Atrof-muhitning ifloslanishi va organik kelib chiqadigan energiya resurslarining cheklanganligi dolzarb muammolardan biridir. Ushbu muammolarni hal qilishning istiqbolli yo'li vodorodni energiya manbai sifatida ishlatishdir. Maqolada biz vodorodning yonishi, bu jarayonning harorati va kimyosi masalasini ko'rib chiqamiz.
Vodorod nima?
Vodorodning yonish harorati qanday degan savolni ko'rib chiqishdan oldin, bu modda nima ekanligini eslab qolish kerak.
Vodorod eng yengil kimyoviy element boʻlib, faqat bitta proton va bitta elektrondan iborat. Oddiy sharoitlarda (bosim 1 atm., harorat 0 oC) gazsimon holatda mavjud. Uning molekulasi (H2) ushbu kimyoviy elementning 2 ta atomidan hosil boʻladi. Vodorod sayyoramizda eng ko'p tarqalgan 3-o'rinda va koinotda 1-o'rinda turadi (barcha moddalarning taxminan 90%).
Vodorod gazi (H2)hidsiz, ta'msiz va rangsiz. U zaharli emas, ammo uning atmosfera havosidagi miqdori bir necha foiz bo'lsa, odam kislorod etishmasligi tufayli bo'g'ilib qolishi mumkin.
Shunisi qiziqki, kimyoviy nuqtai nazardan barcha H2 molekulalari bir xil boʻlsa-da, fizik xossalari biroz boshqacha. Bularning barchasi parallel va antiparallel bo'lishi mumkin bo'lgan elektron spinlarining yo'nalishi (ular magnit momentning paydo bo'lishi uchun javobgardir), bunday molekula mos ravishda orto- va paravodorod deb ataladi.
Yonish kimyoviy reaktsiyasi
Vodorodning kislorod bilan yonish harorati haqidagi savolni ko'rib chiqsak, biz ushbu jarayonni tavsiflovchi kimyoviy reaktsiyani taqdim etamiz: 2H2 + O2=> 2H2O. Ya'ni reaksiyada 3 ta molekula ishtirok etadi (ikkita vodorod va bitta kislorod), mahsulot esa ikkita suv molekulasidir. Bu reaktsiya kimyoviy nuqtai nazardan yonishni tavsiflaydi va u o'tgandan keyin faqat qazilma yoqilg'ilarni (benzin, spirtli ichimliklarni) yoqish paytida yuzaga keladigan atrof-muhitni ifloslantirmaydigan toza suv qoladi, deb hisoblash mumkin.
Boshqa tomondan, bu reaksiya ekzotermikdir, ya'ni suvga qo'shimcha ravishda avtomobillar va raketalarni haydash, shuningdek uni boshqa energiya manbalariga o'tkazish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan issiqlikni chiqaradi. elektr energiyasi sifatida.
Vodorod yonish jarayonining mexanizmi
Avvalgisida tasvirlanganparagraf kimyoviy reaktsiyasi har qanday o'rta maktab o'quvchisiga ma'lum, ammo bu haqiqatda sodir bo'ladigan jarayonning juda qo'pol tavsifidir. E'tibor bering, o'tgan asrning o'rtalariga qadar insoniyat vodorod havoda qanday yonishini bilmas edi va 1956 yilda uni o'rganish uchun kimyo bo'yicha Nobel mukofoti berildi.
Aslida O2 va H2 molekulalari toʻqnashsa, hech qanday reaksiya sodir boʻlmaydi. Ikkala molekula ham ancha barqaror. Yonish va suv hosil bo'lishi uchun erkin radikallar mavjud bo'lishi kerak. Xususan, H, O atomlari va OH guruhlari. Quyida vodorod yondirilganda sodir bo'ladigan reaksiyalar ketma-ketligi keltirilgan:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Bu reaktsiyalardan nimani ko'rasiz? Vodorod yonganda, suv hosil bo'ladi, ha, bu to'g'ri, lekin bu faqat ikkita OH atomlari guruhi H2 molekula bilan uchrashganda sodir bo'ladi. Bundan tashqari, barcha reaktsiyalar erkin radikallarning shakllanishi bilan sodir bo'ladi, ya'ni o'z-o'zidan yonish jarayoni boshlanadi.
Demak, bu reaksiyani boshlashning kaliti radikallarning hosil boʻlishidir. Agar kislorod-vodorod aralashmasiga yonayotgan gugurt olib kirsangiz yoki bu aralashmani ma'lum bir haroratdan yuqori qizdirsangiz paydo bo'ladi.
