من المشاكل الملحة التلوث البيئي ومحدودية مصادر الطاقة العضوية. طريقة واعدة لحل هذه المشاكل هو استخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة. في المقال سننظر في مسألة احتراق الهيدروجين ودرجة الحرارة والكيمياء لهذه العملية.
ما هو الهيدروجين؟
قبل التفكير في السؤال عن درجة حرارة احتراق الهيدروجين ، من الضروري أن نتذكر ماهية هذه المادة.
الهيدروجين هو أخف عنصر كيميائي ، ويتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد. في ظل الظروف العادية (الضغط 1 atm. ، درجة الحرارة 0oC) يكون موجودًا في الحالة الغازية. يتكون جزيءه (H2) من ذرتين من هذا العنصر الكيميائي. الهيدروجين هو ثالث أكثر العناصر وفرة على كوكبنا ، والأول في الكون (حوالي 90٪ من كل المادة).
غاز الهيدروجين (H2)عديم الرائحة والمذاق وعديم اللون. ومع ذلك ، فهو ليس سامًا ، عندما يكون محتواه في الهواء الجوي بنسبة قليلة ، فقد يعاني الشخص من الاختناق بسبب نقص الأكسجين.
من الغريب أن نلاحظ أنه من وجهة نظر كيميائية ، فإن جميع جزيئات H2متطابقة ، إلا أن خصائصها الفيزيائية مختلفة إلى حد ما. الأمر كله يتعلق بتوجيه دوران الإلكترون (فهي مسؤولة عن ظهور لحظة مغناطيسية) ، والتي يمكن أن تكون متوازية ومضادة للتوازي ، ويسمى هذا الجزيء ortho- و parahydrogen ، على التوالي.
تفاعل كيميائي احتراق
بالنظر إلى مسألة درجة حرارة احتراق الهيدروجين مع الأكسجين ، نقدم تفاعلًا كيميائيًا يصف هذه العملية: 2H2+ O2=> 2H2O. أي أن 3 جزيئات تشارك في التفاعل (اثنان من الهيدروجين وأكسجين واحد) ، والمنتج عبارة عن جزيئين من الماء. يصف هذا التفاعل الاحتراق من وجهة نظر كيميائية ، ويمكن الحكم على أنه بعد مروره يتبقى فقط الماء النقي الذي لا يلوث البيئة كما يحدث أثناء احتراق الوقود الأحفوري (البنزين والكحول).
من ناحية أخرى ، هذا التفاعل طارد للحرارة ، أي أنه بالإضافة إلى الماء يطلق بعض الحرارة التي يمكن استخدامها لقيادة السيارات والصواريخ ، وكذلك لنقلها إلى مصادر أخرى للطاقة ، مثل كالكهرباء.
آلية عملية احتراق الهيدروجين
الموصوفة في السابقيُعرف التفاعل الكيميائي للفقرة لأي طالب في المدرسة الثانوية ، ولكنه وصف تقريبي للغاية للعملية التي تحدث في الواقع. لاحظ أنه حتى منتصف القرن الماضي ، لم تكن البشرية تعرف كيف يحترق الهيدروجين في الهواء ، وفي عام 1956 مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لدراستها.
في الواقع ، إذا اصطدمت O2و H2جزيئات ، فلن يحدث أي تفاعل. كلا الجزيئين مستقران تمامًا. لكي يحدث الاحتراق ويتكون الماء ، يجب أن توجد الجذور الحرة. على وجه الخصوص ، ذرات H و O و مجموعات OH. فيما يلي سلسلة من التفاعلات التي تحدث بالفعل عند حرق الهيدروجين:
- H + O2=> OH + O ؛
- OH + H2=> H2O + H ؛
- O + H2=OH + H.
ماذا ترى من ردود الفعل هذه؟ عندما يحترق الهيدروجين ، يتشكل الماء ، نعم ، هذا صحيح ، لكنه يحدث فقط عندما تلتقي مجموعة من ذرتين من الهيدروجين بجزيء H2. بالإضافة إلى ذلك ، تحدث جميع التفاعلات مع تكوين الجذور الحرة ، مما يعني أن عملية الاحتراق الذاتي تبدأ.
إذن المفتاح لبدء رد الفعل هذا هو تكوين الجذور. تظهر إذا قمت بإحضار مباراة مشتعلة إلى خليط أكسجين وهيدروجين ، أو إذا قمت بتسخين هذا الخليط فوق درجة حرارة معينة.
