Температура горіння водню: короткий опис і умови реакції, застосування в техніці

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 198

Однією з актуальних проблем є забруднення навколишнього середовища та обмеженість енергетичних ресурсів органічного походження. Багатообіцяючим способом вирішення цих проблем є використання водню як джерела енергії. У статті розглянемо питання горіння водню, температуру і хімію цього процесу.

Що таке водень?

Перш ніж розглядати питання, яка температура згоряння водню, необхідно згадати, що собою являє ця речовина.

Водень — це найлегший хімічний елемент, що складається всього з одного протона і одного електрона. За нормальних умов (тиск 1 атм., температура 0 ^oC) він присутній у газоподібному стані. Його молекула (H₂) утворена 2 атомами цього хімічного елемента. Водень є 3-м за поширеністю елементом на нашій планеті, і 1-м у Всесвіті (близько 90% всієї матерії).

Водневий газ (H₂) не має запаху, смаку і кольору. Він не токсичний, однак, коли вміст його в атмосферному повітрі становить кілька відсотків, то людина може відчувати задуху, через нестачу кисню.

Цікаво зазначити, що хоча з хімічної точки зору всі молекула H₂ ідентичні, фізичні властивості їх дещо відрізняються. Справа в орієнтації спинів електронів (вони відповідальні за появу магнітного моменту), які можуть бути паралельними і антипараллельними, таку молекулу називають орто- і параводнем, відповідно.

Хімічна реакція горіння

Розглядаючи питання, температури горіння водню з киснем, наведемо хімічну реакцію, яка описує цей процес: 2H₂ + O₂ => 2H₂O. Тобто в реакції беруть участь 3 молекули (дві водню і одна кисню), а продуктом є дві молекули води. Ця реакція описує горіння з хімічної точки зору, і по ній можна судити, що після її проходження залишається тільки чиста вода, яка не забруднює навколишнє середовище, як це відбувається при згорянні органічного палива (бензину, спирту).

З іншого боку, ця реакція є екзотермічною, тобто крім води вона виділяє деяку кількість тепла, яку можна використовувати для приведення в рух машин і ракет, а також для його переведення в інші джерела енергії, наприклад, в електрику.

Механізм процесу горіння водню

Описана в попередньому пункті хімічна реакція відома будь-якому школяреві старших класів, однак вона є дуже грубим описом того процесу, який відбувається насправді. Зазначимо, що до середини минулого століття людство не знало, як відбувається горіння водню в повітрі, а в 1956 році за її вивчення була присуджена Нобелівська премія з хімії.

Насправді, якщо зіштовхнути молекули O₂ і H₂, то ніякої реакції не відбудеться. Обидві молекули є досить стійкими. Щоб горіння відбувалося, і утворювалася вода, необхідне існування вільних радикалів. Зокрема, атомів H, O і груп OH. Нижче наводиться послідовність реакцій, які відбуваються в дійсності при горінні водню:

• H + O₂ => OH + O;
• OH + H₂ => H₂O + H;
• O + H₂ = OH + H.

Що видно з цих реакцій? При горінні водню утворюється вода, так, вірно, але відбувається це тільки, коли група з двох атомів OH зустрічається з молекулою H₂. Крім того, всі реакції відбуваються з утворенням вільних радикалів, це означає, що запускається процес самопідтримання горіння.

Таким чином, ключовий момент у запуску цієї реакції полягає в утворенні радикалів. Вони з’являються, якщо піднести до кисень-водневої суміші палаючу сірник, або якщо нагріти цю суміш вище певної температури.

Ініціація реакції

Як було зазначено, зробити це можна двома способами:

• За допомогою іскри, яка повинна надати всього 0,02 мДж теплоти. Це дуже маленьке значення енергії, для порівняння скажімо, що аналогічне значення для бензинової суміші становить 0,24 мДж, а для метанової — 0,29 мДж. Зі зменшенням тиску енергія ініціації реакції зростає. Так, при 2 кПа вона становить вже 0,56 мДж. У будь-якому випадку, це дуже маленькі значення, тому водень-киснева суміш вважається легко займистою.
• За допомогою температури. Тобто кисень-водневу суміш можна просто нагрівати, і вище деякої температури вона сама запалиться. Коли це станеться, залежить від тиску і процентного співвідношення газів. У широкому інтервалі концентрацій при атмосферному тиску реакція самозаймання відбувається при температурах вище 773-850 К, тобто вище 500-577 ^o Це досить високі значення в порівнянні з бензиновою сумішшю, яка починає самозайматися вже при температурах нижче 300 ^oC.

Відсотковий вміст газів у горючій суміші

Говорячи про температуру горіння водню в повітрі, слід зазначити, що не всяка суміш цих газів буде вступати в розглянутий процес. Експериментально встановлено, що якщо кількість кисню менше 6% за обсягом, або якщо кількість водню менше 4% за обсягом, то ніякої реакції не буде. Тим не менш, межі існування горючої суміші є досить широкими. Для повітря відсотковий вміст водню може становити від 4,1% до 74,8%. Зазначимо, що верхнє значення якраз відповідає необхідному мінімуму по кисню.

