Однією з актуальних проблем є забруднення навколишнього середовища і 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 самий легкий хімічний елемент, що складається всього з одного протона й одного електрона. За нормальних умов (тиск 1 атм., температура 0 oC) він присутній в 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, проте, коли зміст його в атмосферному повітрі становить кілька відсотків, то людина може відчувати задуху, через нестачу кисню.
Цікаво відзначити, що хоча з хімічної точки зору всі молекула H2 ідентичні, фізичні властивості їх дещо відрізняються. Справа все в орієнтації спінів електронів (вони відповідальні за появу магнітного моменту), які можуть бути паралельними і антипараллельными, таку молекулу називають орто – і параводородом, 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 згоранні органічного палива (бензину, спирту).
З іншого боку, ця реакція є екзотермічною, тобто крім води вона виділяє деякий кількості тепла, яке можна використовувати для приведення в рух машин і ракет, а також для його переведення на інші джерела енергії, наприклад, в електрику.
Механізм процесу горіння водню
Описана в попередньому пункті хімічна реакція відома кожному школяру старших класів, однак вона є дуже грубим описом того процесу, який відбувається в дійсності. 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 самопідтримки горіння.
Таким чином, ключовий момент запуску цієї реакції полягає в утворенні радикалів. Вони з’являються, якщо піднести до кисень-водневої суміші запалений 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 скажемо, 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 запалюються.
- За допомогою температури. Тобто кисень-водневу суміш можна просто нагрівати, і вище деякої температури вона сама запалиться. Коли це відбудеться, залежить від тиску і процентного співвідношення газів. В широкому інтервалі концентрацій при атмосферному тиску реакція самозаймання відбувається при температурах вище 773-850 До, тобто вище 500-577 oC. Це досить високі значення в порівнянні з бензиновою сумішшю, яка починає самозайматися вже при температурах нижче 300 oC.
Відсотковий вміст газів горючої суміші
Говорячи про температуру горіння водню в повітрі, слід зазначити, що не всяка суміш цих газів буде вступати в даний процес. Експериментально встановлено, що якщо кількість кисню не менше 6% за об’ємом, 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 процентний вміст водню може становити від 4,1 % до 74,8 %. Зазначимо, що верхнє значення як раз відповідає необхідному мінімуму по кисню.
Якщо ж розглядається чистий кисень-воднева суміш, то тут межі ще ширше: 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), що виникають продукти реакції (вода) призводять до зменшення концентрації реагентів, що може призвести до припинення хімічного процесу.
Безпека горіння
Це важлива характеристика займистою суміші, оскільки вона дозволяє судити про те, що відбувається реакція спокійно, і її можна 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 здатен до вибухового горіння. В літературі наводяться такі цифри: 18,5-59 % водню в повітряної суміші. Причому на краях цієї межі в результаті детонації виділяється найбільша кількість енергії на одиницю об’єму.
Зазначений характер горіння являє собою велику проблему для використання цієї реакції в якості контрольованого джерела енергії.
Температура реакції горіння
Тепер ми підійшли безпосередньо до відповіді на питання, яка нижча температура згоряння водню. Вона становить 2321 До або 2048 oC для суміші з 19,6 % H2. Тобто температура горіння водню в повітрі вище 2000 oC (для інших концентрацій вона може досягати 2500 oC), і в порівнянні з бензиновою сумішшю — це величезна цифра (для бензину близько 800 oC). Якщо спалювати водень у чистому кисні, то температура полум’я буде ще вище (до 2800 oC).
Така висока температура полум’я представляє ще одну проблему в використанні цієї реакції в якості джерела енергії, оскільки не існує в даний час сплавів, які могли б працювати тривалий час в таких екстремальних умовах.
Звичайно, ця проблема вирішується, якщо використовувати добре продуману систему охолодження камери, де відбувається горіння водню.
Кількість виділеної теплоти
В 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 вище, ніж для бензину, що є величезним плюсом для її застосування в якості 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 в балонах з високим тиском, що створює вже додаткові складності, як в 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, а також у зберіганні, транспортуванні та видобутку H2.
Водень на Землі практично не існує в чистому вигляді, тому його необхідно одержувати з різних з’єднань. Наприклад, з води. Це досить популярний спосіб в даний час, який здійснюється з 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 та зберігання водню. Справа в тому, що цей газ, через маленьких розмірів його молекул, здатний “вилітати” з будь-яких контейнерів. Крім того, потрапляючи в металеву решітку сплавів, він викликає їх охрупчивание. Тому найбільш ефективним способом зберігання H2 є використання атомів вуглецю, здатних міцно зв’язувати “невловимий” газ.
Таким чином, застосування водню в якості палива в більш-менш широких масштабах можливо, тільки якщо його використовувати як “збереження” електрики (наприклад, переводити вітрову та сонячну енергію в водень за допомогою електролізу води), або якщо навчитися доставляти H2 з космосу (де його дуже багато) на Землю.
