Eines der drängenden Probleme sind Umweltverschmutzung und begrenzte Energieressourcen organischen Ursprungs. Ein vielversprechender Weg zur Lösung dieser Probleme ist die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. In dem Artikel werden wir uns mit der Frage der Wasserstoffverbrennung, der Temperatur und der Chemie dieses Prozesses befassen.
Was ist Wasserstoff?
Bevor wir uns mit der Frage befassen, wie hoch die Verbrennungstemperatur von Wasserstoff ist, ist es notwendig, sich daran zu erinnern, was diese Substanz ist.
Wasserstoff ist das leichteste chemische Element und besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Unter Normalbedingungen (Druck 1 atm, Temperatur 0 °C) liegt es im gasförmigen Zustand vor. Sein Molekül (H2) besteht aus 2 Atomen dieses chemischen Elements. Wasserstoff ist das dritthäufigste Element auf unserem Planeten und das erste im Universum (etwa 90 % aller Materie).
Wasserstoffgas (H2)geruchlos, geschmacklos und farblos. Es ist nicht giftig, aber wenn sein Geh alt in der atmosphärischen Luft einige Prozent beträgt, dann kann eine Person aufgrund von Sauerstoffmangel ersticken.
Es ist merkwürdig festzustellen, dass, obwohl aus chemischer Sicht alle H2-Moleküle identisch sind, ihre physikalischen Eigenschaften etwas unterschiedlich sind. Es geht um die Ausrichtung der Elektronenspins (sie sind verantwortlich für das Auftreten eines magnetischen Moments), die parallel und antiparallel sein können, ein solches Molekül heißt Ortho- bzw. Parawasserstoff.
Verbrennung chemische Reaktion
Zur Frage der Verbrennungstemperatur von Wasserstoff mit Sauerstoff stellen wir eine chemische Reaktion vor, die diesen Vorgang beschreibt: 2H2 + O2=> 2H2O. Das heißt, 3 Moleküle nehmen an der Reaktion teil (zwei Wasserstoff und ein Sauerstoff), und das Produkt sind zwei Wassermoleküle. Diese Reaktion beschreibt die Verbrennung aus chemischer Sicht, und man kann davon ausgehen, dass nach ihrem Durchgang nur reines Wasser zurückbleibt, das die Umwelt nicht belastet, wie es bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Benzin, Alkohol) der Fall ist.
Andererseits ist diese Reaktion exotherm, d.h. es wird neben Wasser etwas Wärme freigesetzt, die zum Antrieb von Autos und Raketen genutzt werden kann, sowie zur Übertragung auf andere Energiequellen, wie z als Strom.
Mechanismus des Wasserstoffverbrennungsprozesses
Beschrieben in der vorherigenAbsatz chemische Reaktion ist jedem Gymnasiasten bekannt, aber es ist eine sehr grobe Beschreibung des Prozesses, der in der Realität abläuft. Beachten Sie, dass die Menschheit bis Mitte des letzten Jahrhunderts nicht wusste, wie Wasserstoff in der Luft brennt, und 1956 der Nobelpreis für Chemie für seine Studie verliehen wurde.
In der Tat, wenn O2 und H2 Moleküle kollidieren, findet keine Reaktion statt. Beide Moleküle sind recht stabil. Damit es zu einer Verbrennung und Wasserbildung kommt, müssen freie Radikale vorhanden sein. Insbesondere H-, O-Atome und OH-Gruppen. Das Folgende ist eine Abfolge von Reaktionen, die tatsächlich ablaufen, wenn Wasserstoff verbrannt wird:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Was siehst du in diesen Reaktionen? Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht Wasser, ja, das stimmt, aber das passiert nur, wenn eine Gruppe von zwei OH-Atomen auf ein H2-Molekül trifft. Außerdem laufen alle Reaktionen unter Bildung freier Radikale ab, wodurch der Prozess der sich selbst erh altenden Verbrennung beginnt.
Der Schlüssel zum Starten dieser Reaktion ist also die Bildung von Radikalen. Sie entstehen, wenn man ein brennendes Streichholz auf ein Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch bringt oder dieses Gemisch über eine bestimmte Temperatur erhitzt.
