Hidrogén égetése

A hidrogént az egyik legígéretesebb tüzelőanyag-típusnak tartják, és hatékony és környezetbarát energiahordozónak bizonyult . Gyakorlati szempontból a hidrogén elégetése az erőművekben és az üzemanyagcellákban való felhasználásával, valamint a vonatkozó technológiai folyamatok és eszközök biztonságával függ össze [1] . A hidrogén fajlagos égéshője hozzávetőlegesen 140 MJ/kg (felső) vagy 120 MJ/kg (alacsony), ami többszöröse a szénhidrogén üzemanyagok fajlagos égéshőjének ( metánnál  kb. 50 MJ/kg).

A hidrogén oxigénnel vagy levegővel alkotott keverékei robbanásveszélyesek, és robbanásveszélyes gázoknak nevezik (a név a knallgas , it.  knall szóból származik  – hangos csattanás, lövés vagy robbanás éles hangja). Szikrától vagy más forrástól való meggyújtáskor a hidrogén és a levegő kis térfogatú keveréke rendkívül gyorsan, hangos csattanással ég, amit szubjektíven robbanásként érzékelnek. Az égésfizikában az ilyen folyamatot lassú égésnek, vagy deflagrációnak tekintik , azonban a robbanásveszélyes gáz is képes detonációra , miközben a robbanás hatása sokkal erősebb.

A sztöchiometrikushoz közeli összetételű legrobbanékonyabb keverékek egy sztöchiometrikus keverékben két mól hidrogént tartalmaznak egy mól oxigénre, azaz figyelembe véve azt a tényt, hogy a levegőben az oxigén és a nitrogén aránya, valamint egyéb gázok, amelyek nem vesznek részt az oxigénben. az égés térfogata megközelítőleg 21%: 79% = 1:3,72, akkor a hidrogén-levegő térfogataránya robbanógázban sztöchiometrikus arányban ≈0,42 [2] . A robbanásveszélyes gáz azonban a levegőben a hidrogénkoncentráció széles tartományában képes égni, a sovány keverékek 4-9 térfogatszázalékától a gazdag keverékek 75%-áig. Körülbelül azonos határokon belül képes robbantani [3] .

A robbanásveszélyes gáz légköri nyomáson és 510 °C hőmérsékleten spontán meggyullad. Szobahőmérsékleten, gyújtóforrás hiányában (szikra, nyílt láng) a robbanásveszélyes gáz korlátlan ideig tárolható, de a leggyengébb forrásból is felrobbanhat, hiszen egy 17 mikrojoule energiájú szikra is elegendő a robbanás elindításához [4 ] . Figyelembe véve azt a tényt, hogy a hidrogén képes áthatolni azon edények falán, amelyekben tárolják, például átdiffundál egy gázpalack fémfalain, és nincs szaga, rendkívül óvatosnak kell lennie a munka során. ezzel.

Getting

1766-ban Henry Cavendish hidrogént nyert fém és sav reakciójában:

.

Laboratóriumi körülmények között a reakció során a víz elektrolízisével robbanásveszélyes gáz állítható elő :

.

Alkalmazás

A 19. században az úgynevezett drummond fényt használták színházi világításra , ahol a fényt oxigén-hidrogén keverék lángjával közvetlenül egy égetett mészhengerre irányították , amely magas hőmérsékletre ( fehérhő) melegíthető . ) olvadás nélkül . Az oxigén-hidrogén keverék lángjában magas hőmérsékletet érnek el, és a 19. században is használták fúvókákban tűzálló anyagok olvasztására, fémek vágására és hegesztésére. A robbanásveszélyes gáz használatára irányuló kísérleteket azonban korlátozta az a tény, hogy nagyon veszélyes a kezelése, és biztonságosabb megoldásokat találtak a problémák megoldására.

A hidrogén jelenleg ígéretes üzemanyagnak számít a hidrogénenergiában . A hidrogén elégetésekor tiszta víz képződik, ezért ez a folyamat környezetbarátnak tekinthető. A fő problémák azzal kapcsolatosak, hogy a hidrogén előállításának, tárolásának és közvetlen felhasználási helyére történő szállításának költségei túl magasak, és a tényezők összességét figyelembe véve a hidrogén még nem tud versenyezni a hagyományos szénhidrogén üzemanyagokkal.

A hidrogén égésének kinetikai diagramja

A hidrogén égését formálisan a teljes reakció fejezi ki:

.

Ez az általános reakció azonban nem ír le elágazó láncú reakciókat , amelyek hidrogén oxigénnel vagy levegővel alkotott elegyében fordulnak elő. A reakciókban nyolc komponens vesz részt: H 2 , O 2 , H, O, OH , HO 2 , H 2 O , H 2 O 2 . Az ezen molekulák és atomok közötti kémiai reakciók részletes kinetikai sémája több mint 20 elemi reakciót tartalmaz, amelyekben a reakcióelegyben szabad gyökök vesznek részt. Nitrogén- vagy szénvegyületek jelenlétében a rendszerben jelentősen megnő a komponensek és az elemi reakciók száma.

