Өте өзекті мәселелердің бірі – қоршаған ортаның ластануы және органикалық шыққан энергия ресурстарының шектелуі. Бұл мәселелерді шешудің перспективалы жолы сутекті энергия көзі ретінде пайдалану болып табылады. Мақалада біз сутегінің жануы, бұл процестің температурасы мен химиясы мәселесін қарастырамыз.
Сутегі дегеніміз не?
Сутегінің жану температурасы қандай деген сұрақты қарастырмас бұрын, бұл заттың не екенін есте сақтау қажет.
Сутегі ең жеңіл химиялық элемент, тек бір протон мен бір электроннан тұрады. Қалыпты жағдайда (қысым 1 атм., температура 0 oC) газ күйінде болады. Оның молекуласы (H2) осы химиялық элементтің 2 атомынан түзілген. Сутегі - планетамыздағы ең көп таралған 3-ші элемент және Әлемдегі 1-ші элемент (барлық заттардың шамамен 90%-ы).
Сутегі газы (H2)иіссіз, дәмсіз және түссіз. Ол улы емес, алайда оның атмосфералық ауадағы мөлшері бірнеше пайызды құраса, адам оттегінің жетіспеушілігінен тұншығып қалуы мүмкін.
Бір қызығы, химиялық тұрғыдан алғанда, барлық H2 молекулалары бірдей болғанымен, олардың физикалық қасиеттері біршама ерекшеленеді. Мұның бәрі параллель және антипараллель болуы мүмкін электрон спиндерінің (олар магниттік моменттің пайда болуына жауапты) бағытына қатысты, мұндай молекула сәйкесінше орто- және парасутек деп аталады.
Жану химиялық реакциясы
Сутегінің оттегімен жану температурасы туралы сұрақты қарастыра отырып, біз осы процесті сипаттайтын химиялық реакцияны ұсынамыз: 2H2 + O2=> 2H2O. Яғни, реакцияға 3 молекула қатысады (екі сутегі және бір оттегі), ал өнім екі су молекуласы болып табылады. Бұл реакция жануды химиялық тұрғыдан сипаттайды және оны өткеннен кейін қазба отындарын (бензин, спирт) жағу кезінде болатындай қоршаған ортаны ластамайтын таза су ғана қалады деп пайымдауға болады.
Екінші жағынан, бұл реакция экзотермиялық, яғни судан басқа, автомобильдер мен зымырандарды жүргізуге, сондай-ақ оны басқа энергия көздеріне беруге болатын біраз жылуды бөледі, мысалы. электр энергиясы ретінде.
Сутегінің жану процесінің механизмі
Алдыңғы бөлімде сипатталғанабзац химиялық реакция кез келген орта мектеп оқушысына белгілі, бірақ бұл шындықта болатын процестің өте өрескел сипаттамасы. Өткен ғасырдың ортасына дейін адамзат сутегінің ауада қалай жанатынын білмегенін және оны зерттегені үшін 1956 жылы химия бойынша Нобель сыйлығының берілгенін ескеріңіз.
Шынында, O2 және H2 молекулалары соқтығысса, ешқандай реакция болмайды. Екі молекула да айтарлықтай тұрақты. Жану және судың пайда болуы үшін бос радикалдар болуы керек. Атап айтқанда, H, O атомдары және ОН топтары. Төменде сутегі жанған кезде нақты болатын реакциялар тізбегі берілген:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Бұл реакциялардан не көріп тұрсыз? Сутегі жанған кезде су пайда болады, иә, бұл дұрыс, бірақ ол екі OH атомының тобы H2 молекуласымен кездескенде ғана болады. Сонымен қатар, барлық реакциялар бос радикалдардың пайда болуымен жүреді, яғни өздігінен жану процесі басталады.
Сондықтан бұл реакцияны бастаудың кілті - радикалдардың түзілуі. Олар оттегі-сутегі қоспасына жанып тұрған сіріңке әкелгенде немесе бұл қоспаны белгілі бір температурадан жоғары қыздырғанда пайда болады.
