Jedním z naléhavých problémů je znečištění životního prostředí a omezené energetické zdroje organického původu. Slibným způsobem řešení těchto problémů je využití vodíku jako zdroje energie. V článku se budeme zabývat problematikou spalování vodíku, teplotou a chemií tohoto procesu.
Co je vodík?
Před zvážením otázky, jaká je spalovací teplota vodíku, je nutné si připomenout, co je tato látka zač.
Vodík je nejlehčí chemický prvek, který se skládá pouze z jednoho protonu a jednoho elektronu. Za normálních podmínek (tlak 1 atm., teplota 0 oC) je přítomen v plynném stavu. Jeho molekula (H2) je tvořena 2 atomy tohoto chemického prvku. Vodík je 3. nejrozšířenější prvek na naší planetě a 1. ve vesmíru (asi 90 % veškeré hmoty).
Plynný vodík (H2)bez zápachu, chuti a barvy. Není toxický, ale když je jeho obsah v atmosférickém vzduchu několik procent, může dojít k udušení kvůli nedostatku kyslíku.
Je zvláštní poznamenat, že ačkoli z chemického hlediska jsou všechny molekuly H2 totožné, jejich fyzikální vlastnosti jsou poněkud odlišné. Vše je o orientaci spinů elektronů (jsou zodpovědné za vznik magnetického momentu), které mohou být paralelní a antiparalelní, taková molekula se nazývá ortho- a parahydrogen, v tomto pořadí.
Spalovací chemická reakce
Pokud jde o otázku teploty spalování vodíku s kyslíkem, uvádíme chemickou reakci, která tento proces popisuje: 2H2 + O2=> 2H2O. To znamená, že se reakce účastní 3 molekuly (dvě vodík a jeden kyslík) a produktem jsou dvě molekuly vody. Tato reakce popisuje spalování z chemického hlediska a lze soudit, že po jejím průchodu zbyde pouze čistá voda, která neznečišťuje životní prostředí, jako je tomu při spalování fosilních paliv (benzín, alkohol).
Na druhou stranu je tato reakce exotermická, to znamená, že kromě vody se uvolňuje určité teplo, které lze využít k pohonu automobilů a raket a také k jeho přenosu do jiných zdrojů energie, např. jako elektřina.
Mechanismus procesu spalování vodíku
Popsáno v předchozímodstavec chemická reakce zná každý středoškolák, ale jde o velmi hrubý popis procesu, který se vyskytuje ve skutečnosti. Všimněte si, že až do poloviny minulého století lidstvo nevědělo, jak vodík hoří ve vzduchu, a v roce 1956 byla za jeho studium udělena Nobelova cena za chemii.
Ve skutečnosti, pokud se molekuly O2 a H2 srazí, nedojde k žádné reakci. Obě molekuly jsou poměrně stabilní. Aby mohlo dojít ke spalování a tvorbě vody, musí existovat volné radikály. Zejména atomy H, O a OH skupiny. Následuje sekvence reakcí, ke kterým skutečně dochází při spalování vodíku:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Co z těchto reakcí vidíte? Když vodík hoří, tvoří se voda, ano, to je pravda, ale to se děje pouze tehdy, když se skupina dvou atomů OH setká s molekulou H2. Navíc všechny reakce probíhají s tvorbou volných radikálů, což znamená, že se spustí proces samoudržujícího spalování.
Klíčem k zahájení této reakce je tedy tvorba radikálů. Objeví se, když přivedete hořící zápalku ke směsi kyslíku a vodíku nebo pokud tuto směs zahřejete nad určitou teplotu.
Zahájení reakce
Jak je uvedeno, existují dva způsoby, jak toho dosáhnout:
- S pomocí jiskry, která by měla poskytnout pouze 0,02 mJ tepla. To je velmi malá energetická hodnota, pro srovnání řekněme, že podobná hodnota pro benzínovou směs je 0,24 mJ a pro metan - 0,29 mJ. S klesajícím tlakem se zvyšuje iniciační energie reakce. Takže při 2 kPa je to již 0,56 mJ. V každém případě se jedná o velmi malé hodnoty, takže směs vodíku a kyslíku je považována za vysoce hořlavou.
- S pomocí teploty. To znamená, že směs kyslíku a vodíku lze jednoduše zahřát a nad určitou teplotou se sama vznítí. Kdy k tomu dojde, závisí na tlaku a procentech plynů. V širokém rozsahu koncentrací při atmosférickém tlaku dochází k samovznícení při teplotách nad 773-850 K, tj. nad 500-577 oC. To jsou poměrně vysoké hodnoty ve srovnání s benzínovou směsí, která se začne samovolně vznítit již při teplotách pod 300 oC.
Procento plynů v hořlavé směsi
Když už mluvíme o teplotě spalování vodíku ve vzduchu, je třeba poznamenat, že ne každá směs těchto plynů vstoupí do uvažovaného procesu. Experimentálně bylo zjištěno, že pokud je množství kyslíku menší než 6 % obj. nebo pokud je množství vodíku menší než 4 % obj., pak k žádné reakci nedojde. Hranice existence hořlavé směsi jsou však značně široké. Pro vzduch se procento vodíku může pohybovat od 4,1 % do 74,8 %. Všimněte si, že horní hodnota pouze odpovídá požadovanému minimu pro kyslík.
