Un dels problemes urgents és la contaminació ambiental i els recursos energètics limitats d'origen orgànic. Una manera prometedora de resoldre aquests problemes és utilitzar l'hidrogen com a font d'energia. En l'article analitzarem el tema de la combustió de l'hidrogen, la temperatura i la química d'aquest procés.
Què és l'hidrogen?
Abans de plantejar-nos la qüestió de quina és la temperatura de combustió de l'hidrogen, cal recordar quina és aquesta substància.
L'hidrogen és l'element químic més lleuger, format només per un protó i un electró. En condicions normals (pressió 1 atm., temperatura 0 oC) està present en estat gasós. La seva molècula (H2) està formada per 2 àtoms d'aquest element químic. L'hidrogen és el tercer element més abundant del nostre planeta i el primer de l'Univers (aproximadament el 90% de tota la matèria).
Hidrogen gasós (H2)inodor, insípid i incolor. No és tòxic, però, quan el seu contingut a l'aire atmosfèric és d'un poc per cent, una persona pot experimentar sufocació per f alta d'oxigen.
És curiós observar que tot i que des del punt de vista químic, totes les molècules H2 són idèntiques, les seves propietats físiques són una mica diferents. Es tracta de l'orientació dels girs electrònics (són els responsables de l'aparició d'un moment magnètic), que poden ser paral·lels i antiparal·lels, aquesta molècula s'anomena orto- i parahidrogen, respectivament.
Reacció química de combustió
Tenint en compte la qüestió de la temperatura de combustió de l'hidrogen amb l'oxigen, presentem una reacció química que descriu aquest procés: 2H2 + O2=> 2H2O. És a dir, en la reacció participen 3 molècules (dues d'hidrogen i una d'oxigen), i el producte són dues molècules d'aigua. Aquesta reacció descriu la combustió des del punt de vista químic, i es pot jutjar que després del seu pas només queda aigua pura, que no contamina el medi ambient, com passa durant la combustió de combustibles fòssils (gasolina, alcohol).
En canvi, aquesta reacció és exotèrmica, és a dir, a més de l'aigua, allibera una mica de calor que es pot utilitzar per conduir cotxes i coets, així com per transferir-lo a altres fonts d'energia, com ara com a electricitat.
Mecanisme del procés de combustió d'hidrogen
Descrit a l'anteriorLa reacció química del paràgraf és coneguda per qualsevol estudiant de secundària, però és una descripció molt aproximada del procés que es produeix en la realitat. Tingueu en compte que fins a mitjans del segle passat, la humanitat no sabia com es crema l'hidrogen a l'aire, i el 1956 es va atorgar el Premi Nobel de Química pel seu estudi.
De fet, si les molècules O2 i H2 xoquen, no es produirà cap reacció. Les dues molècules són bastant estables. Perquè es produeixi la combustió i es formi aigua, han d'existir radicals lliures. En particular, àtoms H, O i grups OH. La següent és una seqüència de reaccions que realment es produeixen quan es crema hidrogen:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Què veus d'aquestes reaccions? Quan l'hidrogen es crema, es forma aigua, sí, és cert, però només passa quan un grup de dos àtoms d'OH es troba amb una molècula H2. A més, totes les reaccions es produeixen amb la formació de radicals lliures, la qual cosa significa que s'inicia el procés de combustió autosostenible.
Així que la clau per iniciar aquesta reacció és la formació de radicals. Apareixen si aportes un lluminós encès a una barreja d'oxigen i hidrogen o si escalfes aquesta barreja per sobre d'una determinada temperatura.
Reacció inicial
Com s'ha indicat, hi ha dues maneres de fer-ho:
- Amb l'ajuda d'una espurna que només hauria de proporcionar 0,02 mJ de calor. Aquest és un valor energètic molt petit, per comparar, diguem que el valor similar per a una mescla de gasolina és de 0,24 mJ i per al metà - 0,29 mJ. A mesura que disminueix la pressió, augmenta l'energia d'inici de la reacció. Així, a 2 kPa, ja és de 0,56 mJ. En qualsevol cas, es tracta de valors molt petits, per la qual cosa la barreja hidrogen-oxigen es considera altament inflamable.
- Amb l'ajuda de la temperatura. És a dir, la barreja d'oxigen-hidrogen es pot escalfar simplement i per sobre d'una determinada temperatura s'encén. Quan això passa depèn de la pressió i el percentatge de gasos. En un ampli rang de concentracions a pressió atmosfèrica, la reacció de combustió espontània es produeix a temperatures superiors a 773-850 K, és a dir, per sobre de 500-577 oC. Són valors força elevats en comparació amb una mescla de gasolina, que ja comença a encendre-se espontàniament a temperatures inferiors als 300 oC.
Percentatge de gasos a la mescla combustible
Parlant de la temperatura de combustió de l'hidrogen a l'aire, cal tenir en compte que no totes les mescles d'aquests gasos entraran en el procés considerat. S'ha establert experimentalment que si la quantitat d'oxigen és inferior al 6% en volum, o si la quantitat d'hidrogen és inferior al 4% en volum, no es produirà cap reacció. Tanmateix, els límits de l'existència d'una mescla combustible són força amplis. Per a l'aire, el percentatge d'hidrogen pot oscil·lar entre el 4,1% i el 74,8%. Tingueu en compte que el valor superior només correspon al mínim necessari per a l'oxigen.
