Հրատապ խնդիրներից է շրջակա միջավայրի աղտոտվածությունը և օրգանական ծագման սահմանափակ էներգիայի պաշարները։ Այս խնդիրների լուծման խոստումնալից միջոց է ջրածնի օգտագործումը որպես էներգիայի աղբյուր: Հոդվածում մենք կքննարկենք ջրածնի այրման հարցը, այս գործընթացի ջերմաստիճանը և քիմիան:
Ի՞նչ է ջրածինը:
Նախքան այն հարցը, թե որն է ջրածնի այրման ջերմաստիճանը, պետք է հիշել, թե ինչ է իրենից ներկայացնում այս նյութը:
Ջրածինը ամենաթեթև քիմիական տարրն է, որը բաղկացած է միայն մեկ պրոտոնից և մեկ էլեկտրոնից: Նորմալ պայմաններում (ճնշում 1 ատմ., ջերմաստիճան 0 oC) առկա է գազային վիճակում։ Նրա մոլեկուլը (H2) ձևավորվում է այս քիմիական տարրի 2 ատոմներից։ Ջրածինը մեր մոլորակի 3-րդ ամենաառատ տարրն է և 1-ինը՝ Տիեզերքում (բոլոր նյութի մոտ 90%-ը):
ջրածին գազ (H2)անհոտ, անհամ և անգույն: Այն թունավոր չէ, սակայն, երբ դրա պարունակությունը մթնոլորտային օդում մի քանի տոկոս է կազմում, ապա թթվածնի պակասի պատճառով մարդը կարող է շնչահեղձ լինել։
Հետաքրքիր է նշել, որ թեև քիմիական տեսանկյունից, բոլոր H2 մոլեկուլները նույնական են, նրանց ֆիզիկական հատկությունները փոքր-ինչ տարբեր են: Ամեն ինչ վերաբերում է էլեկտրոնների սպինների կողմնորոշմանը (նրանք պատասխանատու են մագնիսական պահի առաջացման համար), որը կարող է լինել զուգահեռ և հակազուգահեռ, նման մոլեկուլը կոչվում է համապատասխանաբար օրթո- և պարաջրածին։
Այրման քիմիական ռեակցիա
Հաշվի առնելով թթվածնի հետ ջրածնի այրման ջերմաստիճանի հարցը, մենք ներկայացնում ենք քիմիական ռեակցիա, որը նկարագրում է այս գործընթացը. 2H2 + O2=> 2H2O. Այսինքն՝ ռեակցիային մասնակցում է 3 մոլեկուլ (երկու ջրածին և մեկ թթվածին), իսկ արտադրանքը ջրի երկու մոլեկուլ է։ Այս ռեակցիան նկարագրում է այրումը քիմիական տեսանկյունից, և կարելի է դատել, որ դրա անցումից հետո մնում է միայն մաքուր ջուր, որը չի աղտոտում շրջակա միջավայրը, ինչպես տեղի է ունենում հանածո վառելիքի (բենզին, ալկոհոլ) այրման ժամանակ։
Մյուս կողմից, այս ռեակցիան էկզոթերմիկ է, այսինքն՝ բացի ջրից, այն արտազատում է որոշակի ջերմություն, որը կարող է օգտագործվել ավտոմեքենաներ և հրթիռներ վարելու համար, ինչպես նաև այն էներգիայի այլ աղբյուրներ փոխանցելու համար, ինչպիսիք են. որպես էլեկտրաէներգիա։
Ջրածնի այրման գործընթացի մեխանիզմ
Նկարագրված է նախորդումպարբերություն քիմիական ռեակցիան հայտնի է ավագ դպրոցի ցանկացած աշակերտի, բայց դա իրականում տեղի ունեցող գործընթացի շատ կոպիտ նկարագրություն է: Նշենք, որ մինչև անցյալ դարի կեսերը մարդկությունը չգիտեր, թե ինչպես է ջրածինը այրվում օդում, և 1956 թվականին դրա ուսումնասիրության համար շնորհվեց քիմիայի Նոբելյան մրցանակ։
Իրականում, եթե O2 և H2 մոլեկուլները բախվեն, ոչ մի ռեակցիա չի առաջանա: Երկու մոլեկուլներն էլ բավականին կայուն են։ Որպեսզի այրումը տեղի ունենա և ջուր առաջանա, պետք է ազատ ռադիկալներ գոյություն ունենան: Մասնավորապես՝ H, O ատոմները և OH խմբերը։ Ստորև բերված է ռեակցիաների հաջորդականությունը, որոնք իրականում տեղի են ունենում ջրածնի այրման ժամանակ.
