Një nga problemet urgjente është ndotja e mjedisit dhe burimet e kufizuara të energjisë me origjinë organike. Një mënyrë premtuese për të zgjidhur këto probleme është përdorimi i hidrogjenit si burim energjie. Në artikull do të shqyrtojmë çështjen e djegies së hidrogjenit, temperaturën dhe kiminë e këtij procesi.
Çfarë është hidrogjeni?
Para se të shqyrtojmë pyetjen se cila është temperatura e djegies së hidrogjenit, është e nevojshme të mbani mend se çfarë është kjo substancë.
Hidrogjeni është elementi kimik më i lehtë, i përbërë nga vetëm një proton dhe një elektron. Në kushte normale (presion 1 atm., temperaturë 0 oC) është i pranishëm në gjendje të gaztë. Molekula e saj (H2) formohet nga 2 atome të këtij elementi kimik. Hidrogjeni është elementi i tretë më i bollshëm në planetin tonë dhe i pari në Univers (rreth 90% e të gjithë materies).
Gaz hidrogjen (H2)pa erë, pa shije dhe pa ngjyrë. Nuk është toksik, megjithatë, kur përmbajtja e tij në ajrin atmosferik është disa për qind, atëherë një person mund të përjetojë mbytje për shkak të mungesës së oksigjenit.
Është kurioze të theksohet se megjithëse nga pikëpamja kimike, të gjitha molekulat H2 janë identike, vetitë e tyre fizike janë disi të ndryshme. Gjithçka ka të bëjë me orientimin e rrotullimeve të elektroneve (ato janë përgjegjës për shfaqjen e një momenti magnetik), i cili mund të jetë paralel dhe antiparalel, një molekulë e tillë quhet përkatësisht orto- dhe parahidrogjen.
Reaksioni kimik i djegies
Duke marrë parasysh çështjen e temperaturës së djegies së hidrogjenit me oksigjen, ne paraqesim një reaksion kimik që përshkruan këtë proces: 2H2 + O2=> 2H2O. Kjo do të thotë, 3 molekula marrin pjesë në reagim (dy hidrogjen dhe një oksigjen), dhe produkti është dy molekula uji. Ky reaksion përshkruan djegien nga pikëpamja kimike dhe mund të gjykohet se pas kalimit të tij, mbetet vetëm uji i pastër, i cili nuk ndot mjedisin, siç ndodh gjatë djegies së lëndëve djegëse fosile (benzinë, alkool).
Nga ana tjetër, ky reaksion është ekzotermik, domethënë, përveç ujit, lëshon një sasi nxehtësie që mund të përdoret për të drejtuar makina dhe raketa, si dhe për ta transferuar atë në burime të tjera të energjisë, si p.sh. si energji elektrike.
Mekanizmi i procesit të djegies së hidrogjenit
Përshkruar në të mëparshmenReaksioni kimik i paragrafit është i njohur për çdo nxënës të shkollës së mesme, por është një përshkrim shumë i përafërt i procesit që ndodh në realitet. Vini re se deri në mesin e shekullit të kaluar, njerëzimi nuk e dinte se si digjet hidrogjeni në ajër, dhe në vitin 1956 u dha Çmimi Nobel në Kimi për studimin e tij.
Në fakt, nëse molekulat O2 dhe H2 përplasen, nuk do të ndodhë asnjë reagim. Të dyja molekulat janë mjaft të qëndrueshme. Që të ndodhë djegia dhe të formohet uji, duhet të ekzistojnë radikalet e lira. Në veçanti, atomet H, O dhe grupet OH. Më poshtë është një sekuencë reaksionesh që ndodhin në të vërtetë kur hidrogjeni digjet:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Çfarë shihni nga këto reagime? Kur hidrogjeni digjet, uji formohet, po, është e drejtë, por kjo ndodh vetëm kur një grup prej dy atomesh OH takohet me një molekulë H2. Përveç kësaj, të gjitha reagimet ndodhin me formimin e radikaleve të lira, që do të thotë se fillon procesi i djegies vetë-qëndrueshme.
Pra, çelësi për fillimin e këtij reagimi është formimi i radikalëve. Ato shfaqen nëse sillni një shkrepës të djegur në një përzierje oksigjen-hidrogjen, ose nëse e ngrohni këtë përzierje mbi një temperaturë të caktuar.
