Təcili problemlərdən biri ətraf mühitin çirklənməsi və üzvi mənşəli məhdud enerji resurslarıdır. Bu problemləri həll etməyin perspektivli yolu hidrogendən enerji mənbəyi kimi istifadə etməkdir. Məqalədə hidrogenin yanması, bu prosesin temperaturu və kimyası məsələsini nəzərdən keçirəcəyik.
Hidrogen nədir?
Hidrogenin yanma temperaturu necədir sualını nəzərdən keçirməzdən əvvəl bu maddənin nə olduğunu xatırlamaq lazımdır.
Hidrogen ən yüngül kimyəvi elementdir, yalnız bir proton və bir elektrondan ibarətdir. Normal şəraitdə (təzyiq 1 atm., temperatur 0 oC) qaz halında olur. Onun molekulu (H2) bu kimyəvi elementin 2 atomundan əmələ gəlir. Hidrogen planetimizdə 3-cü, Kainatda isə 1-ci elementdir (bütün maddələrin təxminən 90%-i).
Hidrogen qazı (H2)qoxusuz, dadsız və rəngsizdir. Zəhərli deyil, lakin onun atmosfer havasındakı miqdarı bir neçə faiz olduqda, insan oksigen çatışmazlığı səbəbindən boğula bilər.
Qeyd etmək maraqlıdır ki, kimyəvi baxımdan bütün H2 molekulları eyni olsa da, fiziki xassələri bir qədər fərqlidir. Söhbət paralel və antiparalel ola bilən elektron spinlərinin oriyentasiyasından gedir (onlar maqnit momentinin yaranmasına cavabdehdirlər), belə bir molekula müvafiq olaraq orto- və parahidrogen deyilir.
Yanma kimyəvi reaksiyası
Hidrogenin oksigenlə yanma temperaturu sualını nəzərə alaraq, bu prosesi təsvir edən kimyəvi reaksiya təqdim edirik: 2H2 + O2=> 2H2O. Yəni reaksiyada 3 molekul (iki hidrogen və bir oksigen) iştirak edir və məhsul iki su molekuludur. Bu reaksiya kimyəvi nöqteyi-nəzərdən yanmağı təsvir edir və belə qənaətə gəlmək olar ki, onun keçdikdən sonra qalıq yanacaqların (benzin, spirt) yanması zamanı baş verdiyi kimi ətraf mühiti çirkləndirməyən yalnız saf su qalır.
Digər tərəfdən, bu reaksiya ekzotermikdir, yəni suya əlavə olaraq, avtomobilləri və raketləri idarə etmək, həmçinin onu digər enerji mənbələrinə ötürmək üçün istifadə edilə bilən bir qədər istilik də buraxır. elektrik kimi.
Hidrogenin yanma prosesinin mexanizmi
Əvvəlki hissədə təsvir edilmişdirparaqraf kimyəvi reaksiya hər hansı bir orta məktəb şagirdinə məlumdur, lakin bu, reallıqda baş verən prosesin çox kobud təsviridir. Qeyd edək ki, keçən əsrin ortalarına qədər bəşəriyyət hidrogenin havada necə yandığını bilmirdi və 1956-cı ildə onun tədqiqinə görə kimya üzrə Nobel mükafatı verildi.
Əslində O2 və H2 molekulları toqquşsa, heç bir reaksiya baş verməyəcək. Hər iki molekul olduqca sabitdir. Yanmanın baş verməsi və suyun əmələ gəlməsi üçün sərbəst radikallar mövcud olmalıdır. Xüsusilə, H, O atomları və OH qrupları. Aşağıdakılar hidrogenin yandırılması zamanı baş verən reaksiyaların ardıcıllığıdır:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Bu reaksiyalardan nə görürsünüz? Hidrogen yandıqda su əmələ gəlir, bəli, bu doğrudur, lakin bu, yalnız iki OH atomundan ibarət qrup H2 molekulu ilə qarşılaşdıqda baş verir. Bundan əlavə, bütün reaksiyalar sərbəst radikalların əmələ gəlməsi ilə baş verir ki, bu da öz-özünə yanma prosesinin başlanması deməkdir.
Beləliklə, bu reaksiyaya başlamağın açarı radikalların əmələ gəlməsidir. Oksigen-hidrogen qarışığına yanan kibrit gətirdikdə və ya bu qarışığı müəyyən bir temperaturdan yuxarı qızdırdıqda görünürlər.