بدء التفاعل
كما لوحظ ، هناك طريقتان للقيام بذلك:
- بمساعدة شرارة يجب أن توفر 0 فقط ،02 مللي جول من الحرارة. هذه قيمة طاقة صغيرة جدًا ، للمقارنة ، دعنا نقول أن القيمة المماثلة لخليط البنزين هي 0.24 مللي جول ، وللميثان - 0.29 مللي جول. مع انخفاض الضغط ، تزداد طاقة بدء التفاعل. لذلك ، عند 2 كيلو باسكال ، يكون بالفعل 0.56 مللي جول. على أي حال ، هذه قيم صغيرة جدًا ، لذلك يعتبر خليط الهيدروجين والأكسجين سريع الاشتعال.
- بمساعدة درجة الحرارة. وهذا يعني أنه يمكن ببساطة تسخين خليط الأكسجين والهيدروجين ، وفوق درجة حرارة معينة سيشتعل نفسه. عندما يحدث هذا يعتمد على الضغط ونسبة الغازات. في نطاق واسع من التركيزات عند الضغط الجوي ، يحدث تفاعل الاحتراق التلقائي عند درجات حرارة أعلى من 773-850 كلفن ، أي أعلى من 500-577oدرجة مئوية. هذه قيم عالية جدًا مقارنة بخليط البنزين ، الذي يبدأ في الاشتعال تلقائيًا عند درجات حرارة أقل من 300oC.
النسبة المئوية للغازات في الخليط القابل للاحتراق
بالحديث عن درجة حرارة احتراق الهيدروجين في الهواء ، تجدر الإشارة إلى أنه لن يدخل كل خليط من هذه الغازات في العملية قيد الدراسة. لقد ثبت تجريبياً أنه إذا كانت كمية الأكسجين أقل من 6٪ من حيث الحجم ، أو إذا كانت كمية الهيدروجين أقل من 4٪ من حيث الحجم ، فلن يحدث أي تفاعل. ومع ذلك ، فإن حدود وجود خليط قابل للاحتراق واسعة جدًا. بالنسبة للهواء ، يمكن أن تتراوح نسبة الهيدروجين من 4.1٪ إلى 74.8٪. لاحظ أن القيمة العليا تتوافق فقط مع الحد الأدنى المطلوب للأكسجين.
إذاضع في اعتبارك مزيجًا نقيًا من الأكسجين والهيدروجين ، ثم تكون الحدود أوسع هنا: 4 ، 1-94٪.
تقليل ضغط الغازات يؤدي إلى انخفاض في الحدود المحددة (الحد الأدنى يرتفع ، الحد الأعلى ينخفض).
من المهم أيضًا أن نفهم أنه أثناء احتراق الهيدروجين في الهواء (الأكسجين) ، تؤدي نواتج التفاعل الناتجة (الماء) إلى انخفاض في تركيز الكواشف ، مما قد يؤدي إلى إنهاء العملية الكيميائية
سلامة الاحتراق
هذه خاصية مهمة للمزيج القابل للاشتعال ، لأنها تسمح لك بالحكم على ما إذا كان التفاعل هادئًا ويمكن التحكم فيه ، أو أن العملية متفجرة. ما الذي يحدد معدل الحرق؟ بالطبع ، حول تركيز الكواشف ، والضغط ، وكذلك على كمية الطاقة في "البذرة".
لسوء الحظ ، الهيدروجين في مجموعة كبيرة من التركيزات قادر على الاحتراق المتفجر. الأرقام التالية معطاة في الأدبيات: 18.5-59٪ هيدروجين في خليط الهواء. علاوة على ذلك ، عند حواف هذا الحد ، نتيجة للانفجار ، يتم إطلاق أكبر قدر من الطاقة لكل وحدة حجم.
تمثل الطبيعة المميزة للاحتراق مشكلة كبيرة لاستخدام هذا التفاعل كمصدر متحكم فيه للطاقة.
درجة حرارة تفاعل الاحتراق
الآن نأتي مباشرة للإجابة على السؤال ، ما هي أدنى درجة حرارة لاحتراق الهيدروجين. إنه 2321 كلفن أو 2048oC لمزيج مع 19.6٪ H2. أي أن درجة حرارة احتراق الهيدروجين في الهواء أعلى2000oC (للتركيزات الأخرى يمكن أن تصل إلى 2500oC) ، ومقارنة بخليط البنزين ، هذا رقم ضخم (للبنزين حوالي 800oC). إذا قمت بحرق الهيدروجين في الأكسجين النقي ، فستكون درجة حرارة اللهب أعلى (حتى 2800oC).
