Acil sorunlardan biri çevre kirliliği ve organik kaynaklı sınırlı enerji kaynaklarıdır. Bu sorunları çözmenin umut verici bir yolu, bir enerji kaynağı olarak hidrojen kullanmaktır. Makalede hidrojen yanması konusunu, bu işlemin sıcaklığını ve kimyasını ele alacağız.
Hidrojen nedir?
Hidrojenin yanma sıcaklığı nedir sorusunu düşünmeden önce bu maddenin ne olduğunu hatırlamak gerekir.
Hidrojen, yalnızca bir proton ve bir elektrondan oluşan en hafif kimyasal elementtir. Normal koşullar altında (basınç 1 atm., sıcaklık 0 oC) gaz halinde bulunur. Molekül (H2) bu kimyasal elementin 2 atomundan oluşur. Hidrojen gezegenimizde en bol bulunan 3. elementtir ve Evrende 1. elementtir (tüm maddenin yaklaşık %90'ı).
Hidrojen gazı (H2)kokusuz, tatsız ve renksizdir. Toksik değildir, ancak atmosferik havadaki içeriği yüzde birkaç olduğunda, kişi oksijen eksikliğinden dolayı boğulabilir.
Kimyasal bir bakış açısından, tüm H2 moleküllerinin aynı olmasına rağmen, fiziksel özelliklerinin biraz farklı olduğunu belirtmek ilginçtir. Her şey paralel ve antiparalel olabilen elektron dönüşlerinin (manyetik bir momentin ortaya çıkmasından sorumludurlar) oryantasyonu ile ilgilidir, böyle bir moleküle sırasıyla orto- ve parahidrojen denir.
Yanma kimyasal reaksiyonu
Hidrojenin oksijen ile yanma sıcaklığı sorusunu göz önünde bulundurarak, bu işlemi anlatan bir kimyasal reaksiyon sunuyoruz: 2H2 + O2=> 2H2O. Yani reaksiyona 3 molekül katılır (iki hidrojen ve bir oksijen) ve ürün iki su molekülüdür. Bu reaksiyon yanmayı kimyasal bir bakış açısıyla tanımlar ve geçişinden sonra geriye sadece fosil yakıtların (benzin, alkol) yanması sırasında olduğu gibi çevreyi kirletmeyen saf su kaldığı yargısına varılabilir.
Öte yandan, bu reaksiyon ekzotermiktir, yani suya ek olarak, arabaları ve roketleri sürmek için kullanılabilecek ve diğer enerji kaynaklarına aktarmak için kullanılabilecek bir miktar ısı yayar. elektrik olarak.
Hidrojen yanma sürecinin mekanizması
Önceki bölümde açıklanmıştırparagraf kimyasal reaksiyon herhangi bir lise öğrencisi tarafından bilinir, ancak gerçekte meydana gelen sürecin çok kaba bir açıklamasıdır. Geçen yüzyılın ortasına kadar, insanlığın hidrojenin havada nasıl yandığını bilmediğini ve 1956'da Nobel Kimya Ödülü'nün bu çalışma için verildiğini unutmayın.
Aslında, O2 ve H2 molekülleri çarpışırsa, reaksiyon olmaz. Her iki molekül de oldukça kararlıdır. Yanmanın gerçekleşmesi ve suyun oluşması için serbest radikallerin var olması gerekir. Özellikle H, O atomları ve OH grupları. Aşağıdakiler, hidrojen yandığında gerçekte meydana gelen bir dizi reaksiyondur:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Bu tepkilerden ne görüyorsunuz? Hidrojen yandığında su oluşur, evet, bu doğru, ancak bu yalnızca iki OH atomundan oluşan bir grup bir H2 molekülüyle karşılaştığında olur. Ayrıca tüm reaksiyonlar serbest radikallerin oluşumu ile gerçekleşir, bu da kendi kendine devam eden yanma sürecinin başladığı anlamına gelir.
Yani bu reaksiyonu başlatmanın anahtarı radikallerin oluşumudur. Oksijen-hidrojen karışımına yanan bir kibrit getirirseniz veya bu karışımı belirli bir sıcaklığın üzerinde ısıtırsanız görünürler.