Reaksiya başlayır
Qeyd edildiyi kimi, bunu etməyin iki yolu var:
- Yalnız 0 təmin etməli olan qığılcım köməyi ilə,02 mJ istilik. Bu, çox kiçik enerji dəyəridir, müqayisə üçün deyək ki, benzin qarışığı üçün oxşar dəyər 0,24 mJ, metan üçün isə 0,29 mJ-dir. Təzyiq azaldıqca reaksiyanın başlama enerjisi artır. Beləliklə, 2 kPa-da artıq 0,56 mJ-dir. İstənilən halda, bunlar çox kiçik dəyərlərdir, ona görə də hidrogen-oksigen qarışığı çox tez alışan hesab olunur.
- Temperaturun köməyi ilə. Yəni, oksigen-hidrogen qarışığı sadəcə qızdırıla bilər və müəyyən bir temperaturdan yuxarı özünü alovlandıracaq. Bunun nə vaxt baş verməsi qazların təzyiqindən və faizindən asılıdır. Atmosfer təzyiqində konsentrasiyaların geniş diapazonunda özbaşına yanma reaksiyası 773-850 K-dən yuxarı, yəni 500-577 oC-dən yuxarı temperaturda baş verir. Bunlar 300-dən aşağı temperaturda özbaşına alışmağa başlayan benzin qarışığı ilə müqayisədə olduqca yüksək dəyərlərdir oC.
Yanan qarışıqdakı qazların faizi
Havada hidrogenin yanma temperaturundan danışarkən qeyd etmək lazımdır ki, bu qazların hər qarışığı nəzərdən keçirilən prosesə daxil olmayacaq. Təcrübə yolu ilə müəyyən edilmişdir ki, oksigenin miqdarı həcmcə 6%-dən azdırsa və ya hidrogenin miqdarı həcmcə 4%-dən azdırsa, heç bir reaksiya baş verməyəcək. Bununla belə, yanan bir qarışığın mövcudluğunun sərhədləri olduqca genişdir. Hava üçün hidrogenin faizi 4,1% ilə 74,8% arasında dəyişə bilər. Nəzərə alın ki, yuxarı dəyər sadəcə olaraq oksigen üçün tələb olunan minimuma uyğundur.
Əgərtəmiz oksigen-hidrogen qarışığı düşünün, onda burada məhdudiyyətlər daha da genişdir: 4, 1-94%.
Qazların təzyiqinin azaldılması müəyyən edilmiş hədlərin azalmasına gətirib çıxarır (aşağı həddi yüksəlir, yuxarı həddi düşür).
Həmçinin başa düşmək lazımdır ki, havada (oksigen) hidrogenin yanması zamanı yaranan reaksiya məhsulları (su) reagentlərin konsentrasiyasının azalmasına gətirib çıxarır ki, bu da kimyəvi prosesin dayandırılmasına səbəb ola bilər..
Yanma təhlükəsizliyi
Bu, yanan qarışığın vacib xarakteristikasıdır, çünki o, reaksiyanın sakit olub-olmadığını və idarə oluna biləcəyini və ya prosesin partlayıcı olduğunu mühakimə etməyə imkan verir. Yanma dərəcəsini nə müəyyənləşdirir? Əlbəttə ki, reagentlərin konsentrasiyasına, təzyiqə, həmçinin "toxum"un enerji miqdarına.
Təəssüf ki, geniş konsentrasiyalarda hidrogen partlayıcı yanma qabiliyyətinə malikdir. Ədəbiyyatda aşağıdakı rəqəmlər verilmişdir: hava qarışığında 18,5-59% hidrogen. Üstəlik, bu limitin kənarlarında detonasiya nəticəsində vahid həcm üçün ən böyük enerji buraxılır.
Yanmanın nəzərə çarpan təbiəti bu reaksiyadan idarə olunan enerji mənbəyi kimi istifadə etmək üçün böyük problem yaradır.
Yanma reaksiyasının temperaturu
İndi isə birbaşa sualın cavabına keçirik, hidrogenin yanmasının ən aşağı temperaturu nədir. 19,6% H2 olan qarışıq üçün 2321 K və ya 2048 oC-dir. Yəni havada hidrogenin yanma temperaturu daha yüksəkdir2000 oC (digər konsentrasiyalar üçün 2500 oC-ə çata bilər) və benzin qarışığı ilə müqayisədə bu, böyük rəqəmdir (benzin üçün) təxminən 800 oC). Hidrogeni təmiz oksigendə yandırsanız, alovun temperaturu daha da yüksək olacaq (2800 oC).