تمثل درجة حرارة اللهب العالية هذه مشكلة أخرى في استخدام هذا التفاعل كمصدر للطاقة ، نظرًا لعدم وجود سبائك حاليًا يمكنها العمل لفترة طويلة في مثل هذه الظروف القاسية.
بالطبع ، يتم حل هذه المشكلة باستخدام نظام تبريد جيد التصميم للغرفة التي يحدث فيها احتراق الهيدروجين.
كمية الحرارة المنبعثة
كجزء من مسألة درجة حرارة احتراق الهيدروجين ، من المثير للاهتمام أيضًا توفير بيانات عن كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء هذا التفاعل. للظروف والتركيبات المختلفة للخليط القابل للاحتراق ، تم الحصول على القيم من 119 ميجا جول / كجم إلى 141 ميجا جول / كجم. لفهم مقدار هذا ، نلاحظ أن القيمة المماثلة لخليط البنزين تبلغ حوالي 40 ميجا جول / كجم.
مردود الطاقة لخليط الهيدروجين أعلى بكثير من إنتاج البنزين ، وهو إضافة ضخمة لاستخدامه كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي. ومع ذلك ، ليس كل شيء بهذه البساطة هنا أيضًا. يتعلق الأمر بكثافة الهيدروجين ، فهي منخفضة جدًا عند الضغط الجوي. إذن ، 1 م3من هذا الغاز يزن 90 جرامًا فقط. إذا قمت بحرق 1 متر3H2، فسيتم إطلاق حوالي 10-11 ميغا جول من الحرارة ، وهو بالفعل أقل 4 مرات من الوقت حرق 1 كجم من البنزين (ما يزيد قليلاً عن لتر واحد)
تشير الأرقام المقدمة إلى أنه من أجل استخدام تفاعل احتراق الهيدروجين ، من الضروري معرفة كيفية تخزين هذا الغاز في أسطوانات عالية الضغط ، مما يخلق بالفعل صعوبات إضافية ، من حيث التكنولوجيا والسلامة.
استخدام خليط الهيدروجين القابل للاحتراق في التكنولوجيا: مشاكل
يجب أن يقال على الفور أنه في الوقت الحاضر يتم استخدام خليط الهيدروجين القابل للاحتراق بالفعل في بعض مجالات النشاط البشري. على سبيل المثال ، كوقود إضافي للصواريخ الفضائية ، وكمصادر لتوليد الطاقة الكهربائية ، وكذلك في النماذج التجريبية للسيارات الحديثة. ومع ذلك ، فإن حجم هذا التطبيق ضئيل للغاية مقارنةً بالوقود الأحفوري وهو عمومًا تجريبي بطبيعته. والسبب في ذلك ليس فقط صعوبة التحكم في تفاعل الاحتراق نفسه ، ولكن أيضًا في تخزين ونقل واستخراج H2.
الهيدروجين على الأرض غير موجود عمليًا في شكله النقي ، لذلك يجب الحصول عليه من مركبات مختلفة. على سبيل المثال ، من الماء. هذه طريقة شائعة إلى حد ما في الوقت الحالي ، ويتم تنفيذها عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر H2O. المشكلة برمتها هي أن هذا يستهلك طاقة أكثر مما يمكن الحصول عليه بعد ذلك عن طريق حرق H2.
مشكلة أخرى مهمة هي نقل وتخزين الهيدروجين. الحقيقة هي أن هذا الغاز ، نظرًا لصغر حجم جزيئاته ، قادر على "الخروج" من أي منهاحاويات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الدخول في الشبكة المعدنية للسبائك يتسبب في تقصفها. لذلك ، فإن الطريقة الأكثر فعالية لتخزين H2هي استخدام ذرات الكربون التي يمكن أن تربط بقوة الغاز "المراوغ".
وبالتالي ، لا يمكن استخدام الهيدروجين كوقود على نطاق واسع إلى حد ما إلا إذا تم استخدامه "كمخزن" للكهرباء (على سبيل المثال ، تحويل طاقة الرياح والطاقة الشمسية إلى هيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي للماء) ، أو إذا تعلمت تسليم H2من الفضاء (حيث يوجد الكثير منه) إلى الأرض.
