Một trong những vấn đề cấp bách là ô nhiễm môi trường và hạn chế nguồn năng lượng có nguồn gốc hữu cơ. Một cách đầy hứa hẹn để giải quyết những vấn đề này là sử dụng hydro làm nguồn năng lượng. Trong bài báo, chúng tôi sẽ xem xét vấn đề đốt cháy hydro, nhiệt độ và hóa học của quá trình này.
Hydro là gì?
Trước khi xem xét câu hỏi nhiệt độ cháy của hydro là gì, cần nhớ chất này là gì.
Hydrogen là nguyên tố hóa học nhẹ nhất, chỉ bao gồm một proton và một electron. Ở điều kiện bình thường (áp suất 1 atm, nhiệt độ 0oC) nó ở trạng thái khí. Phân tử của nó (H2) được tạo thành bởi 2 nguyên tử của nguyên tố hóa học này. Hydro là nguyên tố phong phú thứ 3 trên hành tinh của chúng ta và là nguyên tố thứ nhất trong Vũ trụ (chiếm khoảng 90% tổng số vật chất).
Khí hydro (H2)không mùi, không vị và không màu. Tuy nhiên, nó không độc hại, khi hàm lượng của nó trong không khí là một vài phần trăm, thì một người có thể bị ngạt thở do thiếu oxy.
Điều đáng lưu ý là mặc dù từ quan điểm hóa học, tất cả các phân tử H2đều giống hệt nhau, nhưng tính chất vật lý của chúng có phần khác nhau. Đó là tất cả về định hướng của các spin điện tử (chúng chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện của mômen từ), có thể song song và phản song song, một phân tử như vậy được gọi là ortho- và parahydrogen, tương ứng.
Phản ứng hóa học đốt cháy
Xét câu hỏi về nhiệt độ cháy của hydro với oxy, chúng tôi trình bày một phản ứng hóa học mô tả quá trình này: 2H2+ O2=> 2H2O. Tức là, 3 phân tử tham gia phản ứng (hai hydro và một oxy), và sản phẩm là hai phân tử nước. Phản ứng này mô tả sự cháy theo quan điểm hóa học và có thể đánh giá rằng sau khi nó trôi qua, chỉ còn lại nước tinh khiết, không gây ô nhiễm môi trường, như xảy ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (xăng, cồn).
Mặt khác, phản ứng này tỏa nhiệt, tức là, ngoài nước, nó còn giải phóng một lượng nhiệt có thể được sử dụng để lái ô tô và tên lửa, cũng như truyền nó sang các nguồn năng lượng khác, chẳng hạn như như điện.
Cơ chế của quá trình đốt cháy hydro
Được mô tả trong phần trướcBất kỳ học sinh trung học nào cũng biết phản ứng hóa học đoạn văn, nhưng nó là một mô tả rất sơ bộ về quá trình xảy ra trong thực tế. Lưu ý rằng cho đến giữa thế kỷ trước, nhân loại vẫn chưa biết hydro cháy trong không khí như thế nào và vào năm 1956, giải Nobel Hóa học đã được trao cho nghiên cứu của nó.
Trong thực tế, nếu các phân tử O2và H2va chạm nhau thì không có phản ứng nào xảy ra. Cả hai phân tử đều khá ổn định. Để quá trình cháy xảy ra và hình thành nước, các gốc tự do phải tồn tại. Trong đó, nguyên tử H, O và nhóm OH. Sau đây là một chuỗi các phản ứng thực sự xảy ra khi đốt cháy hiđro:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2=> H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Bạn thấy gì từ những phản ứng này? Khi hiđro cháy, nước được tạo thành, vâng, đúng vậy, nhưng nó chỉ xảy ra khi một nhóm gồm hai nguyên tử OH gặp phân tử H2. Ngoài ra, tất cả các phản ứng xảy ra đều có sự hình thành của các gốc tự do, có nghĩa là quá trình đốt cháy tự duy trì bắt đầu.
Vì vậy, chìa khóa để bắt đầu phản ứng này là sự hình thành của các gốc. Chúng xuất hiện nếu bạn đem que diêm cháy vào hỗn hợp oxy-hydro hoặc nếu bạn đun hỗn hợp này trên một nhiệt độ nhất định.