Einleitungsreaktion
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Möglichkeiten, dies zu tun:
- Mit Hilfe eines Funkens, der nur 0 liefern soll,02 mJ Wärme. Dies ist ein sehr kleiner Energiewert. Nehmen wir zum Vergleich an, dass der ähnliche Wert für ein Benzingemisch 0,24 mJ und für Methan 0,29 mJ beträgt. Mit sinkendem Druck steigt die Reaktionsinitiierungsenergie. Bei 2 kPa sind es also schon 0,56 mJ. Das sind in jedem Fall sehr kleine Werte, sodass das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch als leicht entzündlich gilt.
- Mit Hilfe der Temperatur. Das heißt, das Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch kann einfach erhitzt werden und ab einer bestimmten Temperatur entzündet es sich von selbst. Wann dies geschieht, hängt vom Druck und Gasanteil ab. In einem weiten Konzentrationsbereich bei Atmosphärendruck findet die spontane Verbrennungsreaktion bei Temperaturen über 773-850 K statt, dh über 500-577 oC. Das sind recht hohe Werte im Vergleich zu einem Benzingemisch, das sich bereits bei Temperaturen unter 300 oC selbst zu entzünden beginnt.
Anteil der Gase im brennbaren Gemisch
Bezüglich der Temperatur der Wasserstoffverbrennung in Luft ist zu beachten, dass nicht jedes Gemisch dieser Gase in den betrachteten Prozess eingeht. Es wurde experimentell festgestellt, dass bei einer Sauerstoffmenge von weniger als 6 Vol.-% oder einer Wasserstoffmenge von weniger als 4 Vol.-% keine Reaktion stattfindet. Die Grenzen der Existenz eines brennbaren Gemisches sind jedoch ziemlich weit. Für Luft kann der Wasserstoffanteil zwischen 4,1 % und 74,8 % liegen. Beachten Sie, dass der obere Wert gerade dem erforderlichen Minimum an Sauerstoff entspricht.
WennBetrachten Sie ein reines Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch, dann sind die Grenzen hier noch weiter: 4, 1-94%.
Druckreduzierung von Gasen führt zu einer Reduzierung der angegebenen Grenzwerte (der untere Grenzwert steigt, der obere sinkt).
Es ist auch wichtig zu verstehen, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff in Luft (Sauerstoff) die entstehenden Reaktionsprodukte (Wasser) zu einer Verringerung der Konzentration von Reagenzien führen, was zum Abbruch des chemischen Prozesses führen kann.
Verbrennungssicherheit
Dies ist ein wichtiges Merkmal eines brennbaren Gemisches, da Sie damit beurteilen können, ob die Reaktion ruhig und kontrollierbar ist oder ob der Prozess explosiv ist. Was bestimmt die Brenngeschwindigkeit? Natürlich von der Konzentration der Reagenzien, vom Druck und auch von der Energiemenge des "Samens".
Leider kann Wasserstoff in einem weiten Konzentrationsbereich explosionsartig entzünden. In der Literatur werden folgende Zahlen angegeben: 18,5-59 % Wasserstoff im Luftgemisch. Außerdem wird an den Rändern dieser Grenze durch Detonation die größte Energiemenge pro Volumeneinheit freigesetzt.
Die ausgeprägte Natur der Verbrennung stellt ein großes Problem für die Nutzung dieser Reaktion als kontrollierte Energiequelle dar.
Verbrennungsreaktionstemperatur
Jetzt kommen wir direkt zur Antwort auf die Frage, was die niedrigste Temperatur der Wasserstoffverbrennung ist. Sie beträgt 2321 K bzw. 2048 oC für eine Mischung mit 19,6 % H2. Das heißt, die Verbrennungstemperatur von Wasserstoff in Luft ist höher2000 oC (bei anderen Konzentrationen kann es 2500 oC erreichen), und verglichen mit einem Benzingemisch ist das eine enorme Zahl (für Benzin etwa 800 oC). Wenn Sie Wasserstoff in reinem Sauerstoff verbrennen, wird die Flammentemperatur noch höher (bis zu 2800 oC).
