Arderea hidrogenului

Hidrogenul este considerat unul dintre cele mai promițătoare tipuri de combustibil și sa dovedit a fi un purtător de energie eficient și prietenos cu mediul . Din punct de vedere practic, arderea hidrogenului este asociată cu utilizarea lui în centrale electrice și celule de combustibil și cu siguranța proceselor și dispozitivelor tehnologice relevante [1] . Căldura specifică de ardere a hidrogenului este de aproximativ 140 MJ/kg (superioară) sau 120 MJ/kg (scăzută), ceea ce este de câteva ori mai mare decât căldura specifică de ardere a combustibililor hidrocarburi (pentru metan  , aproximativ 50 MJ/kg).

Amestecurile de hidrogen cu oxigen sau aer sunt explozive și sunt numite gaz exploziv (numele provine de la knallgas , it.  knall  - un bubuit puternic, un sunet ascuțit al unei împușcături sau explozie). Când este aprins de o scânteie sau altă sursă, un amestec de hidrogen și aer de un volum mic arde extrem de repede, cu o bubuitură puternică, care este percepută subiectiv ca o explozie. În fizica arderii, un astfel de proces este considerat combustie lentă sau deflagrație , cu toate acestea, gazul exploziv este, de asemenea, capabil de detonare , în timp ce efectul exploziei este mult mai puternic.

Cele mai explozive amestecuri cu o compoziție apropiată de stoechiometrică , într-un amestec stoechiometric, există doi moli de hidrogen pe mol de oxigen, adică ținând cont de faptul că în aer raportul dintre oxigen și azot și alte gaze care nu participă la arderea în volum este de aproximativ 21%: 79% = 1:3.72, atunci raportul de volum al hidrogenului la aer în gazul exploziv în raportul stoichiometric este ≈0.42 [2] . Cu toate acestea, gazul exploziv este capabil să ardă într-o gamă largă de concentrații de hidrogen în aer, de la 4-9 procente în volum în amestecurile slabe până la 75% în amestecurile bogate. Aproximativ în aceleași limite, este capabil să detoneze [3] .

Gazul exploziv se aprinde spontan la presiunea atmosferică și la o temperatură de 510 °C. La temperatura camerei, în absența surselor de aprindere (scânteie, flacără deschisă), gazul exploziv poate fi stocat pe termen nelimitat, dar poate exploda din cea mai slabă sursă, deoarece o scânteie cu o energie de 17 microjouli este suficientă pentru a iniția o explozie [4]. ] . Ținând cont de faptul că hidrogenul are capacitatea de a pătrunde în pereții vaselor în care este stocat, de exemplu, difuzează prin pereții metalici ai unei butelii de gaz și nu are miros, trebuie să fii extrem de atent când lucrezi. Cu acesta.

Obținerea

În 1766, Henry Cavendish a obținut hidrogen în reacția unui metal cu un acid:

.

În condiții de laborator, gazul exploziv poate fi obținut prin electroliza apei în reacție:

.

Aplicație

În secolul al XIX-lea , așa-numita lumină drummond era folosită pentru iluminat în teatre , unde strălucirea era obținută folosind o flacără dintr-un amestec de oxigen-hidrogen direcționată direct către un cilindru de var nestins , care poate fi încălzit la temperaturi ridicate ( căldură albă ). ) fără să se topească . În flacăra unui amestec de oxigen-hidrogen se atinge o temperatură ridicată și, de asemenea, în secolul al XIX-lea a fost folosit în pistoleți pentru topirea materialelor refractare, tăierea și sudarea metalelor. Cu toate acestea, toate aceste încercări de a folosi gaz exploziv au fost limitate de faptul că este foarte periculos de manevrat și au fost găsite opțiuni mai sigure pentru a rezolva aceste probleme.

Hidrogenul este considerat în prezent un combustibil promițător pentru energia hidrogenului . Când hidrogenul este ars, se formează apă pură, astfel încât acest proces este considerat ecologic. Principalele probleme sunt legate de faptul că costurile de producție, depozitare și transport al hidrogenului la locul utilizării directe sunt prea mari și, ținând cont de totalitatea factorilor, hidrogenul nu poate concura încă cu combustibilii tradiționali cu hidrocarburi.

Diagrama cinetică a arderii hidrogenului

Arderea hidrogenului este exprimată formal prin reacția globală:

.

Cu toate acestea, această reacție generală nu descrie reacții în lanț ramificate care apar în amestecuri de hidrogen cu oxigen sau aer. Opt componente participă la reacţii : H2 , O2 , H , O , OH , HO2 , H2O , H2O2 . O schemă cinetică detaliată a reacțiilor chimice dintre aceste molecule și atomi include mai mult de 20 de reacții elementare care implică radicali liberi în amestecul de reacție. În prezența compușilor de azot sau carbon în sistem, numărul de componente și reacții elementare crește semnificativ.

