Uno dei problemi urgenti è l'inquinamento ambientale e le limitate risorse energetiche di origine organica. Un modo promettente per risolvere questi problemi è utilizzare l'idrogeno come fonte di energia. Nell'articolo considereremo la questione della combustione dell'idrogeno, la temperatura e la chimica di questo processo.
Cos'è l'idrogeno?
Prima di considerare la domanda su quale sia la temperatura di combustione dell'idrogeno, è necessario ricordare cos'è questa sostanza.
L'idrogeno è l'elemento chimico più leggero, costituito da un solo protone e un elettrone. In condizioni normali (pressione 1 atm., temperatura 0 oC) è presente allo stato gassoso. La sua molecola (H2) è formata da 2 atomi di questo elemento chimico. L'idrogeno è il 3° elemento più abbondante sul nostro pianeta e il 1° nell'Universo (circa il 90% di tutta la materia).
Gas idrogeno (H2)inodore, insapore e incolore. Non è tossico, tuttavia, quando il suo contenuto nell'aria atmosferica è di una piccola percentuale, una persona potrebbe soffrire di soffocamento a causa della mancanza di ossigeno.
È curioso notare che sebbene da un punto di vista chimico tutte le molecole H2 siano identiche, le loro proprietà fisiche sono alquanto diverse. Riguarda l'orientamento degli spin degli elettroni (sono responsabili della comparsa di un momento magnetico), che possono essere paralleli e antiparalleli, tale molecola è chiamata rispettivamente orto e paraidrogeno.
Reazione chimica di combustione
Considerando la questione della temperatura di combustione dell'idrogeno con l'ossigeno, presentiamo una reazione chimica che descrive questo processo: 2H2 + O2=> 2H2O. Cioè, 3 molecole partecipano alla reazione (due idrogeno e un ossigeno) e il prodotto sono due molecole d'acqua. Questa reazione descrive la combustione da un punto di vista chimico, e si può ritenere che al suo passaggio rimanga solo acqua pura, che non inquina l'ambiente, come avviene durante la combustione dei combustibili fossili (benzina, alcol).
D' altra parte, questa reazione è esotermica, ovvero, oltre all'acqua, rilascia del calore che può essere utilizzato per pilotare automobili e razzi, nonché per trasferirlo ad altre fonti di energia, come come elettricità.
Meccanismo del processo di combustione dell'idrogeno
Descritto in precedenzaparagrafo reazione chimica è nota a qualsiasi studente delle scuole superiori, ma è una descrizione molto approssimativa del processo che si verifica nella re altà. Si noti che fino alla metà del secolo scorso, l'umanità non sapeva come l'idrogeno brucia nell'aria e nel 1956 è stato assegnato il Premio Nobel per la chimica per il suo studio.
In effetti, se le molecole O2 e H2 si scontrano, non si verificherà alcuna reazione. Entrambe le molecole sono abbastanza stabili. Perché avvenga la combustione e si formi acqua, devono esistere i radicali liberi. In particolare atomi H, O e gruppi OH. Quella che segue è una sequenza di reazioni che si verificano effettivamente quando l'idrogeno viene bruciato:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Cosa vedi da queste reazioni? Quando l'idrogeno brucia, si forma acqua, sì, è vero, ma succede solo quando un gruppo di due atomi di OH incontra una molecola H2. Inoltre, tutte le reazioni si verificano con la formazione di radicali liberi, il che significa che inizia il processo di combustione autosufficiente.
Quindi la chiave per iniziare questa reazione è la formazione di radicali. Appaiono se porti un fiammifero acceso a una miscela ossigeno-idrogeno o se riscaldi questa miscela al di sopra di una certa temperatura.
Avvio della reazione
Come notato, ci sono due modi per farlo:
- Con l'aiuto di una scintilla che dovrebbe fornire solo 0,02 mJ di calore. Questo è un valore energetico molto piccolo, per confronto, diciamo che il valore simile per una miscela di benzina è 0,24 mJ e per il metano - 0,29 mJ. Quando la pressione diminuisce, l'energia di inizio della reazione aumenta. Quindi, a 2 kPa, è già 0,56 mJ. In ogni caso si tratta di valori molto piccoli, quindi la miscela idrogeno-ossigeno è considerata altamente infiammabile.
- Con l'aiuto della temperatura. Cioè, la miscela ossigeno-idrogeno può essere semplicemente riscaldata e al di sopra di una certa temperatura si accenderà da sola. Quando ciò accade dipende dalla pressione e dalla percentuale di gas. In un ampio intervallo di concentrazioni a pressione atmosferica, la reazione di combustione spontanea avviene a temperature superiori a 773-850 K, cioè superiori a 500-577 oC. Si tratta di valori piuttosto elevati rispetto ad una miscela di benzina, che inizia ad accendersi spontaneamente già a temperature inferiori a 300 oC.
Percentuale di gas nella miscela combustibile
Parlando della temperatura di combustione dell'idrogeno nell'aria, va notato che non tutte le miscele di questi gas entreranno nel processo in esame. È stato stabilito sperimentalmente che se la quantità di ossigeno è inferiore al 6% in volume, o se la quantità di idrogeno è inferiore al 4% in volume, non si verificherà alcuna reazione. Tuttavia, i limiti dell'esistenza di una miscela combustibile sono piuttosto ampi. Per l'aria, la percentuale di idrogeno può variare dal 4,1% al 74,8%. Si noti che il valore superiore corrisponde solo al minimo richiesto per l'ossigeno.