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Ի՞նչ եք տեսնում այս արձագանքներից: Երբ ջրածինը այրվում է, ջուր է գոյանում, այո, դա ճիշտ է, բայց դա տեղի է ունենում միայն այն ժամանակ, երբ երկու OH ատոմներից բաղկացած խումբը հանդիպում է H2 մոլեկուլին: Բացի այդ, բոլոր ռեակցիաները տեղի են ունենում ազատ ռադիկալների ձևավորմամբ, ինչը նշանակում է, որ սկսվում է ինքնակառավարվող այրման գործընթացը։
Այսպիսով, այս ռեակցիան սկսելու բանալին ռադիկալների ձևավորումն է: Դրանք հայտնվում են, եթե այրվող լուցկին բերում եք թթվածին-ջրածնի խառնուրդին, կամ եթե այս խառնուրդը տաքացնում եք որոշակի ջերմաստիճանից բարձր:
Նախաձեռնող ռեակցիա
Ինչպես նշվեց, դա անելու երկու եղանակ կա.
- Կայծի օգնությամբ, որը պետք է ապահովի միայն 0,02 մՋ ջերմություն: Սա շատ փոքր էներգիայի արժեք է, համեմատության համար ասենք, որ բենզինային խառնուրդի համանման արժեքը կազմում է 0,24 մՋ, իսկ մեթանի համար՝ 0,29 մՋ։ Քանի որ ճնշումը նվազում է, ռեակցիայի մեկնարկի էներգիան մեծանում է: Այսպիսով, 2 կՊա, այն արդեն 0,56 մՋ է: Ամեն դեպքում, դրանք շատ փոքր արժեքներ են, ուստի ջրածին-թթվածին խառնուրդը համարվում է խիստ դյուրավառ։
- Ջերմաստիճանի օգնությամբ. Այսինքն՝ թթվածին-ջրածին խառնուրդը պարզապես կարելի է տաքացնել, իսկ որոշակի ջերմաստիճանից բարձր ինքն իրեն կբռնկվի։ Երբ դա տեղի կունենա, կախված է ճնշումից և գազերի տոկոսից: Մթնոլորտային ճնշման կոնցենտրացիաների լայն շրջանակում ինքնաբուխ այրման ռեակցիան տեղի է ունենում 773-850 Կ-ից բարձր ջերմաստիճանում, այսինքն՝ 500-577 oC-ից բարձր: Սրանք բավականին բարձր արժեքներ են՝ համեմատած բենզինային խառնուրդի հետ, որը սկսում է ինքնաբուխ բռնկվել արդեն 300 oC:
Գազերի տոկոսը այրվող խառնուրդում
Խոսելով օդում ջրածնի այրման ջերմաստիճանի մասին՝ պետք է նշել, որ այդ գազերի ոչ ամեն խառնուրդ կմտնի քննարկվող գործընթացի մեջ։ Փորձնականորեն հաստատվել է, որ եթե թթվածնի քանակը ծավալային 6%-ից պակաս է, կամ եթե ջրածնի քանակը 4%-ից պակաս է ծավալային, ապա ռեակցիա չի առաջանա։ Այնուամենայնիվ, այրվող խառնուրդի գոյության սահմանները բավականին լայն են։ Օդի համար ջրածնի տոկոսը կարող է տատանվել 4,1%-ից մինչև 74,8%: Նկատի ունեցեք, որ վերին արժեքը պարզապես համապատասխանում է թթվածնի համար անհրաժեշտ նվազագույնին:
Եթեդիտարկենք մաքուր թթվածին-ջրածին խառնուրդ, ապա սահմաններն այստեղ ավելի լայն են՝ 4, 1-94%.