Eine so hohe Flammentemperatur stellt ein weiteres Problem bei der Nutzung dieser Reaktion als Energiequelle dar, da es derzeit keine Legierungen gibt, die unter solch extremen Bedingungen lange Zeit funktionieren können.
Natürlich wird dieses Problem durch die Verwendung eines gut konzipierten Kühlsystems für die Kammer gelöst, in der die Wasserstoffverbrennung stattfindet.
abgegebene Wärmemenge
Im Rahmen der Frage nach der Verbrennungstemperatur von Wasserstoff ist es auch interessant, Angaben zur Energiemenge zu machen, die bei dieser Reaktion freigesetzt wird. Für unterschiedliche Bedingungen und Zusammensetzungen des brennbaren Gemisches wurden Werte von 119 MJ/kg bis 141 MJ/kg erh alten. Um zu verstehen, wie viel das ist, stellen wir fest, dass ein ähnlicher Wert für ein Benzingemisch etwa 40 MJ / kg beträgt.
Die Energieausbeute eines Wasserstoffgemisches ist viel höher als bei Benzin, was für den Einsatz als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ein großes Plus ist. Allerdings ist auch hier nicht alles so einfach. Es geht nur um die Dichte von Wasserstoff, sie ist bei atmosphärischem Druck zu gering. 1 m3 dieses Gases wiegt also nur 90 Gramm. Wenn Sie diese 1 m3 H2 verbrennen, werden etwa 10-11 MJ Wärme freigesetzt, was bereits 4-mal weniger ist als wenn 1 kg Benzin verbrennen (knapp über 1 Liter).
Die angegebenen Zahlen zeigen, dass es zur Nutzung der Verbrennungsreaktion von Wasserstoff erforderlich ist, zu lernen, wie man dieses Gas in Hochdruckflaschen speichert, was bereits zusätzliche technische und sicherheitstechnische Schwierigkeiten schafft.
Die Verwendung eines Wasserstoffbrennstoffgemisches in der Technologie: Probleme
Es muss gleich gesagt werden, dass das Wasserstoff-Brennstoffgemisch derzeit bereits in einigen Bereichen menschlicher Aktivität verwendet wird. Beispielsweise als Zusatztreibstoff für Weltraumraketen, als Quelle zur Erzeugung elektrischer Energie sowie in Versuchsmodellen moderner Autos. Der Umfang dieser Anwendung ist jedoch im Vergleich zu fossilen Brennstoffen winzig und im Allgemeinen experimenteller Natur. Der Grund dafür liegt nicht nur in der schwierig zu kontrollierenden Verbrennungsreaktion selbst, sondern auch in der Lagerung, dem Transport und der Gewinnung von H2.
Wasserstoff auf der Erde existiert praktisch nicht in reiner Form, also muss er aus verschiedenen Verbindungen gewonnen werden. Zum Beispiel aus Wasser. Dies ist derzeit eine ziemlich beliebte Methode, bei der ein elektrischer Strom durch H2O geleitet wird. Das ganze Problem ist, dass dies mehr Energie verbraucht, als dann durch Verbrennen von H2.
gewonnen werden kann.
Ein weiteres wichtiges Problem ist der Transport und die Speicherung von Wasserstoff. Tatsache ist, dass dieses Gas aufgrund der geringen Größe seiner Moleküle aus jedem "herausfliegen" kannBehälter. Darüber hinaus verursacht es beim Eindringen in das Metallgitter von Legierungen deren Versprödung. Daher ist die effizienteste Art, H2 zu speichern, die Verwendung von Kohlenstoffatomen, die das "schwer fassbare" Gas fest binden können.
Daher ist die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff in mehr oder weniger großem Umfang nur möglich, wenn er als „Speicher“von Strom genutzt wird (z. B. Umwandlung von Wind- und Sonnenenergie in Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse), oder wenn du lernst, bringe H2 aus dem Weltraum (wo es viel davon gibt) zur Erde.