Khởi động phản ứng
Như đã lưu ý, có hai cách để làm điều này:
- Với sự trợ giúp của tia lửa chỉ cung cấp 0,02 mJ nhiệt lượng. Đây là một giá trị năng lượng rất nhỏ, để so sánh, giả sử rằng giá trị tương tự đối với hỗn hợp xăng là 0,24 mJ và đối với mêtan - 0,29 mJ. Khi áp suất giảm, năng lượng bắt đầu phản ứng tăng. Vì vậy, ở 2 kPa, nó đã là 0,56 mJ. Trong mọi trường hợp, đây là những giá trị rất nhỏ, vì vậy hỗn hợp hydro-oxy được coi là rất dễ cháy.
- Với sự trợ giúp của nhiệt độ. Tức là, hỗn hợp oxy-hydro có thể đơn giản được đun nóng, và trên một nhiệt độ nhất định, nó sẽ tự bốc cháy. Khi điều này xảy ra phụ thuộc vào áp suất và phần trăm các chất khí. Trong một loạt các nồng độ ở áp suất khí quyển, phản ứng cháy tự phát xảy ra ở nhiệt độ trên 773-850 K, tức là trên 500-577oC. Đây là những giá trị khá cao so với hỗn hợp xăng, bắt đầu tự bốc cháy ở nhiệt độ dưới 300oC.
Phần trăm các chất khí trong hỗn hợp dễ cháy
Nói về nhiệt độ của quá trình đốt cháy hydro trong không khí, cần lưu ý rằng không phải mọi hỗn hợp khí này đều tham gia vào quá trình đang được xem xét. Thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu lượng oxi nhỏ hơn 6% thể tích hoặc lượng hiđro nhỏ hơn 4% thể tích thì không có phản ứng nào xảy ra. Tuy nhiên, giới hạn của sự tồn tại của hỗn hợp dễ cháy là khá rộng. Đối với không khí, phần trăm của hiđro có thể nằm trong khoảng từ 4,1% đến 74,8%. Lưu ý rằng giá trị trên chỉ tương ứng với lượng oxy tối thiểu cần thiết.
Nếuhãy xem xét một hỗn hợp oxy-hydro tinh khiết, sau đó các giới hạn thậm chí còn rộng hơn ở đây: 4, 1-94%.
Giảm áp suất của chất khí dẫn đến giảm giới hạn quy định (giới hạn dưới tăng, giới hạn trên giảm).
Cũng cần hiểu rằng trong quá trình đốt cháy hydro trong không khí (oxy), sản phẩm phản ứng tạo thành (nước) dẫn đến giảm nồng độ thuốc thử, có thể dẫn đến kết thúc quá trình hóa học.
An toàn khi đốt cháy
Đây là một đặc tính quan trọng của một hỗn hợp dễ cháy, vì nó cho phép bạn đánh giá xem phản ứng có diễn ra bình tĩnh và có thể kiểm soát được hay không hay quá trình này gây nổ. Điều gì quyết định tốc độ đốt cháy? Tất nhiên, về nồng độ của thuốc thử, về áp suất, và cả về lượng năng lượng của "hạt giống".
Thật không may, hydro ở nhiều nồng độ khác nhau có khả năng gây cháy nổ. Các số liệu sau đây được đưa ra trong tài liệu: 18,5-59% hiđro trong hỗn hợp không khí. Hơn nữa, ở các cạnh của giới hạn này, do kích nổ, lượng năng lượng lớn nhất trên một đơn vị thể tích được giải phóng.
Bản chất rõ rệt của quá trình đốt cháy gây ra một vấn đề lớn đối với việc sử dụng phản ứng này như một nguồn năng lượng được kiểm soát.
Nhiệt độ phản ứng cháy
Bây giờ chúng ta trực tiếp đến câu trả lời cho câu hỏi, nhiệt độ thấp nhất của quá trình đốt cháy hydro là bao nhiêu. Nó là 2321 K hoặc 2048oC cho một hỗn hợp có 19,6% H2. Tức là nhiệt độ cháy của hiđro trong không khí cao hơn2000oC (đối với các nồng độ khác có thể lên tới 2500oC), và so với hỗn hợp xăng thì đây là một con số khổng lồ (đối với xăng khoảng 800oC). Nếu bạn đốt cháy hydro trong oxy nguyên chất, nhiệt độ ngọn lửa sẽ còn cao hơn (lên đến 2800oC).