Reaksiya boshlanmoqda
Ta'kidlanganidek, buni amalga oshirishning ikki yo'li mavjud:
- Faqat 0 ni ta'minlashi kerak bo'lgan uchqun yordamida,02 mJ issiqlik. Bu juda kichik energiya qiymati, taqqoslash uchun aytaylik, benzin aralashmasi uchun shunga o'xshash qiymat 0,24 mJ, metan uchun esa - 0,29 mJ. Bosimning pasayishi bilan reaksiyaning boshlanish energiyasi ortadi. Shunday qilib, 2 kPa da u allaqachon 0,56 mJ. Har holda, bu juda kichik qiymatlar, shuning uchun vodorod-kislorod aralashmasi juda tez alangalanuvchi hisoblanadi.
- Harorat yordamida. Ya'ni, kislorod-vodorod aralashmasi oddiygina qizdirilishi mumkin va ma'lum bir haroratdan yuqori bo'lsa, u o'zini yondiradi. Bu sodir bo'lganda, gazlarning bosimi va foiziga bog'liq. Atmosfera bosimidagi konsentratsiyalarning keng diapazonida o'z-o'zidan yonish reaktsiyasi 773-850 K dan yuqori, ya'ni 500-577 oC dan yuqori haroratlarda sodir bo'ladi. Bu benzin aralashmasiga nisbatan ancha yuqori qiymatlar bo'lib, u 300 dan past haroratlarda o'z-o'zidan yona boshlaydi oC.
Yonuvchan aralashmadagi gazlar ulushi
Havodagi vodorodning yonish harorati haqida gapirganda, shuni ta'kidlash kerakki, ushbu gazlarning har bir aralashmasi ko'rib chiqilayotgan jarayonga kirmaydi. Agar kislorod miqdori 6% dan kam bo'lsa yoki vodorod miqdori hajmi bo'yicha 4% dan kam bo'lsa, unda hech qanday reaktsiya sodir bo'lmasligi eksperimental tarzda aniqlangan. Biroq, yonuvchan aralashmaning mavjudligi chegaralari juda keng. Havo uchun vodorodning ulushi 4,1% dan 74,8% gacha bo'lishi mumkin. E'tibor bering, yuqori qiymat kislorod uchun zarur bo'lgan minimal qiymatga to'g'ri keladi.
Agarsof kislorod-vodorod aralashmasini hisobga olsak, bu erda chegaralar yanada kengroq: 4, 1-94%.
Gazlar bosimini pasaytirish belgilangan chegaralarning pasayishiga olib keladi (pastki chegara ko'tariladi, yuqorisi tushadi).
Vodorodning havoda (kislorod) yonishi paytida hosil bo'lgan reaktsiya mahsulotlari (suv) reagentlar kontsentratsiyasining pasayishiga olib kelishini ham tushunish kerak, bu esa kimyoviy jarayonning tugashiga olib kelishi mumkin..
Yonish xavfsizligi
Bu alangalanuvchi aralashmaning muhim xususiyati, chunki u reaksiya tinchmi va uni boshqarish mumkinmi yoki jarayon portlovchi ekanligini aniqlash imkonini beradi. Yonish tezligini nima aniqlaydi? Albatta, reagentlar kontsentratsiyasiga, bosimga, shuningdek, "urug'" energiya miqdoriga bog'liq.
Afsuski, keng konsentratsiyadagi vodorod portlovchi yonish qobiliyatiga ega. Adabiyotda quyidagi raqamlar keltirilgan: havo aralashmasida 18,5-59% vodorod. Bundan tashqari, ushbu chegaraning chekkasida, portlash natijasida, hajm birligi uchun eng katta energiya chiqariladi.
Yonishning aniq tabiati bu reaksiyadan boshqariladigan energiya manbai sifatida foydalanishda katta muammo tugʻdiradi.
Yonish reaksiyasi harorati
Endi biz toʻgʻridan-toʻgʻri savolga javob beramiz, vodorod yonishning eng past harorati nima. 19,6% H2 bilan aralashma uchun 2321 K yoki 2048 oC. Ya'ni, havodagi vodorodning yonish harorati yuqoriroq2000 oC (boshqa konsentratsiyalar uchun u 2500 oC ga yetishi mumkin) va benzin aralashmasi bilan solishtirganda bu juda katta koʻrsatkich (benzin uchun) taxminan 800 oC). Agar siz vodorodni sof kislorodda yoqsangiz, olov harorati yanada yuqori bo'ladi (2800 oC gacha).