Tekintettel arra, hogy a hidrogén égési mechanizmusa az egyik legegyszerűbb más gáz-halmazállapotú tüzelőanyagok, például szintetikus gáz vagy szénhidrogén tüzelőanyag égési mechanizmusaihoz képest, és a szénhidrogén tüzelőanyagok égésének kinetikai sémája magában foglalja az összes összetevőt és elemi reakciókat. a hidrogén égésének mechanizmusából számos kutatócsoport rendkívül intenzíven tanulmányozza [5] [6] [7] . A több mint egy évszázados kutatástörténet ellenére azonban ez a mechanizmus még mindig nem teljesen ismert.

Kritikus jelenségek gyújtás közben

Szobahőmérsékleten a hidrogén és oxigén sztöchiometrikus keveréke zárt edényben korlátlan ideig tárolható. Amikor azonban az edény hőmérséklete a nyomástól függően egy bizonyos kritikus érték fölé emelkedik, a keverék rendkívül gyorsan, villanással vagy robbanással meggyullad és ég. Ez a jelenség a láncreakciók elméletében találta meg a magyarázatát , amelyért N. N. Szemjonov és Cyril Hinshelwood 1956 - ban kémiai Nobel-díjat kapott .

A kritikus nyomás és a hőmérséklet közötti függési görbe, amelynél a keverék öngyulladása megtörténik, jellegzetes Z-alakú, amint az az ábrán látható. Ennek a görbének az alsó, középső és felső ágát első, második és harmadik gyúlékonysági határnak nevezzük. Ha csak az első két határt vesszük figyelembe, akkor a görbe félsziget alakú, és ezt a mintát hagyományosan gyulladási félszigetnek nevezik.

Ellentmondásos elméletek

Az 1960-as években William Rhodes amerikai mérnök állítólag felfedezte a víz "új formáját", amelyet Yull Brown, egy Ausztráliába emigrált bolgár fizikus forgalmazott. A „barna gázt”, vagyis valójában egy vízelektrolizáló berendezésben nyert oxigén és hidrogén keverékét, amely képes megtisztítani a radioaktív hulladékot , tüzelőanyagként ég, ellazítja az izmokat és serkenti a magok csírázását [9] . Ezt követően az olasz fizikus, Ruggero Santilli ( en: Ruggero Santilli ) hipotézist terjesztett elő, amely szerint a víz új formája létezik "HHO-gáz" formájában, vagyis a (H × H - O) forma kémiai szerkezete. ), ahol a "×" egy hipotetikus mágneses kötést jelöl, és a " - "- a szokásos kovalens kötést . Santilli cikke, amelyet a tekintélyes, lektorált International Journal of Hydrogen Energy folyóiratban [10] tettek közzé , kemény kritikát kapott a kollégáktól, akik Santilli állításait áltudományosnak [11] nevezték , de néhány más tudós is kiállt Santilli mellett [12] [13]. .

Jegyzetek

  1. ↑ Sánchez, Williams - recenzió, 2014 .
  2. ↑ A sztöchiometrikus hidrogén-levegő keverék égésének egyenlete: 0,21 2H 2 + 0,21O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42 H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et al., Hidrogén: égési és robbanási paraméterek, 2008 , p. 85,196.
  4. ↑ Korolchenko, Anyagok tűz- és robbanásveszélye, 2004 , p. 311.
  5. ↑ Konnov AA A hidrogénégés kinetikai mechanizmusának fennmaradó bizonytalanságai  // Égés és láng . - Elsevier, 2008. - Vol. 152, 4. sz . - P. 507-528. - doi : 10.1016/j.combustflame.2007.10.024 .
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion  // Journal of Propulsion and Power. - American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. - Vol. 27, 2. sz . - P. 383-395. - doi : 10,2514/1,48553 .
  7. ↑ Burke MP, Chaos M., Ju Y., Dryer FL, Klippenstein SJ Comprehensive H 2 /O 2 kinetic model for high-pressure burning  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodika, 2012. - Vol. 44, 7. sz . - P. 444-474. - doi : 10.1002/kin.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elbe, Égés, lángok és robbanások gázokban, 1968 , p. 35.
  9. ↑ Ball, Philip. A nukleáris hulladék sztárfigyelmet kap  (angol)  // Nature  : Journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/news060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. A víz új gáznemű és éghető formája  (angol)  // International Journal of Hydrogen Energy  : folyóirat. - 2006. - Vol. 31 , sz. 9 . - P. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Megjegyzések RM Santilli "A víz új gáznemű és éghető formájához" (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : folyóirat. - 2006. - november 3. ( 32. évf. , 9. sz.). - P. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Archiválva az eredetiből 2013. augusztus 1-jén.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. Egy vegyész véleménye JM Calo megjegyzéseiről: „A víz új gáznemű és éghető formája”, RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128  )  // International Journal of Hydrogen energy  : folyóirat. - 2008. - Vol. 33 , sz. 2 . - P. 922-926 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.11.009 . Az eredetiből archiválva: 2012. március 20.
  13. ↑ JV Kadeisvili. JM Calo megjegyzéseinek cáfolata RM Santilli HHO-cikkéhez  // International Journal of Hydrogen Energy  :  folyóirat. - 2008. - Vol. 33 , sz. 2 . - P. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Az eredetiből archiválva: 2012. március 20.

Irodalom

Vélemények

Linkek