Реакцияны бастау
Айтылғандай, мұны істеудің екі жолы бар:
- Тек 0 мәнін қамтамасыз ететін ұшқынның көмегімен,02 мДж жылу. Бұл өте аз энергетикалық шама, салыстыру үшін бензин қоспасы үшін ұқсас мән 0,24 мДж, ал метан үшін - 0,29 мДж делік. Қысым төмендеген сайын реакцияның басталу энергиясы артады. Сонымен, 2 кПа кезінде ол қазірдің өзінде 0,56 мДж. Кез келген жағдайда бұл өте аз мәндер, сондықтан сутегі-оттегі қоспасы өте тез тұтанғыш болып саналады.
- Температураның көмегімен. Яғни, оттегі-сутегі қоспасын жай қыздыруға болады, ал белгілі бір температурадан жоғары ол өздігінен тұтанады. Бұл кезде газдардың қысымы мен пайызына байланысты болады. Атмосфералық қысымдағы концентрацияның кең диапазонында өздігінен жану реакциясы 773-850 К жоғары, яғни 500-577 oC жоғары температурада жүреді. Бұл 300-ден төмен температурада өздігінен тұтана бастайтын бензин қоспасымен салыстырғанда өте жоғары мәндер oC.
Жанғыш қоспадағы газдардың пайызы
Ауадағы сутегінің жану температурасы туралы айтатын болсақ, бұл газдардың әрбір қоспасы қарастырылып отырған процеске кірмейтінін атап өткен жөн. Егер оттегінің мөлшері көлем бойынша 6%-дан аз болса немесе сутегінің мөлшері көлем бойынша 4%-тен аз болса, онда реакция болмайтыны тәжірибе жүзінде анықталған. Дегенмен, жанғыш қоспаның болуының шектері өте кең. Ауа үшін сутегінің пайызы 4,1%-дан 74,8%-ға дейін болуы мүмкін. Жоғарғы мән тек оттегі үшін қажетті минимумға сәйкес келетінін ескеріңіз.
Егертаза оттегі-сутегі қоспасын қарастырайық, онда бұл жерде шектеулер одан да кеңірек болады: 4, 1-94%.
Газдардың қысымын төмендету көрсетілген шектердің төмендеуіне әкеледі (төменгі шек көтеріледі, жоғарғысы төмендейді).
Сондай-ақ ауада (оттегі) сутегінің жануы кезінде пайда болатын реакция өнімдері (су) реагенттер концентрациясының төмендеуіне әкелетінін, бұл химиялық процестің тоқтатылуына әкелетінін түсіну маңызды..
Жану қауіпсіздігі
Бұл тұтанғыш қоспаның маңызды сипаттамасы, себебі ол реакцияның тыныш екенін және оны басқаруға болатынын немесе процестің жарылғыш екенін анықтауға мүмкіндік береді. Жану жылдамдығын не анықтайды? Әрине, реагенттер концентрациясына, қысымға, сондай-ақ «тұқым» энергиясының мөлшеріне байланысты.
Өкінішке орай, концентрацияның кең диапазонындағы сутегі жарылыс қаупі бар жануға қабілетті. Әдебиеттерде келесі сандар келтірілген: ауа қоспасында 18,5-59% сутегі. Оның үстіне бұл шектің шетінде детонация нәтижесінде көлем бірлігіне келетін энергияның ең көп мөлшері бөлінеді.
Жанудың айқын сипаты бұл реакцияны басқарылатын энергия көзі ретінде пайдалану үшін үлкен проблема тудырады.
Жану реакциясының температурасы
Енді біз сутегі жануының ең төменгі температурасы қандай деген сұраққа тікелей жауап береміз. Ол 19,6% H2 қоспасы үшін 2321 К немесе 2048 oC. Яғни, ауадағы сутегінің жану температурасы жоғарырақ2000 oC (басқа концентрациялар үшін ол 2500 oC жетуі мүмкін) және бензин қоспасымен салыстырғанда бұл үлкен көрсеткіш (бензин үшін) шамамен 800 oC). Егер сіз сутегін таза оттегіде жағысаңыз, жалын температурасы одан да жоғары болады (2800 oC дейін).