Bunday yuqori olov harorati bu reaksiyani energiya manbai sifatida ishlatishda yana bir muammo tugʻdiradi, chunki hozirda bunday ekstremal sharoitlarda uzoq vaqt ishlay oladigan qotishmalar yoʻq.
Albatta, bu muammo vodorod yonishi sodir boʻladigan kamera uchun yaxshi moʻljallangan sovutish tizimi yordamida hal qilinadi.
Chiqariladigan issiqlik miqdori
Vodorodning yonish harorati haqidagi savolning bir qismi sifatida, shuningdek, ushbu reaktsiya paytida ajralib chiqadigan energiya miqdori haqida ma'lumot berish qiziq. Yonuvchan aralashmaning turli xil sharoitlari va tarkibi uchun 119 MJ / kg dan 141 MJ / kg gacha bo'lgan qiymatlar olingan. Bu qancha ekanligini tushunish uchun benzin aralashmasi uchun shunga o'xshash qiymat taxminan 40 MJ / kg ekanligini ta'kidlaymiz.
Vodorod aralashmasining energiya rentabelligi benzinga qaraganda ancha yuqori, bu uni ichki yonuv dvigatellari uchun yoqilg'i sifatida ishlatish uchun katta ortiqcha. Biroq, bu erda ham hamma narsa juda oddiy emas. Hammasi vodorodning zichligi haqida, atmosfera bosimida u juda past. Demak, bu gazning 1 m3 ning og'irligi bor-yo'g'i 90 gramm. Agar siz bu 1 m3 H2 yondirsangiz, taxminan 10-11 MJ issiqlik ajralib chiqadi, bu avvalgidan 4 barobar kamroqdir. 1 kg benzinni yoqish (1 litrdan sal ko'proq).
Berilgan raqamlar vodorodning yonish reaksiyasidan foydalanish uchun ushbu gazni yuqori bosimli ballonlarda saqlashni oʻrganish zarurligini koʻrsatadi, bu esa texnologiya va xavfsizlik nuqtai nazaridan allaqachon qoʻshimcha qiyinchiliklar tugʻdirmoqda.
Vodorodli yonuvchi aralashmani texnologiyada qo'llash: muammolar
Darhol aytish kerakki, hozirgi vaqtda vodorod yonuvchi aralashmasi inson faoliyatining ba'zi sohalarida allaqachon qo'llanilmoqda. Masalan, kosmik raketalar uchun qo'shimcha yoqilg'i sifatida, elektr energiyasini ishlab chiqarish manbalari sifatida, shuningdek, zamonaviy avtomobillarning eksperimental modellarida. Biroq, ushbu dasturning ko'lami qazib olinadigan yoqilg'ilarga nisbatan juda kichik va odatda eksperimental xususiyatga ega. Buning sababi nafaqat yonish reaktsiyasining o'zini boshqarishdagi qiyinchilik, balki H2 ni saqlash, tashish va olishda hamdir.
Vodorod Yerda deyarli sof holda mavjud emas, shuning uchun uni turli birikmalardan olish kerak. Masalan, suvdan. Bu juda mashhur usul bo'lib, u H2O orqali elektr tokini o'tkazish orqali amalga oshiriladi. Muammo shundaki, bu H2.
Yana bir muhim muammo - vodorodni tashish va saqlash. Gap shundaki, bu gaz molekulalarining kichik o'lchamlari tufayli har qanday gazdan "uchib ketishga" qodir.konteynerlar. Bundan tashqari, qotishmalarning metall panjarasiga kirib, ularning mo'rtlashishiga olib keladi. Shuning uchun H2 ni saqlashning eng samarali usuli bu "ushlab bo'lmaydigan" gazni mahkam bog'laydigan uglerod atomlaridan foydalanishdir.
Shunday qilib, vodorodni yonilgʻi sifatida koʻproq yoki kamroq katta miqyosda ishlatish, agar u elektr energiyasini "saqlash" sifatida ishlatilsa (masalan, shamol va quyosh energiyasini suv elektrolizi yordamida vodorodga aylantirish) mumkin bo'ladi., yoki H2 kosmosdan (u koʻp boʻlgan joyda) Yerga yetkazishni oʻrgansangiz.