Pokudzvažte čistou směs kyslíku a vodíku, pak jsou zde limity ještě širší: 4, 1-94 %.
Snížení tlaku plynů vede ke snížení stanovených limitů (dolní limit stoupá, horní klesá).
Je také důležité pochopit, že při spalování vodíku ve vzduchu (kyslíku) vedou výsledné reakční produkty (voda) ke snížení koncentrace činidel, což může vést k ukončení chemického procesu.
Bezpečnost hoření
Toto je důležitá vlastnost hořlavé směsi, protože umožňuje posoudit, zda je reakce klidná a lze ji kontrolovat, nebo zda jde o výbušný proces. Co určuje rychlost hoření? Samozřejmě na koncentraci činidel, na tlaku a také na množství energie „semena“.
Bohužel vodík v širokém rozsahu koncentrací je schopen explozivního hoření. V literatuře jsou uvedeny následující údaje: 18,5-59 % vodíku ve směsi vzduchu. Navíc na hranách této hranice se v důsledku detonace uvolní největší množství energie na jednotku objemu.
Výrazný charakter spalování představuje velký problém pro využití této reakce jako řízeného zdroje energie.
Reakční teplota spalování
Nyní se dostáváme přímo k odpovědi na otázku, jaká je nejnižší teplota spalování vodíku. Je to 2321 K nebo 2048 oC pro směs s 19,6 % H2. To znamená, že teplota spalování vodíku ve vzduchu je vyšší2000 oC (u jiných koncentrací může dosáhnout 2500 oC) a ve srovnání s benzínovou směsí je to obrovské číslo (pro benzín asi 800 oC). Pokud spalujete vodík v čistém kyslíku, teplota plamene bude ještě vyšší (až 2800 oC).
Taková vysoká teplota plamene představuje další problém při použití této reakce jako zdroje energie, protože v současné době neexistují žádné slitiny, které by mohly pracovat po dlouhou dobu v tak extrémních podmínkách.
Tento problém je samozřejmě vyřešen použitím dobře navrženého chladicího systému pro komoru, kde dochází ke spalování vodíku.
Množství uvolněného tepla
V rámci otázky teploty spalování vodíku je také zajímavé uvést údaje o množství energie, které se při této reakci uvolní. Pro různé podmínky a složení hořlavé směsi byly získány hodnoty od 119 MJ/kg do 141 MJ/kg. Abychom pochopili, kolik to je, poznamenáme, že podobná hodnota pro směs benzínu je asi 40 MJ / kg.
Energetická výtěžnost směsi vodíku je mnohem vyšší než u benzínu, což je obrovské plus pro jeho použití jako paliva pro spalovací motory. Ani zde však není vše tak jednoduché. Všechno je to o hustotě vodíku, ten je při atmosférickém tlaku příliš nízký. Takže 1 m3 tohoto plynu váží pouze 90 gramů. Pokud spálíte tento 1 m3 H2, pak se uvolní asi 10-11 MJ tepla, což je již 4x méně než kdy spalování 1 kg benzínu (něco přes 1 litr).
Uvedené hodnoty naznačují, že pro využití reakce spalování vodíku je nutné naučit se tento plyn skladovat ve vysokotlakých lahvích, což již přináší další potíže, jak z hlediska technologie, tak bezpečnosti.
Použití vodíkové hořlavé směsi v technologii: problémy
Je třeba hned říci, že v současné době se vodíková hořlavá směs již používá v některých oblastech lidské činnosti. Například jako doplňkové palivo pro vesmírné rakety, jako zdroje pro výrobu elektrické energie i v experimentálních modelech moderních automobilů. Rozsah této aplikace je však nepatrný ve srovnání s fosilními palivy a je obecně experimentální povahy. Důvodem je nejen obtížnost řízení samotné spalovací reakce, ale také skladování, přeprava a extrakce H2.
Vodík na Zemi ve své čisté formě prakticky neexistuje, proto je nutné jej získávat z různých sloučenin. Například z vody. Toto je v současnosti poměrně populární metoda, která se provádí průchodem elektrického proudu přes H2O. Celý problém je v tom, že to spotřebuje více energie, než lze získat spalováním H2.
Dalším důležitým problémem je přeprava a skladování vodíku. Faktem je, že tento plyn je díky malé velikosti svých molekul schopen „vyletět“z jakéhokolikontejnery. Navíc, dostat se do kovové mřížky slitin, způsobuje jejich křehnutí. Proto nejúčinnějším způsobem skladování H2 je použití atomů uhlíku, které mohou pevně vázat „nepolapitelný“plyn.
Využití vodíku jako paliva ve více či méně velkém měřítku je tedy možné pouze v případě, že je využíván jako „zásobník“elektřiny (například přeměna větrné a sluneční energie na vodík pomocí elektrolýzy vody), nebo pokud se naučíte doručit H2 z vesmíru (kde je ho hodně) na Zemi.