Nhiệt độ ngọn lửa cao như vậy gây ra một vấn đề khác trong việc sử dụng phản ứng này làm nguồn năng lượng, vì hiện tại không có hợp kim nào có thể hoạt động lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt như vậy.
Tất nhiên, vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng hệ thống làm mát được thiết kế tốt cho buồng đốt hydro.
Lượng nhiệt tỏa ra
Là một phần của câu hỏi về nhiệt độ cháy của hydro, việc cung cấp dữ liệu về lượng năng lượng được giải phóng trong phản ứng này cũng rất thú vị. Đối với các điều kiện và thành phần khác nhau của hỗn hợp dễ cháy, các giá trị từ 119 MJ / kg đến 141 MJ / kg thu được. Để hiểu giá trị này là bao nhiêu, chúng tôi lưu ý rằng giá trị tương tự đối với hỗn hợp xăng là khoảng 40 MJ / kg.
Năng suất của hỗn hợp hydro cao hơn nhiều so với xăng, đây là một điểm cộng rất lớn cho việc sử dụng nó làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Tuy nhiên, không phải mọi thứ đều đơn giản như vậy ở đây. Tất cả là về mật độ của hydro, nó quá thấp ở áp suất khí quyển. Vì vậy, 1 m3khí này chỉ nặng 90 gam. Nếu bạn đốt 1 m3H2này, thì nhiệt lượng sẽ tỏa ra khoảng 10-11 MJ, tức là đã ít hơn 4 lần so với khi đốt 1 kg xăng (chỉ hơn 1 lít).
Các số liệu đã cho chỉ ra rằng để sử dụng phản ứng đốt cháy hydro, cần phải học cách bảo quản khí này trong các bình áp suất cao, điều này đã gây thêm khó khăn cả về kỹ thuật và an toàn.
Việc sử dụng hỗn hợp hydro dễ cháy trong công nghệ: các vấn đề
Phải nói ngay rằng hiện nay hỗn hợp hydro dễ cháy đã được sử dụng trong một số lĩnh vực hoạt động của con người. Ví dụ, làm nhiên liệu bổ sung cho tên lửa không gian, làm nguồn tạo ra năng lượng điện, cũng như trong các mô hình thử nghiệm của ô tô hiện đại. Tuy nhiên, quy mô của ứng dụng này rất nhỏ so với quy mô của nhiên liệu hóa thạch và thường là thử nghiệm trong tự nhiên. Lý do cho điều này không chỉ là khó khăn trong việc kiểm soát phản ứng đốt cháy mà còn trong việc lưu trữ, vận chuyển và chiết xuất H2.
Hiđrô trên Trái đất thực tế không tồn tại ở dạng tinh khiết, vì vậy nó phải được lấy từ các hợp chất khác nhau. Ví dụ, từ nước. Đây là một phương pháp khá phổ biến hiện nay, được thực hiện bằng cách cho dòng điện chạy qua H2O. Toàn bộ vấn đề là điều này tiêu tốn nhiều năng lượng hơn mức có thể thu được bằng cách đốt cháy H2.
Một vấn đề quan trọng khác là vận chuyển và lưu trữ hydro. Thực tế là khí này, do kích thước phân tử nhỏ của nó, có thể "bay ra" từ bất kỳhộp đựng. Ngoài ra, việc đi vào mạng tinh thể kim loại của các hợp kim, nó gây ra sự biến dạng của chúng. Do đó, cách hiệu quả nhất để lưu trữ H2là sử dụng các nguyên tử cacbon có thể liên kết chặt chẽ với khí "khó nắm bắt".
Vì vậy, việc sử dụng hydro làm nhiên liệu ở quy mô lớn hơn hoặc ít hơn chỉ có thể thực hiện được nếu nó được sử dụng làm "kho lưu trữ" điện (ví dụ: chuyển đổi năng lượng gió và mặt trời thành hydro bằng điện phân nước) hoặc nếu bạn học được, hãy chuyển H2từ không gian (nơi có rất nhiều nó) đến Trái đất.