Reaksiyonu başlatma
Belirtildiği gibi, bunu yapmanın iki yolu vardır:
- Sadece 0 sağlaması gereken bir kıvılcım yardımıyla,02 mJ ısı. Karşılaştırma için bu çok küçük bir enerji değeridir, diyelim ki bir benzin karışımı için benzer değer 0.24 mJ ve metan için - 0.29 mJ. Basınç azaldıkça reaksiyon başlama enerjisi artar. Yani, 2 kPa'da zaten 0,56 mJ'dir. Her durumda, bunlar çok küçük değerlerdir, bu nedenle hidrojen-oksijen karışımı oldukça yanıcı olarak kabul edilir.
- Sıcaklığın yardımıyla. Yani oksijen-hidrojen karışımı basitçe ısıtılabilir ve belirli bir sıcaklığın üzerinde kendi kendini tutuşturur. Bu olduğunda, gazların basıncına ve yüzdesine bağlıdır. Atmosferik basınçta geniş bir konsantrasyon aralığında, kendiliğinden yanma reaksiyonu 773-850 K'nin üzerindeki, yani 500-577 oC'nin üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir. Bunlar, 300'ün altındaki sıcaklıklarda kendiliğinden tutuşmaya başlayan bir benzin karışımına kıyasla oldukça yüksek değerlerdir.
Yanıcı karışımdaki gazların yüzdesi
Havada hidrojen yanmasının sıcaklığından bahsetmişken, bu gazların her karışımının söz konusu sürece girmeyeceğini belirtmek gerekir. Oksijen miktarı hacimce %6'dan az ise veya hidrojen miktarı hacimce %4'ten az ise reaksiyon olmayacağı deneysel olarak tespit edilmiştir. Ancak yanıcı bir karışımın varlığının sınırları oldukça geniştir. Hava için, hidrojen yüzdesi %4,1 ila %74,8 arasında değişebilir. Üst değerin yalnızca oksijen için gereken minimum değere karşılık geldiğini unutmayın.
Eğersaf bir oksijen-hidrojen karışımı düşünün, o zaman sınırlar burada daha da geniştir: 4, %1-94.
Gazların basıncının düşürülmesi, belirtilen limitlerde bir azalmaya yol açar (alt limit yükselir, üst limit düşer).
Hidrojenin havada (oksijen) yanması sırasında, ortaya çıkan reaksiyon ürünlerinin (su) reaktiflerin konsantrasyonunda bir azalmaya yol açarak kimyasal sürecin sona ermesine yol açabileceğini anlamak da önemlidir..
Yanma güvenliği
Bu, yanıcı bir karışımın önemli bir özelliğidir, çünkü reaksiyonun sakin ve kontrol edilebilir olup olmadığına veya işlemin patlayıcı olup olmadığına karar vermenizi sağlar. Yanma hızını ne belirler? Tabii ki, reaktiflerin konsantrasyonuna, basıncına ve ayrıca "tohumun" enerji miktarına.
Ne yazık ki, hidrojen çok çeşitli konsantrasyonlarda patlayıcı yanma yeteneğine sahiptir. Literatürde aşağıdaki rakamlar verilmiştir: Hava karışımında %18,5-59 hidrojen. Üstelik bu sınırın uçlarında patlama sonucunda birim hacim başına en fazla enerji açığa çıkar.
Yanmanın belirgin doğası, bu reaksiyonu kontrollü bir enerji kaynağı olarak kullanmak için büyük bir sorun teşkil eder.
Yanma reaksiyon sıcaklığı
Şimdi doğrudan hidrojen yanmasının en düşük sıcaklığı nedir sorusunun cevabına geliyoruz. %19,6 H2 içeren bir karışım için 2321 K veya 2048 oC'dir. Yani hidrojenin havadaki yanma sıcaklığı daha yüksektir.2000 oC (diğer konsantrasyonlar için 2500 oC'ye ulaşabilir) ve bir benzin karışımıyla karşılaştırıldığında, bu çok büyük bir rakamdır (benzin için yaklaşık 800 oC). Hidrojeni saf oksijende yakarsanız, alev sıcaklığı daha da yüksek olacaktır (2800 oC'ye kadar).