Գազերի ճնշման նվազեցումը հանգեցնում է նշված սահմանների նվազմանը (ստորին սահմանը բարձրանում է, վերինը՝ իջնում):
Կարևոր է նաև հասկանալ, որ օդում ջրածնի (թթվածնի) այրման ժամանակ առաջացող ռեակցիայի արտադրանքները (ջուր) հանգեցնում են ռեագենտների կոնցենտրացիայի նվազմանը, ինչը կարող է հանգեցնել քիմիական գործընթացի դադարեցման։.
Այրման անվտանգություն
Սա դյուրավառ խառնուրդի կարևոր հատկանիշն է, քանի որ թույլ է տալիս դատել՝ արդյոք ռեակցիան հանգիստ է և կարելի է կառավարել, թե՞ գործընթացը պայթյունավտանգ է: Ինչն է որոշում այրման արագությունը: Իհարկե, ռեագենտների կոնցենտրացիայի, ճնշման, ինչպես նաև «սերմի» էներգիայի քանակի վրա։
Ցավոք, ջրածինը կոնցենտրացիաների լայն շրջանակում ունակ է պայթուցիկ այրման: Գրականության մեջ տրված են հետևյալ թվերը՝ 18,5-59% ջրածին օդային խառնուրդում։ Ընդ որում, այս սահմանի եզրերին, պայթեցման արդյունքում, էներգիայի ամենամեծ քանակությունն արտազատվում է մեկ միավորի ծավալով։
Այրման ընդգծված բնույթը մեծ խնդիր է ներկայացնում այս ռեակցիան որպես էներգիայի վերահսկվող աղբյուր օգտագործելու համար:
Այրման ռեակցիայի ջերմաստիճան
Այժմ մենք ուղղակիորեն գալիս ենք այն հարցի պատասխանին, թե որն է ջրածնի այրման ամենացածր ջերմաստիճանը: Այն 2321 Կ է կամ 2048 oC 19,6% H2-ով խառնուրդի համար: Այսինքն՝ օդում ջրածնի այրման ջերմաստիճանն ավելի բարձր է2000 oC (այլ կոնցենտրացիաների դեպքում այն կարող է հասնել 2500 oC), և համեմատած բենզինային խառնուրդի հետ՝ սա հսկայական ցուցանիշ է (բենզինի համար մոտ 800 oC): Եթե դուք այրում եք ջրածինը մաքուր թթվածնի մեջ, կրակի ջերմաստիճանն ավելի բարձր կլինի (մինչև 2800 oC):
Բոցի նման բարձր ջերմաստիճանը մեկ այլ խնդիր է ներկայացնում այս ռեակցիան որպես էներգիայի աղբյուր օգտագործելու համար, քանի որ ներկայումս չկան համաձուլվածքներ, որոնք կարող են երկար ժամանակ աշխատել նման ծայրահեղ պայմաններում:
Իհարկե, այս խնդիրը լուծվում է՝ օգտագործելով լավ մշակված սառեցման համակարգ այն խցիկի համար, որտեղ տեղի է ունենում ջրածնի այրում:
Ազատված ջերմության քանակը
Որպես ջրածնի այրման ջերմաստիճանի հարցի մաս, հետաքրքիր է նաև տվյալներ տրամադրել այս ռեակցիայի ընթացքում արտազատվող էներգիայի քանակի վերաբերյալ: Այրվող խառնուրդի տարբեր պայմանների և բաղադրության համար ստացվել են արժեքներ 119 ՄՋ/կգ-ից մինչև 141 ՄՋ/կգ: Հասկանալու համար, թե որքան է սա, մենք նշում ենք, որ բենզինային խառնուրդի համար նմանատիպ արժեքը կազմում է մոտ 40 ՄՋ / կգ:
Ջրածնի խառնուրդի էներգիայի եկամտաբերությունը շատ ավելի բարձր է, քան բենզինը, ինչը հսկայական պլյուս է ներքին այրման շարժիչների համար որպես վառելիք օգտագործելու համար: Այնուամենայնիվ, այստեղ նույնպես ամեն ինչ այդքան պարզ չէ։ Ամեն ինչ կապված է ջրածնի խտության հետ, այն չափազանց ցածր է մթնոլորտային ճնշման դեպքում: Այսպիսով, 1 մ3 այս գազից կշռում է ընդամենը 90 գրամ: Եթե այրեք այս 1 մ3 H2, ապա կթողարկվի մոտ 10-11 ՄՋ ջերմություն, որն արդեն 4 անգամ պակաս է, քան երբ այրվում է 1 կգ բենզին (1 լիտրից քիչ ավելի):
Տրված թվերը ցույց են տալիս, որ ջրածնի այրման ռեակցիան օգտագործելու համար անհրաժեշտ է սովորել, թե ինչպես պահել այդ գազը բարձր ճնշման բալոններում, ինչն արդեն իսկ լրացուցիչ դժվարություններ է ստեղծում՝ թե՛ տեխնոլոգիական, թե՛ անվտանգության առումով։
Ջրածնի այրվող խառնուրդի օգտագործումը տեխնոլոգիայի մեջ. խնդիրներ
Անմիջապես պետք է ասել, որ ներկայումս ջրածնային այրվող խառնուրդն արդեն օգտագործվում է մարդու գործունեության որոշ ոլորտներում։ Օրինակ՝ որպես լրացուցիչ վառելիք տիեզերական հրթիռների համար, որպես էլեկտրական էներգիա արտադրող աղբյուրներ, ինչպես նաև ժամանակակից մեքենաների փորձարարական մոդելներում։ Այնուամենայնիվ, այս կիրառման մասշտաբները փոքր են՝ համեմատած հանածո վառելիքի հետ և ընդհանուր առմամբ փորձարարական բնույթ ունեն: Դրա պատճառը ոչ միայն բուն այրման ռեակցիան վերահսկելու դժվարությունն է, այլ նաև H2:
:
Երկրի վրա ջրածինը իր մաքուր տեսքով գործնականում գոյություն չունի, ուստի այն պետք է ստացվի տարբեր միացություններից: Օրինակ՝ ջրից։ Սա ներկայումս բավականին տարածված մեթոդ է, որն իրականացվում է H2O-ի միջով էլեկտրական հոսանք անցնելու միջոցով: Ամբողջ խնդիրն այն է, որ սա ավելի շատ էներգիա է սպառում, քան կարելի է ստանալ H2 այրելով:
Մյուս կարևոր խնդիրն է ջրածնի տեղափոխումն ու պահպանումը։ Բանն այն է, որ այս գազը իր մոլեկուլների փոքր չափերի շնորհիվ կարողանում է «դուրս թռչել» ցանկացած.տարաներ. Բացի այդ, համաձուլվածքների մետաղական ցանցի մեջ մտնելը առաջացնում է դրանց փխրունություն։ Հետևաբար, H2 պահելու ամենաարդյունավետ միջոցը ածխածնի ատոմների օգտագործումն է, որոնք կարող են ամուր կապել «անորսալի» գազը:
Այսպիսով, ջրածնի օգտագործումը որպես վառելիք քիչ թե շատ մեծ մասշտաբով հնարավոր է միայն այն դեպքում, եթե այն օգտագործվի որպես էլեկտրաէներգիայի «պահեստ» (օրինակ՝ քամու և արևի էներգիան ջրածնի վերածելով ջրի էլեկտրոլիզի միջոցով), կամ եթե սովորեք առաքել H2 տիեզերքից (որտեղ այն շատ է) Երկիր:
