Et af de presserende problemer er miljøforurening og begrænsede energiressourcer af organisk oprindelse. En lovende måde at løse disse problemer på er at bruge brint som energikilde. I artiklen vil vi overveje spørgsmålet om brintforbrænding, temperaturen og kemien i denne proces.
Hvad er brint?
Før man overvejer spørgsmålet om, hvad brints forbrændingstemperatur er, er det nødvendigt at huske, hvad dette stof er.
Brint er det letteste kemiske grundstof, der kun består af én proton og én elektron. Under normale forhold (tryk 1 atm., temperatur 0 oC) er det til stede i gasform. Dets molekyle (H2) er dannet af 2 atomer af dette kemiske grundstof. Brint er det 3. mest udbredte grundstof på vores planet, og det 1. i universet (ca. 90 % af alt stof).
brintgas (H2)lugtfri, smagløs og farveløs. Det er ikke giftigt, men når dets indhold i den atmosfæriske luft er nogle få procent, kan en person opleve kvælning på grund af iltmangel.
Det er underligt at bemærke, at selvom alle H2-molekylerne fra et kemisk synspunkt er identiske, er deres fysiske egenskaber noget forskellige. Det handler om orienteringen af elektronspindene (de er ansvarlige for fremkomsten af et magnetisk moment), som kan være parallelt og antiparallelt, sådan et molekyle kaldes henholdsvis orto- og parahydrogen.
Kemisk forbrændingsreaktion
I betragtning af spørgsmålet om forbrændingstemperaturen af brint med oxygen præsenterer vi en kemisk reaktion, der beskriver denne proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Det vil sige, at 3 molekyler deltager i reaktionen (to brint og en oxygen), og produktet er to vandmolekyler. Denne reaktion beskriver forbrænding ud fra et kemisk synspunkt, og det kan vurderes, at der efter dens passage kun er rent vand tilbage, som ikke forurener miljøet, som det sker ved forbrænding af fossile brændstoffer (benzin, alkohol).
På den anden side er denne reaktion eksoterm, det vil sige, at den udover vand frigiver noget varme, som kan bruges til at køre biler og raketter, samt overføre den til andre energikilder, som f.eks. som elektricitet.
Mekanisme for brintforbrændingsprocessen
Beskrevet i det foregåendeafsnit kemisk reaktion er kendt af enhver gymnasieelev, men det er en meget grov beskrivelse af den proces, der foregår i virkeligheden. Bemærk, at menneskeheden indtil midten af forrige århundrede ikke vidste, hvordan brint brænder i luft, og i 1956 blev Nobelprisen i kemi tildelt for sin undersøgelse.
Faktisk, hvis O2 og H2 molekyler kolliderer, vil der ikke forekomme nogen reaktion. Begge molekyler er ret stabile. For at der kan opstå forbrænding og danne vand, skal der eksistere frie radikaler. Især H, O-atomer og OH-grupper. Det følgende er en sekvens af reaktioner, der faktisk opstår, når brint forbrændes:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Hvad ser du af disse reaktioner? Når brint brænder, dannes der vand, ja, det er rigtigt, men det sker kun, når en gruppe på to OH-atomer møder et H2-molekyle. Derudover sker alle reaktioner med dannelsen af frie radikaler, hvilket betyder, at processen med selvopretholdende forbrænding starter.
Så nøglen til at starte denne reaktion er dannelsen af radikaler. De vises, hvis du bringer en brændende tændstik til en ilt-brint-blanding, eller hvis du opvarmer denne blanding over en bestemt temperatur.
Starter reaktion
Som nævnt er der to måder at gøre dette på:
- Ved hjælp af en gnist, der kun skulle give 0,02 mJ varme. Dette er en meget lille energiværdi, til sammenligning, lad os sige, at den tilsvarende værdi for en benzinblanding er 0,24 mJ og for metan - 0,29 mJ. Når trykket falder, stiger reaktionsinitieringsenergien. Så ved 2 kPa er det allerede 0,56 mJ. Under alle omstændigheder er der tale om meget små værdier, så brint-ilt-blandingen anses for meget brandfarlig.
- Ved hjælp af temperatur. Det vil sige, at ilt-brint-blandingen blot kan opvarmes, og over en vis temperatur vil den selv antænde. Hvornår dette sker afhænger af trykket og procentdelen af gasser. I en lang række koncentrationer ved atmosfærisk tryk sker den spontane forbrændingsreaktion ved temperaturer over 773-850 K, det vil sige over 500-577 oC. Det er ret høje værdier sammenlignet med en benzinblanding, som begynder at selvantænde allerede ved temperaturer under 300 oC.
Procentdel af gasser i den brændbare blanding
Når vi taler om temperaturen ved brintforbrænding i luft, skal det bemærkes, at ikke enhver blanding af disse gasser vil indgå i den pågældende proces. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at hvis mængden af oxygen er mindre end 6 volumenprocent, eller hvis mængden af brint er mindre end 4 volumenprocent, så vil der ikke forekomme nogen reaktion. Grænserne for eksistensen af en brændbar blanding er dog ret brede. For luft kan procentdelen af brint variere fra 4,1 % til 74,8 %. Bemærk, at den øvre værdi kun svarer til det påkrævede minimum for oxygen.
Hvisoverveje en ren ilt-brint blanding, så er grænserne endnu bredere her: 4, 1-94%.
Reduktion af trykket af gasser fører til en reduktion af de specificerede grænser (den nedre grænse stiger, den øvre falder).
Det er også vigtigt at forstå, at under forbrænding af brint i luft (ilt) fører de resulterende reaktionsprodukter (vand) til et fald i koncentrationen af reagenser, hvilket kan føre til afbrydelse af den kemiske proces.
Forbrændingssikkerhed
Dette er en vigtig egenskab ved en brandfarlig blanding, fordi den giver dig mulighed for at vurdere, om reaktionen er rolig og kan kontrolleres, eller om processen er eksplosiv. Hvad bestemmer forbrændingshastigheden? Selvfølgelig på koncentrationen af reagenser, på tryk og også på mængden af energi af "frøet".
Desværre er brint i en lang række koncentrationer i stand til eksplosiv forbrænding. Følgende tal er angivet i litteraturen: 18,5-59% brint i luftblandingen. Desuden frigives ved kanterne af denne grænse, som et resultat af detonation, den største mængde energi pr. volumenenhed.
Forbrændingens markante karakter udgør et stort problem for at bruge denne reaktion som en kontrolleret energikilde.
Forbrændingsreaktionstemperatur
Nu kommer vi direkte til svaret på spørgsmålet, hvad er den laveste temperatur ved brintforbrænding. Det er 2321 K eller 2048 oC for en blanding med 19,6 % H2. Det vil sige, at forbrændingstemperaturen for brint i luft er højere2000 oC (for andre koncentrationer kan det nå 2500 oC), og sammenlignet med en benzinblanding er dette et enormt tal (for benzin omkring 800 oC). Hvis du brænder brint i ren ilt, bliver flammetemperaturen endnu højere (op til 2800 oC).
En sådan høj flammetemperatur udgør et andet problem ved at bruge denne reaktion som energikilde, da der i øjeblikket ikke er nogen legeringer, der kan arbejde i lang tid under så ekstreme forhold.
Selvfølgelig løses dette problem ved at bruge et veldesignet kølesystem til det kammer, hvor brintforbrænding finder sted.
Mængde af frigivet varme
Som en del af spørgsmålet om brints forbrændingstemperatur er det også interessant at give data om mængden af energi, der frigives under denne reaktion. For forskellige forhold og sammensætninger af den brændbare blanding blev der opnået værdier fra 119 MJ/kg til 141 MJ/kg. For at forstå, hvor meget dette er, bemærker vi, at en tilsvarende værdi for en benzinblanding er omkring 40 MJ/kg.
Energiudbyttet af en brintblanding er meget højere end for benzin, hvilket er et stort plus for dets brug som brændstof til forbrændingsmotorer. Men heller ikke her er alt så enkelt. Det hele handler om tætheden af brint, den er for lav ved atmosfærisk tryk. Så 1 m3 af denne gas vejer kun 90 gram. Hvis du brænder denne 1 m3 H2, vil der blive frigivet omkring 10-11 MJ varme, hvilket allerede er 4 gange mindre end da brænder 1 kg benzin (lidt over 1 liter).
De angivne tal indikerer, at for at bruge hydrogenforbrændingsreaktionen er det nødvendigt at lære at opbevare denne gas i højtryksflasker, hvilket allerede skaber yderligere vanskeligheder, både med hensyn til teknologi og sikkerhed.
Brugen af en brændbar hydrogenblanding i teknologi: problemer
Det skal siges med det samme, at den brændbare brintblanding på nuværende tidspunkt allerede bruges i nogle områder af menneskelig aktivitet. For eksempel som et ekstra brændstof til rumraketter, som kilder til generering af elektrisk energi såvel som i eksperimentelle modeller af moderne biler. Skalaen af denne applikation er dog minimal sammenlignet med fossile brændstoffer og er generelt eksperimentel af natur. Årsagen til dette er ikke kun vanskeligheden ved at kontrollere selve forbrændingsreaktionen, men også i opbevaringen, transporten og udvindingen af H2.
Brint på Jorden eksisterer praktisk t alt ikke i sin rene form, så det skal fås fra forskellige forbindelser. For eksempel fra vand. Dette er en ret populær metode i øjeblikket, som udføres ved at føre en elektrisk strøm gennem H2O. Hele problemet er, at dette bruger mere energi, end der så kan opnås ved at brænde H2.
Et andet vigtigt problem er transport og opbevaring af brint. Faktum er, at denne gas, på grund af den lille størrelse af dens molekyler, er i stand til at "flyve ud" fra enhvercontainere. Hertil kommer, at komme ind i metalgitteret af legeringer, det forårsager deres skørhed. Derfor er den mest effektive måde at opbevare H2 ved at bruge carbonatomer, der fast kan binde den "undvigende" gas.
Således er brugen af brint som brændstof i mere eller mindre stor skala kun mulig, hvis det bruges som et "lager" af elektricitet (f.eks. omdannelse af vind- og solenergi til brint ved hjælp af vandelektrolyse), eller hvis du lærer, leverer H2 fra rummet (hvor der er meget af det) til Jorden.