Reagimi fillestar
Siç u përmend, ka dy mënyra për ta bërë këtë:
- Me ndihmën e një shkëndije që duhet të japë vetëm 0,02 mJ nxehtësi. Kjo është një vlerë shumë e vogël e energjisë, për krahasim, le të themi se vlera e ngjashme për një përzierje benzine është 0.24 mJ, dhe për metanin - 0.29 mJ. Ndërsa presioni zvogëlohet, energjia e fillimit të reaksionit rritet. Pra, në 2 kPa, tashmë është 0.56 mJ. Në çdo rast, këto janë vlera shumë të vogla, kështu që përzierja hidrogjen-oksigjen konsiderohet shumë e ndezshme.
- Me ndihmën e temperaturës. Kjo do të thotë, përzierja oksigjen-hidrogjen thjesht mund të nxehet, dhe mbi një temperaturë të caktuar do të ndizet vetë. Kur kjo ndodh varet nga presioni dhe përqindja e gazrave. Në një gamë të gjerë përqendrimesh në presionin atmosferik, reaksioni i djegies spontan ndodh në temperatura mbi 773-850 K, domethënë mbi 500-577 oC. Këto janë vlera mjaft të larta në krahasim me një përzierje benzine, e cila fillon të ndizet spontanisht tashmë në temperatura nën 300 oC.
Përqindja e gazeve në përzierjen e djegshme
Duke folur për temperaturën e djegies së hidrogjenit në ajër, duhet theksuar se jo çdo përzierje e këtyre gazrave do të hyjë në procesin në shqyrtim. Eksperimentalisht është vërtetuar se nëse sasia e oksigjenit është më e vogël se 6% në vëllim, ose nëse sasia e hidrogjenit është më e vogël se 4% në vëllim, atëherë nuk do të ndodhë asnjë reagim. Sidoqoftë, kufijtë e ekzistencës së një përzierjeje të djegshme janë mjaft të gjera. Për ajrin, përqindja e hidrogjenit mund të variojë nga 4.1% në 74.8%. Vini re se vlera e sipërme thjesht korrespondon me minimumin e kërkuar për oksigjen.
Nësemerrni parasysh një përzierje të pastër oksigjen-hidrogjen, atëherë kufijtë janë edhe më të gjerë këtu: 4, 1-94%.
Zvogëlimi i presionit të gazeve çon në një ulje të kufijve të specifikuar (kufiri i poshtëm rritet, ai i sipërm bie).
Është gjithashtu e rëndësishme të kuptohet se gjatë djegies së hidrogjenit në ajër (oksigjen), produktet e reaksionit që rezultojnë (uji) çojnë në një ulje të përqendrimit të reagentëve, gjë që mund të çojë në përfundimin e procesit kimik..
Siguria nga djegia
Kjo është një karakteristikë e rëndësishme e një përzierjeje të ndezshme, sepse ju lejon të gjykoni nëse reagimi është i qetë dhe mund të kontrollohet, apo procesi është shpërthyes. Çfarë e përcakton shkallën e djegies? Sigurisht, në përqendrimin e reagentëve, në presion, si dhe në sasinë e energjisë së "farës".
Fatkeqësisht, hidrogjeni në një gamë të gjerë përqendrimesh është i aftë për djegie shpërthyese. Në literaturë jepen shifrat e mëposhtme: 18,5-59% hidrogjen në përzierjen e ajrit. Për më tepër, në skajet e këtij kufiri, si rezultat i shpërthimit, çlirohet sasia më e madhe e energjisë për njësi vëllimi.
Natyra e theksuar e djegies paraqet një problem të madh për përdorimin e këtij reaksioni si një burim i kontrolluar energjie.
Temperatura e reagimit të djegies
Tani vijmë drejtpërdrejt te përgjigjja e pyetjes, cila është temperatura më e ulët e djegies së hidrogjenit. Është 2321 K ose 2048 oC për një përzierje me 19,6% H2. Kjo do të thotë, temperatura e djegies së hidrogjenit në ajër është më e lartë2000 oC (për përqendrime të tjera mund të arrijë 2500 oC), dhe në krahasim me një përzierje benzine, kjo është një shifër e madhe (për benzinën rreth 800 oC). Nëse digjen hidrogjen në oksigjen të pastër, temperatura e flakës do të jetë edhe më e lartë (deri në 2800 oC).