Datorită faptului că mecanismul de ardere a hidrogenului este unul dintre cele mai simple în comparație cu mecanismele de ardere a altor combustibili gazoși, cum ar fi gazul de sinteză sau combustibilii cu hidrocarburi, iar schemele cinetice de ardere a combustibililor cu hidrocarburi includ toate componentele și reacțiile elementare din mecanismul de ardere a hidrogenului, este studiat extrem de intens de multe grupuri de cercetători [5] [6] [7] . Cu toate acestea, în ciuda a mai mult de un secol de istorie de cercetare, acest mecanism nu este încă pe deplin înțeles.

Fenomene critice în timpul aprinderii

La temperatura camerei, un amestec stoichiometric de hidrogen și oxigen poate fi depozitat într-un vas închis pe o perioadă nedeterminată. Totuși, atunci când temperatura vasului crește peste o anumită valoare critică în funcție de presiune, amestecul se aprinde și arde extrem de rapid, cu fulger sau explozie. Acest fenomen și-a găsit explicația în teoria reacțiilor în lanț , pentru care N. N. Semyonov și Cyril Hinshelwood au fost distinși cu Premiul Nobel pentru Chimie în 1956 .

Curba de dependență dintre presiunea critică și temperatură, la care are loc autoaprinderea amestecului, are o formă Z caracteristică, așa cum se arată în figură. Ramurile inferioare, mijlocii și superioare ale acestei curbe sunt numite prima, a doua și, respectiv, a treia limită de inflamabilitate. Dacă sunt luate în considerare doar primele două limite, atunci curba are forma unei peninsule și, în mod tradițional, acest model se numește peninsula de aprindere.

Teorii controversate

În anii 1960, inginerul american William Rhodes ar fi descoperit o „nouă formă” de apă comercializată de Yull Brown, un fizician bulgar care a emigrat în Australia. „Gazul brun”, adică, de fapt, un amestec de oxigen și hidrogen obținut într-un aparat de electroliză a apei, a fost declarat capabil să epureze deșeurile radioactive , să ardă precum combustibilul, să relaxeze mușchii și să stimuleze germinarea semințelor [9] . Ulterior, fizicianul italian Ruggero Santilli ( en: Ruggero Santilli ) a prezentat o ipoteză care afirmă existența unei noi forme de apă sub formă de „gaz HHO”, adică o structură chimică a formei (H × H - O ), unde "×" reprezintă o legătură magnetică ipotetică și " - "- legătura covalentă obișnuită . Articolul lui Santilli, publicat în jurnalul autorizat, revizuit de colegi, International Journal of Hydrogen Energy [10] , a atras critici dure din partea colegilor care au numit afirmațiile lui Santilli pseudoștiințifice [11] , dar alți oameni de știință au venit în sprijinul lui Santilli [12] [13] .

Note

  1. ↑ Sánchez, Williams - recenzie, 2014 .
  2. ↑ Ecuația arderii unui amestec stoichiometric hidrogen-aer: 0,21 2H 2 + 0,21O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et al., Hidrogen: parametrii de combustie și explozie, 2008 , p. 85.196.
  4. ↑ Korolchenko, Pericol de incendiu și explozie al substanțelor, 2004 , p. 311.
  5. ↑ Konnov AA Incertitudini rămase în mecanismul cinetic al arderii hidrogenului  // Combustion and Flame . - Elsevier, 2008. - Vol. 152, nr. 4 . - 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. - Institutul American de Aeronautică și Astronautică, 2011. - Vol. 27, nr. 2 . - 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 combustion  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Vol. 44, nr. 7 . - P. 444-474. - doi : 10.1002/kin.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elba, Combustie, flăcări și explozii în gaze, 1968 , p. 35.
  9. ↑ Ball, Filip. Deșeurile nucleare atrag atenția vedetelor  (engleză)  // Nature  : journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/news060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. O nouă formă gazoasă și combustibilă de apă  (engleză)  // International Journal of Hydrogen Energy  : jurnal. - 2006. - Vol. 31 , nr. 9 . - P. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Comentarii la „O nouă formă gazoasă și combustibilă de apă” de RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - 3 noiembrie ( vol. 32 , nr. 9 ). - P. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Arhivat din original la 1 august 2013.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. Viziunea unui chimist asupra comentariilor lui JM Calo despre: „O nouă formă gazoasă și combustibilă de apă” de RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128  )  // International Journal of Hydrogen energy  : journal. - 2008. - Vol. 33 , nr. 2 . - P. 922-926 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.11.009 . Arhivat din original pe 20 martie 2012.
  13. ↑ JV Kadeisvili. Refutare a comentariilor lui JM Calo la lucrarea lui RM Santilli HHO  // International Journal of Hydrogen Energy  :  journal. - 2008. - Vol. 33 , nr. 2 . - P. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Arhivat din original pe 20 martie 2012.

Literatură

Recenzii

Link -uri