Осындай жоғары жалын температурасы бұл реакцияны энергия көзі ретінде пайдалануда тағы бір қиындық тудырады, өйткені қазіргі уақытта мұндай төтенше жағдайларда ұзақ уақыт жұмыс істей алатын қорытпалар жоқ.
Әрине, бұл мәселе сутегінің жануы орын алатын камера үшін жақсы жобаланған салқындату жүйесін пайдалану арқылы шешіледі.
Бөлінетін жылу мөлшері
Сутегінің жану температурасы туралы сұрақтың бөлігі ретінде осы реакция кезінде бөлінетін энергия мөлшері туралы мәліметтерді беру де қызықты. Жанғыш қоспаның әртүрлі жағдайлары мен құрамы үшін 119 МДж/кг-дан 141 МДж/кг-ға дейінгі мәндер алынды. Бұл қанша екенін түсіну үшін бензин қоспасы үшін ұқсас мән шамамен 40 МДж/кг екенін ескереміз.
Сутегі қоспасының энергия шығымы бензинге қарағанда әлдеқайда жоғары, бұл оны іштен жанатын қозғалтқыштар үшін отын ретінде пайдалану үшін үлкен плюс. Дегенмен, мұнда да бәрі оңай емес. Мұның бәрі сутегінің тығыздығына байланысты, ол атмосфералық қысымда тым төмен. Демек, бұл газдың 1 м3 салмағы небәрі 90 грамм. Егер сіз осы 1 м3 H2 күйдірсеңіз, шамамен 10-11 МДж жылу бөлінеді, бұл осы кездегіден 4 есе аз. 1 кг бензин жағу (1 литрден сәл астам).
Берілген сандар сутегі жану реакциясын қолдану үшін бұл газды жоғары қысымды баллондарда сақтауды үйрену қажет екенін көрсетеді, бұл технология жағынан да, қауіпсіздік жағынан да қосымша қиындықтар туғызады.
Жанғыш сутегі қоспасын технологияда қолдану: мәселелер
Қазіргі уақытта жанғыш сутегі қоспасы адам қызметінің кейбір салаларында қолданылып жүргенін бірден айту керек. Мысалы, ғарыштық зымырандарға қосымша отын ретінде, электр энергиясын өндіру көздері ретінде, сондай-ақ қазіргі заманғы автомобильдердің тәжірибелік үлгілерінде. Дегенмен, бұл қолданудың ауқымы қазба отындарымен салыстырғанда өте аз және әдетте табиғатта эксперименталды. Мұның себебі жану реакциясының өзін басқарудың қиындығы ғана емес, сонымен қатар H2 сақтау, тасымалдау және алу кезінде де болып табылады.
Жер бетіндегі сутегі іс жүзінде таза күйінде жоқ, сондықтан оны әртүрлі қосылыстардан алу керек. Мысалы, судан. Бұл H2O арқылы электр тогын өткізу арқылы жүзеге асырылатын қазіргі уақытта өте танымал әдіс. Мәселе мынада: бұл H2 жағу арқылы алуға болатын энергиядан көп энергияны тұтынады.
Тағы бір маңызды мәселе сутегін тасымалдау және сақтау болып табылады. Өйткені, бұл газ оның молекулаларының шағын мөлшеріне байланысты кез келген жерден «ұшуға» қабілетті.контейнерлер. Сонымен қатар, қорытпалардың металл торына түсіп, олардың морттануын тудырады. Сондықтан H2 сақтаудың ең тиімді жолы «ұсталмайтын» газды берік байланыстыра алатын көміртек атомдарын пайдалану болып табылады.
Осылайша, сутекті отын ретінде азды-көпті ауқымда пайдалану, егер ол электр энергиясын «сақтау» ретінде пайдаланылса ғана мүмкін болады (мысалы, жел мен күн энергиясын судың электролизі арқылы сутегіге айналдыру), немесе сіз H2 санын ғарыштан (ол көп жерде) Жерге жеткізуді үйренсеңіз.