Belə yüksək alov temperaturu bu reaksiyanın enerji mənbəyi kimi istifadə edilməsində başqa problem yaradır, çünki hazırda belə ekstremal şəraitdə uzun müddət işləyə bilən ərintilər yoxdur.
Əlbəttə, bu problem hidrogen yanmasının baş verdiyi kamera üçün yaxşı dizayn edilmiş soyutma sistemindən istifadə etməklə həll edilir.
Ayrılan istilik miqdarı
Hidrogenin yanma temperaturu sualının bir hissəsi olaraq, bu reaksiya zamanı ayrılan enerjinin miqdarı haqqında məlumat vermək də maraqlıdır. Yanan qarışığın müxtəlif şərtləri və tərkibi üçün 119 MJ/kq-dan 141 MJ/kq-a qədər qiymətlər alınmışdır. Bunun nə qədər olduğunu başa düşmək üçün qeyd edirik ki, benzin qarışığı üçün oxşar dəyər təxminən 40 MJ/kq təşkil edir.
Hidrogen qarışığının enerji səmərəsi benzinlə müqayisədə xeyli yüksəkdir ki, bu da onun daxili yanma mühərrikləri üçün yanacaq kimi istifadəsi üçün böyük üstünlükdür. Ancaq burada da hər şey o qədər də sadə deyil. Söhbət hidrogenin sıxlığından gedir, atmosfer təzyiqində çox aşağıdır. Beləliklə, bu qazın 1 m3 çəkisi cəmi 90 qramdır. Bu 1 m3 H2 yandırsanız, təxminən 10-11 MJ istilik ayrılacaq ki, bu da əvvəlki vaxtdan 4 dəfə azdır. 1 kq benzin yandırmaq (1 litrdən bir qədər çox).
Verilən rəqəmlər göstərir ki, hidrogenin yanma reaksiyasından istifadə etmək üçün bu qazı yüksək təzyiqli silindrlərdə necə saxlamağı öyrənmək lazımdır ki, bu da artıq həm texnologiya, həm də təhlükəsizlik baxımından əlavə çətinliklər yaradır.
Hidrogen yanan qarışığın texnologiyada istifadəsi: problemlər
Dərhal demək lazımdır ki, hazırda hidrogenin yanan qarışığı insan fəaliyyətinin bəzi sahələrində artıq istifadə olunur. Məsələn, kosmik raketlər üçün əlavə yanacaq kimi, elektrik enerjisi istehsal etmək üçün mənbələr kimi, eləcə də müasir avtomobillərin eksperimental modellərində. Bununla belə, bu tətbiqin miqyası qalıq yanacaqlarla müqayisədə kiçikdir və ümumiyyətlə eksperimental xarakter daşıyır. Bunun səbəbi təkcə yanma reaksiyasının özünü idarə etmənin çətinliyi deyil, həm də H2-nin saxlanması, daşınması və çıxarılmasında olan çətinlikdir.
Yer kürəsində hidrogen praktiki olaraq təmiz formada yoxdur, ona görə də onu müxtəlif birləşmələrdən almaq lazımdır. Məsələn, sudan. Bu, H2O-dan elektrik cərəyanı keçirərək həyata keçirilən hal-hazırda kifayət qədər populyar bir üsuldur. Bütün problem ondadır ki, bu, H2 yandırmaqla əldə edilə biləndən daha çox enerji sərf edir.
Digər mühüm problem hidrogenin daşınması və saxlanmasıdır. Məsələ burasındadır ki, bu qaz molekullarının kiçik ölçüsünə görə istənilən yerdən “uçub çıxa” bilir.konteynerlər. Bundan əlavə, ərintilərin metal qəfəsinə girərək, onların kövrəkləşməsinə səbəb olur. Buna görə də, H2 saxlamağın ən səmərəli yolu "tutmaz" qazı möhkəm bağlaya bilən karbon atomlarından istifadə etməkdir.
Beləliklə, hidrogenin yanacaq kimi az-çox geniş miqyasda istifadəsi yalnız elektrik enerjisinin “anbarı” kimi istifadə edildikdə (məsələn, külək və günəş enerjisinin su elektrolizindən istifadə edərək hidrogenə çevrilməsi) mümkündür., və ya H2 kosmosdan (bunun çox olduğu yerdə) Yerə çatdırmağı öyrənsəniz.