Siconsidereu una barreja pura d'oxigen-hidrogen, llavors els límits són encara més amplis aquí: 4, 1-94%.
La reducció de la pressió dels gasos comporta una reducció dels límits especificats (el límit inferior augmenta, el superior baixa).
També és important entendre que durant la combustió de l'hidrogen a l'aire (oxigen), els productes de reacció resultants (aigua) condueixen a una disminució de la concentració de reactius, la qual cosa pot provocar la finalització del procés químic..
Seguretat de la combustió
Aquesta és una característica important d'una mescla inflamable, perquè permet jutjar si la reacció és tranquil·la i es pot controlar, o si el procés és explosiu. Què determina la velocitat de combustió? Per descomptat, sobre la concentració de reactius, sobre la pressió i també sobre la quantitat d'energia de la "llavor".
Desafortunadament, l'hidrogen en una àmplia gamma de concentracions és capaç de combustió explosivament. A la literatura es donen les següents xifres: 18,5-59% d'hidrogen a la barreja d'aire. A més, a les vores d'aquest límit, com a resultat de la detonació, s'allibera la major quantitat d'energia per unitat de volum.
La marcada naturalesa de la combustió presenta un gran problema per utilitzar aquesta reacció com a font d'energia controlada.
Temperatura de reacció de combustió
Ara arribem directament a la resposta a la pregunta, quina és la temperatura més baixa de combustió de l'hidrogen. És 2321 K o 2048 oC per a una barreja amb un 19,6% de H2. És a dir, la temperatura de combustió de l'hidrogen a l'aire és més alta2000 oC (per a altres concentracions pot arribar als 2500 oC), i en comparació amb una mescla de gasolina, aquesta és una xifra enorme (per a la gasolina uns 800 oC). Si cremes hidrogen en oxigen pur, la temperatura de la flama serà encara més alta (fins a 2800 oC).
Una temperatura de flama tan elevada presenta un altre problema per utilitzar aquesta reacció com a font d'energia, ja que actualment no hi ha aliatges que puguin funcionar durant molt de temps en condicions tan extremes.
Per descomptat, aquest problema es resol utilitzant un sistema de refrigeració ben dissenyat per a la cambra on es produeix la combustió d'hidrogen.
Quantitat de calor alliberada
Com a part de la qüestió de la temperatura de combustió de l'hidrogen, també és interessant proporcionar dades sobre la quantitat d'energia que s'allibera durant aquesta reacció. Per a diferents condicions i composicions de la mescla combustible, es van obtenir valors des de 119 MJ/kg fins a 141 MJ/kg. Per entendre quant és això, observem que un valor similar per a una mescla de gasolina és d'uns 40 MJ/kg.
El rendiment energètic d'una mescla d'hidrogen és molt superior al de la gasolina, la qual cosa és un gran avantatge pel seu ús com a combustible per a motors de combustió interna. Tanmateix, aquí tampoc tot és tan senzill. Es tracta de la densitat de l'hidrogen, és massa baixa a pressió atmosfèrica. Per tant, 1 m3 d'aquest gas només pesa 90 grams. Si cremes aquest 1 m3 H2, s'alliberaran uns 10-11 MJ de calor, que ja són 4 vegades menys que quan cremant 1 kg de gasolina (poc més d'1 litre).
Les xifres donades indiquen que per utilitzar la reacció de combustió de l'hidrogen cal aprendre a emmagatzemar aquest gas en bombones d' alta pressió, la qual cosa ja crea dificultats addicionals, tant a nivell tecnològic com de seguretat.
L'ús d'una mescla combustible d'hidrogen en tecnologia: problemes
S'ha de dir de seguida que actualment la mescla combustible d'hidrogen ja s'utilitza en algunes àrees de l'activitat humana. Per exemple, com a combustible addicional per a coets espacials, com a fonts per generar energia elèctrica, així com en models experimentals de cotxes moderns. Tanmateix, l'escala d'aquesta aplicació és minúscula en comparació amb la dels combustibles fòssils i és generalment de naturalesa experimental. La raó d'això no és només la dificultat per controlar la pròpia reacció de combustió, sinó també en l'emmagatzematge, transport i extracció de H2.
L'hidrogen a la Terra pràcticament no existeix en la seva forma pura, per la qual cosa s'ha d'obtenir a partir de diversos compostos. Per exemple, de l'aigua. Aquest és un mètode força popular actualment, que es realitza fent passar un corrent elèctric per H2O. Tot el problema és que això consumeix més energia de la que es pot obtenir cremant H2.
Un altre problema important és el transport i l'emmagatzematge d'hidrogen. El fet és que aquest gas, a causa de la petita mida de les seves molècules, és capaç de "volar fora" de qualsevolcontenidors. A més, en entrar a la xarxa metàl·lica dels aliatges, provoca la seva fragilització. Per tant, la manera més eficient d'emmagatzemar H2 és utilitzar àtoms de carboni que puguin unir fermament el gas "esquiv".
Així, l'ús de l'hidrogen com a combustible a una escala més o menys gran només és possible si s'utilitza com a "emmagatzematge" d'electricitat (per exemple, convertint l'energia eòlica i solar en hidrogen mitjançant l'electròlisi de l'aigua), o si apreneu a enviar H2 des de l'espai (on n'hi ha molt) a la Terra.