Bu kadar yüksek alev sıcaklığı, bu reaksiyonun bir enerji kaynağı olarak kullanılmasında başka bir sorun teşkil eder, çünkü şu anda bu tür aşırı koşullarda uzun süre çalışabilecek alaşımlar yoktur.
Tabii ki bu sorun hidrojen yanmasının gerçekleştiği oda için iyi tasarlanmış bir soğutma sistemi kullanılarak çözülür.
Serbest kalan ısı miktarı
Hidrojenin yanma sıcaklığı sorusunun bir parçası olarak, bu reaksiyon sırasında açığa çıkan enerji miktarı hakkında veri sağlamak da ilginçtir. Yanıcı karışımın farklı koşulları ve bileşimleri için 119 MJ/kg'dan 141 MJ/kg'a kadar değerler elde edilmiştir. Bunun ne kadar olduğunu anlamak için, bir benzin karışımı için benzer bir değerin yaklaşık 40 MJ / kg olduğunu not edelim.
Bir hidrojen karışımının enerji verimi, benzinden çok daha yüksektir; bu, içten yanmalı motorlar için yakıt olarak kullanılması için büyük bir artıdır. Ancak, burada da her şey o kadar basit değil. Her şey hidrojenin yoğunluğu ile ilgili, atmosfer basıncında çok düşük. Yani bu gazın 1 m3 ağırlığı sadece 90 gramdır. Bu 1 m3 H2 yakarsanız, o zaman yaklaşık 10-11 MJ ısı açığa çıkar, ki bu zaten olduğundan 4 kat daha azdır. 1 kg benzin yakma (1 litreden biraz fazla).
Verilen rakamlar, hidrojen yanma reaksiyonunu kullanmak için bu gazın yüksek basınçlı silindirlerde nasıl depolanacağını öğrenmek gerektiğini gösteriyor ki bu zaten hem teknoloji hem de güvenlik açısından ek zorluklar yaratıyor.
Teknolojide hidrojen yanıcı bir karışımın kullanımı: problemler
Şu anda hidrojen yanıcı karışımın zaten insan faaliyetinin bazı alanlarında kullanıldığı hemen söylenmelidir. Örneğin, uzay roketleri için ek bir yakıt olarak, elektrik enerjisi üretme kaynakları olarak ve ayrıca modern arabaların deneysel modellerinde. Bununla birlikte, bu uygulamanın ölçeği, fosil yakıtlarınkine kıyasla çok küçüktür ve genellikle doğada deneyseldir. Bunun nedeni sadece yanma reaksiyonunun kendisinin kontrol edilmesindeki zorluk değil, aynı zamanda H2'nin depolanması, taşınması ve çıkarılmasındaki zorluktur.
Yeryüzünde hidrojen pratik olarak saf halde mevcut değildir, bu nedenle çeşitli bileşiklerden elde edilmesi gerekir. Örneğin, sudan. Bu, H2O'dan bir elektrik akımı geçirilerek gerçekleştirilen şu anda oldukça popüler bir yöntemdir. Bütün sorun, bunun H2 yakılarak elde edilebilecek enerjiden daha fazla enerji tüketmesidir.
Diğer önemli bir sorun da hidrojenin taşınması ve depolanmasıdır. Gerçek şu ki, bu gaz, moleküllerinin küçük boyutu nedeniyle herhangi bir yerden "uçabilir".kaplar. Ayrıca alaşımların metal kafesine girerek gevrekleşmelerine neden olur. Bu nedenle, H2 depolamanın en etkili yolu, "zorlu" gazı sıkıca bağlayabilen karbon atomlarını kullanmaktır.
Dolayısıyla, hidrojenin az ya da çok büyük ölçekte yakıt olarak kullanılması, ancak elektrik "depolaması" olarak kullanılması durumunda mümkündür (örneğin, su elektrolizi kullanılarak rüzgar ve güneş enerjisinin hidrojene dönüştürülmesi) veya H2'ı uzaydan (çoğunlukla olduğu yerde) Dünya'ya teslim etmeyi öğrenirseniz.