Sese consideriamo una miscela ossigeno-idrogeno puro, qui i limiti sono ancora più ampi: 4, 1-94%.
Ridurre la pressione dei gas porta ad una riduzione dei limiti specificati (il limite inferiore sale, quello superiore scende).
È anche importante capire che durante la combustione dell'idrogeno nell'aria (ossigeno), i prodotti di reazione risultanti (acqua) portano a una diminuzione della concentrazione dei reagenti, che può portare alla fine del processo chimico.
Sicurezza combustione
Questa è una caratteristica importante di una miscela infiammabile, perché permette di giudicare se la reazione è calma e controllabile, o se il processo è esplosivo. Cosa determina la velocità di combustione? Naturalmente, sulla concentrazione dei reagenti, sulla pressione, e anche sulla quantità di energia del "seme".
Purtroppo, l'idrogeno in un'ampia gamma di concentrazioni è in grado di provocare una combustione esplosiva. In letteratura sono riportati i seguenti dati: 18,5-59% di idrogeno nella miscela d'aria. Inoltre, ai margini di questo limite, a seguito della detonazione, viene rilasciata la maggiore quantità di energia per unità di volume.
La natura marcata della combustione presenta un grosso problema per l'utilizzo di questa reazione come fonte di energia controllata.
Temperatura di reazione di combustione
Ora arriviamo direttamente alla risposta alla domanda, qual è la temperatura più bassa di combustione dell'idrogeno. È 2321 K o 2048 oC per una miscela con il 19,6% di H2. Cioè, la temperatura di combustione dell'idrogeno nell'aria è più alta2000 oC (per altre concentrazioni può raggiungere 2500 oC), e rispetto a una miscela di benzina, questa è una cifra enorme (per la benzina circa 800 oC). Se bruci idrogeno in ossigeno puro, la temperatura della fiamma sarà ancora più alta (fino a 2800 oC).
Una temperatura di fiamma così elevata presenta un altro problema nell'utilizzo di questa reazione come fonte di energia, poiché attualmente non ci sono leghe che possono funzionare a lungo in condizioni così estreme.
Ovviamente, questo problema viene risolto utilizzando un sistema di raffreddamento ben progettato per la camera in cui avviene la combustione dell'idrogeno.
Quantità di calore rilasciata
Come parte della questione della temperatura di combustione dell'idrogeno, è anche interessante fornire dati sulla quantità di energia che viene rilasciata durante questa reazione. Per diverse condizioni e composizioni della miscela combustibile si sono ottenuti valori da 119 MJ/kg a 141 MJ/kg. Per capire quanto questo è, notiamo che un valore simile per una miscela di benzina è di circa 40 MJ / kg.
Il rendimento energetico di una miscela di idrogeno è molto superiore a quello della benzina, il che è un enorme vantaggio per il suo utilizzo come carburante per motori a combustione interna. Tuttavia, anche qui non tutto è così semplice. Riguarda la densità dell'idrogeno, è troppo bassa alla pressione atmosferica. Quindi, 1 m3 di questo gas pesa solo 90 grammi. Se bruci questo 1 m3 H2, verranno rilasciati circa 10-11 MJ di calore, che è già 4 volte inferiore rispetto a quando bruciando 1 kg di benzina (poco più di 1 litro).
Le cifre riportate indicano che per utilizzare la reazione di combustione dell'idrogeno, è necessario imparare a immagazzinare questo gas in bombole ad alta pressione, il che crea già ulteriori difficoltà, sia in termini di tecnologia che di sicurezza.
L'uso di una miscela combustibile a idrogeno nella tecnologia: problemi
Va detto subito che attualmente la miscela combustibile a idrogeno è già utilizzata in alcuni ambiti dell'attività umana. Ad esempio, come carburante aggiuntivo per razzi spaziali, come fonti per la generazione di energia elettrica, nonché in modelli sperimentali di auto moderne. Tuttavia, la scala di questa applicazione è minuscola rispetto a quella dei combustibili fossili ed è generalmente di natura sperimentale. La ragione di ciò non è solo la difficoltà nel controllare la reazione di combustione stessa, ma anche nello stoccaggio, trasporto ed estrazione di H2.
L'idrogeno sulla Terra praticamente non esiste nella sua forma pura, quindi deve essere ottenuto da vari composti. Ad esempio, dall'acqua. Questo è un metodo abbastanza popolare al momento, che viene eseguito facendo passare una corrente elettrica attraverso H2O. L'intero problema è che questo consuma più energia di quella che si può ottenere bruciando H2.
Un altro problema importante è il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno. Il fatto è che questo gas, a causa delle piccole dimensioni delle sue molecole, è in grado di "volare fuori" da qualsiasicontenitori. Inoltre, entrando nel reticolo metallico delle leghe, ne provoca l'infragilimento. Pertanto, il modo più efficiente per immagazzinare H2 è utilizzare atomi di carbonio in grado di legare saldamente il gas "elusivo".
Quindi, l'uso dell'idrogeno come combustibile su scala più o meno ampia è possibile solo se utilizzato come "stoccaggio" di elettricità (ad esempio convertendo l'energia eolica e solare in idrogeno utilizzando l'elettrolisi dell'acqua), o se impari a consegnare H2 dallo spazio (dove ce n'è molto) sulla Terra.