Якщо ж розглядається чиста кисень-воднева суміш, то тут межі ще ширші: 4,1-94 %.

Зменшення тиску газів призводить до скорочення зазначених меж (нижня межа піднімається, верхня — опускається).

Також важливо розуміти, що в процесі горіння водню в повітрі (кисні), виникають продукти реакції (вода) призводять до зменшення концентрації реагентів, що може призвести до припинення хімічного процесу.

Безпека горіння

Це важлива характеристика займистої суміші, оскільки вона дозволяє судити про те, відбувається реакція спокійно, і можна її контролювати, або процес має вибуховий характер. Від чого залежить швидкість горіння? Звичайно ж, від концентрації реагентів, від тиску, а також від кількості енергії «» затравки «».

На превеликий жаль, водень в широкому інтервалі концентрацій здатний до вибухового горіння. У літературі наводяться такі цифри: 18,5-59% водню в повітряній суміші. Причому на краях цієї межі в результаті детонації виділяється найбільша кількість енергії на одиницю обсягу.

Зазначений характер горіння становить велику проблему для використання цієї реакції як контрольованого джерела енергії.

Температура реакції горіння

Тепер ми підійшли безпосередньо до відповіді на питання, яка нижча температура згоряння водню. Вона становить 2321 К або 2048 ^oC для суміші з 19,6% H2_. Тобто температура горіння водню в повітрі вище 2000 o^C (для інших концентрацій вона може досягати 2500 o^C), і в порівнянні з бензиновою сумішшю — це величезна цифра (для бензину близько 800 o^C). Якщо спалювати водень у чистому кисні, то температура полум’я буде ще вищою (до 2800 o^C).

Така висока температура полум’я становить ще одну проблему у використанні цієї реакції як джерела енергії, оскільки не існує зараз сплавів, які могли б працювати тривалий час у таких екстремальних умовах.

Звичайно, ця проблема вирішується, якщо використовувати добре продуману систему охолодження камери, де відбувається горіння водню.

Кількість вибраної теплоти

У рамках питання температури горіння водню цікаво також навести дані про кількість енергії, яка виділяється під час цієї реакції. Для різних умов і складів горючої суміші отримали значення від 119 МДж/кг до 141 МДж/кг. Щоб зрозуміти, наскільки це багато, відзначимо, що аналогічне значення для бензинової суміші становить близько 40 МДж/кг.

Енергетичний вихід водневої суміші набагато вищий, ніж для бензину, що є величезним плюсом для її застосування як палива для двигунів внутрішнього згоряння. Однак, і тут не все так просто. Вся справа в щільності водню, вона занадто низька при атмосферному тиску. Так, 1 м³ цього газу важить всього 90 грам. Якщо спалити цей 1 м³ H₂, то виділиться близько 10-11 МДж теплоти, що вже в 4 рази менше, ніж при спалюванні 1 кг бензину (трохи більше 1 літра).

Наведені цифри говорять про те, що для використання реакції горіння водню необхідно навчитися зберігати цей газ у балонах з високим тиском, що створює вже додаткові складнощі, як у технологічному питанні, так і з точки зору безпеки.

Застосування водневої горючої суміші в техніці: проблеми

Відразу необхідно сказати, що в даний час воднева горюча суміш вже використовується в деяких сферах людської діяльності. Наприклад, в якості додаткового палива для космічних ракет, в якості джерел для вироблення електричної енергії, а також в експериментальних моделях сучасних автомобілів. Однак масштаби цього застосування є мізерними, порівняно з такими для органічного палива і, як правило, носять експериментальних характер. Причиною цього є не тільки труднощі в контролі самої реакції горіння, але також у зберіганні, транспортуванні і видобутку H₂.

Водень на Землі практично не існує в чистому вигляді, тому його необхідно отримувати з різних сполук. Наприклад, з води. Це досить популярний спосіб в даний час, який здійснюється за допомогою пропускання електричного струму через H₂O. Вся проблема полягає в тому, що при цьому витрачається більше енергії, ніж потім можна отримати шляхом спалювання H₂.

Ще одна важлива проблема — транспортування і зберігання водню. Справа в тому, що цей газ, зважаючи на маленькі розміри його молекул, здатний «» вилітати «» з будь-яких контейнерів. Крім того, потрапляючи в металеву решітку сплавів, він викликає їх угруповання. Тому найбільш ефективним способом зберігання H2 є використання атомів вуглецю, здатних міцно пов’язувати «» невловимий «» газ.

Таким чином, застосування водню як палива в більш-менш широких масштабах можливе, тільки якщо його використовувати як «» збереження «» електрики (наприклад, переводити вітрову і сонячну енергію у водень за допомогою електролізу води), або якщо навчитися доставляти H₂ з космосу (де його дуже багато) на Землю.