo 0,56 mJ. Joka tapauksessa nämä ovat hyvin pieniä arvoja, joten vety-happiseosta pidetään erittäin syttyvänä.
- Lämpötilan avulla. Eli happi-vety-seosta voidaan yksinkertaisesti lämmittää, ja tietyn lämpötilan yläpuolella se syttyy itsestään. Milloin tämä tapahtuu, riippuu paineesta ja kaasujen prosenttiosuudesta. Laajalla pitoisuuksien alueella ilmakehän paineessa itsestään syttymisreaktio tapahtuu lämpötiloissa, jotka ovat yli 773-850 K, eli yli 500-577 oC. Nämä ovat melko korkeita arvoja verrattuna bensiiniseokseen, joka alkaa itsestään syttyä jo alle 300 °C:n lämpötilassa oC.
Kaasujen prosenttiosuus palavasta seoksesta
Vedyn palamislämpötilasta ilmassa puhuttaessa on huomattava, että kaikki näiden kaasujen seos eivät tule mukaan tarkasteltavaan prosessiin. Kokeellisesti on todettu, että jos hapen määrä on alle 6 tilavuusprosenttia tai jos vedyn määrä on alle 4 tilavuusprosenttia, reaktiota ei tapahdu. Palavan seoksen olemassaolon rajat ovat kuitenkin melko laajat. Ilmassa vedyn prosenttiosuus voi vaihdella välillä 4,1 % - 74,8 %. Huomaa, että ylempi arvo vastaa vain vaadittua hapen minimiä.
JosTarkastellaan puhdasta happi-vetyseosta, niin rajat ovat vielä leveämmät: 4, 1-94%.
Kaasujen paineen alentaminen johtaa määritettyjen rajojen alenemiseen (alaraja nousee, ylempi laskee).
On myös tärkeää ymmärtää, että vedyn palamisen aikana ilmassa (happi) syntyvät reaktiotuotteet (vesi) johtavat reagenssien pitoisuuden laskuun, mikä voi johtaa kemiallisen prosessin päättymiseen..
Palonturvallisuus
Tämä on palavan seoksen tärkeä ominaisuus, koska sen avulla voit arvioida, onko reaktio rauhallinen ja hallittavissa vai onko prosessi räjähtävä. Mikä määrittää palamisnopeuden? Tietysti reagenssien pitoisuudesta, paineesta ja myös "siemenen" energiamäärästä.
Valitettavasti vety voi useilla pitoisuuksilla syttyä räjähdysmäisesti. Kirjallisuudessa on esitetty seuraavat luvut: 18,5-59 % vetyä ilmaseoksessa. Lisäksi tämän rajan reunoilla vapautuu räjähdyksen seurauksena suurin energiamäärä tilavuusyksikköä kohti.
Palon selvä luonne muodostaa suuren ongelman tämän reaktion käyttämisessä kontrolloituna energianlähteenä.
Palamisreaktiolämpötila
Nyt tulemme suoraan vastaukseen kysymykseen, mikä on alin vedyn palamislämpötila. Se on 2321 K tai 2048 oC seokselle, jossa on 19,6 % H2. Eli vedyn palamislämpötila ilmassa on korkeampi2000 oC (muilla pitoisuuksilla se voi olla 2500 oC), ja bensiiniseokseen verrattuna tämä on v altava luku (bensiinille noin 800 oC). Jos poltat vetyä puhtaassa hapessa, liekin lämpötila on vielä korkeampi (jopa 2800 oC).
Näin korkea liekin lämpötila muodostaa toisen ongelman tämän reaktion käyttämisessä energianlähteenä, koska tällä hetkellä ei ole olemassa metalliseoksia, jotka voisivat toimia pitkään näin äärimmäisissä olosuhteissa.
Tietenkin tämä ongelma ratkaistaan käyttämällä hyvin suunniteltua jäähdytysjärjestelmää kammioon, jossa vedyn palaminen tapahtuu.
Vapautuneen lämmön määrä
Osaan vedyn palamislämpötilaa koskevaa kysymystä on myös mielenkiintoista antaa tietoja tämän reaktion aikana vapautuvasta energiasta. Palavan seoksen erilaisille olosuhteille ja koostumuksille saatiin arvot välillä 119 MJ/kg - 141 MJ/kg. Ymmärtääksemme, kuinka paljon tämä on, huomaamme, että vastaava arvo bensiiniseokselle on noin 40 MJ / kg.
Vyseoksen energian saanto on paljon korkeampi kuin bensiinin, mikä on v altava plussa sen käytössä polttomoottoreiden polttoaineena. Kaikki ei kuitenkaan ole täälläkään niin yksinkertaista. Kyse on vedyn tiheydestä, se on liian alhainen ilmakehän paineessa. Joten 1 m3 tätä kaasua painaa vain 90 grammaa. Jos poltat tämän 1 m3 H2, niin lämpöä vapautuu noin 10-11 MJ, mikä on jo 4 kertaa vähemmän kuin silloin polttaa 1 kg bensiiniä (hieman yli 1 litra).
Annetut luvut osoittavat, että vedyn palamisreaktion käyttämiseksi on opittava varastoimaan tätä kaasua korkeapainesylintereissä, mikä jo aiheuttaa lisävaikeuksia sekä tekniikan että turvallisuuden kann alta.
Vetyllä palavan seoksen käyttö tekniikassa: ongelmia
On heti sanottava, että tällä hetkellä vetypalavaa seosta käytetään jo joillain ihmisen toiminnan alueilla. Esimerkiksi lisäpolttoaineena avaruusraketeissa, sähköenergian lähteenä sekä nykyaikaisten autojen kokeellisissa malleissa. Tämän sovelluksen mittakaava on kuitenkin vähäinen verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, ja se on yleensä kokeellista. Syynä tähän ei ole vain vaikeus hallita itse palamisreaktiota, vaan myös H2.
varastoinnissa, kuljetuksessa ja poistamisessa.
Maapallolla olevaa vetyä ei käytännössä ole puhtaassa muodossaan, joten se on saatava erilaisista yhdisteistä. Esimerkiksi vedestä. Tämä on tällä hetkellä melko suosittu menetelmä, joka suoritetaan johtamalla sähkövirta H2O:n läpi. Koko ongelma on, että tämä kuluttaa enemmän energiaa kuin voidaan saada polttamalla H2.
Toinen tärkeä ongelma on vedyn kuljetus ja varastointi. Tosiasia on, että tämä kaasu pystyy molekyyliensä pienen koon vuoksi "lentää pois" mistä tahansaastiat. Lisäksi seoksen metallihilan joutuminen aiheuttaa niiden haurastumista. Siksi tehokkain tapa varastoida H2 on käyttää hiiliatomeja, jotka voivat sitoa tiukasti "koskemattoman" kaasun.
Näin ollen vedyn käyttö polttoaineena enemmän tai vähemmän suuressa mittakaavassa on mahdollista vain, jos sitä käytetään sähkön "varastoon" (esimerkiksi tuuli- ja aurinkoenergian muuntaminen vedyksi vesielektrolyysillä), tai jos opit toimittamaan H2 avaruudesta (missä sitä on paljon) Maahan.