Një temperaturë kaq e lartë e flakës paraqet një problem tjetër në përdorimin e këtij reaksioni si burim energjie, pasi aktualisht nuk ka lidhje që mund të funksionojnë për një kohë të gjatë në kushte kaq ekstreme.
Sigurisht, ky problem zgjidhet duke përdorur një sistem ftohës të projektuar mirë për dhomën ku ndodh djegia e hidrogjenit.
Sasia e nxehtësisë së çliruar
Si pjesë e pyetjes së temperaturës së djegies së hidrogjenit, është gjithashtu interesante të jepen të dhëna për sasinë e energjisë që lirohet gjatë këtij reaksioni. Për kushte dhe përbërje të ndryshme të përzierjes së djegshme, u morën vlera nga 119 MJ/kg deri në 141 MJ/kg. Për të kuptuar se sa është kjo, vërejmë se një vlerë e ngjashme për një përzierje benzine është rreth 40 MJ / kg.
Rendimenti i energjisë i një përzierjeje hidrogjeni është shumë më i lartë se i benzinës, gjë që është një plus i madh për përdorimin e saj si lëndë djegëse për motorët me djegie të brendshme. Sidoqoftë, jo gjithçka është aq e thjeshtë edhe këtu. Gjithçka ka të bëjë me densitetin e hidrogjenit, është shumë i ulët në presionin atmosferik. Pra, 1 m3 i këtij gazi peshon vetëm 90 gram. Nëse e digjni këtë 1 m3 H2, atëherë do të lirohet rreth 10-11 MJ nxehtësi, që është tashmë 4 herë më pak se kur duke djegur 1 kg benzinë (pak më shumë se 1 litër).
Shifrat e dhëna tregojnë se për të përdorur reaksionin e djegies së hidrogjenit, është e nevojshme të mësohet se si të ruhet ky gaz në cilindra me presion të lartë, gjë që tashmë krijon vështirësi shtesë, si në aspektin teknologjik ashtu edhe në atë të sigurisë.
Përdorimi i një përzierjeje të djegshme me hidrogjen në teknologji: probleme
Duhet thënë menjëherë se aktualisht përzierja e djegshme e hidrogjenit përdoret tashmë në disa fusha të veprimtarisë njerëzore. Për shembull, si lëndë djegëse shtesë për raketat hapësinore, si burime për gjenerimin e energjisë elektrike, si dhe në modelet eksperimentale të makinave moderne. Megjithatë, shkalla e këtij aplikimi është e vogël në krahasim me atë të lëndëve djegëse fosile dhe në përgjithësi është eksperimentale në natyrë. Arsyeja për këtë nuk është vetëm vështirësia në kontrollimin e vetë reaksionit të djegies, por edhe në ruajtjen, transportimin dhe nxjerrjen e H2.
Hidrogjeni në Tokë praktikisht nuk ekziston në formën e tij të pastër, prandaj duhet të merret nga komponime të ndryshme. Për shembull, nga uji. Kjo është një metodë mjaft e popullarizuar aktualisht, e cila kryhet duke kaluar një rrymë elektrike përmes H2O. I gjithë problemi është se kjo harxhon më shumë energji sesa mund të merret duke djegur H2.
Një problem tjetër i rëndësishëm është transportimi dhe ruajtja e hidrogjenit. Fakti është se ky gaz, për shkak të madhësisë së vogël të molekulave të tij, është në gjendje të "fluturojë" nga çdokontejnerët. Përveç kësaj, futja në rrjetën metalike të lidhjeve, shkakton brishtësinë e tyre. Prandaj, mënyra më efikase për të ruajtur H2 është përdorimi i atomeve të karbonit që mund të lidhin fort gazin "të pakapshëm".
Kështu, përdorimi i hidrogjenit si lëndë djegëse në një shkallë pak a shumë të madhe është i mundur vetëm nëse përdoret si "magazinim" i energjisë elektrike (për shembull, shndërrimi i energjisë së erës dhe diellit në hidrogjen duke përdorur elektrolizën e ujit), ose nëse mësoni dërgoni H2 nga hapësira (ku ka shumë) në Tokë.
