Brinnande väte

Vätgas anses vara en av de mest lovande bränsletyperna och har visat sig vara en effektiv och miljövänlig energibärare . Ur praktisk synvinkel är förbränning av väte förknippat med dess användning i kraftverk och bränsleceller och säkerheten för relevanta tekniska processer och anordningar [1] . Det specifika förbränningsvärmet för väte är cirka 140 MJ/kg (övre) eller 120 MJ/kg (lågt), vilket är flera gånger högre än det specifika förbränningsvärmet för kolvätebränslen (för metan  cirka 50 MJ/kg).

Blandningar av väte med syre eller luft är explosiva och kallas explosiv gas (namnet kommer från knallgas , it.  knall  - en hög smäll, ett skarpt ljud av ett skott eller explosion). När den antänds av en gnista eller annan källa, brinner en blandning av väte och luft av en liten volym extremt snabbt, med en hög smäll, som subjektivt uppfattas som en explosion. I förbränningsfysiken anses en sådan process vara långsam förbränning, eller deflagrering , men explosiv gas kan också detonera , medan effekten av explosionen är mycket starkare.

De mest explosiva blandningarna med en sammansättning nära stökiometrisk , i en stökiometrisk blandning finns det två mol väte per mol syre, det vill säga med hänsyn till det faktum att i luft förhållandet mellan syre och kväve och andra gaser som inte deltar i förbränning i volym är cirka 21 %: 79 % = 1:3,72, då är volymförhållandet väte till luft i explosiv gas i det stökiometriska förhållandet ≈0,42 [2] . Explosiv gas kan dock brinna i ett brett spektrum av vätekoncentrationer i luft, från 4–9 volymprocent i magra blandningar till 75 % i rika blandningar. Ungefär inom samma gränser är den kapabel att detonera [3] .

Den explosiva gasen antänds spontant vid atmosfärstryck och vid en temperatur på 510 °C. Vid rumstemperatur, i avsaknad av antändningskällor (gnista, öppen låga), kan explosiv gas lagras på obestämd tid, men den kan explodera från den svagaste källan, eftersom en gnista med en energi på 17 mikrojoule räcker för att initiera en explosion [4 ] . Med hänsyn till det faktum att väte har förmågan att penetrera väggarna i kärlen där det lagras, till exempel diffundera genom metallväggarna i en gascylinder och inte har någon lukt, bör man vara extremt försiktig när man arbetar med det.

Får

År 1766 erhöll Henry Cavendish väte i reaktionen av en metall med en syra:

.

Under laboratorieförhållanden kan explosiv gas erhållas genom elektrolys av vatten i reaktionen:

.

Applikation

På 1800-talet användes det så kallade drummondljuset för belysning i teatrar , där glöden erhölls med en låga av en syre-väteblandning riktad direkt mot en cylinder av bränd kalk , som kan värmas upp till höga temperaturer ( vit värme). ) utan att smälta . I lågan av en syre-väteblandning uppnås en hög temperatur, och även på 1800-talet användes den i blåslampor för smältning av eldfasta material, skärning och svetsning av metaller. Men alla dessa försök att använda explosiv gas begränsades av det faktum att den är mycket farlig att hantera, och man fann säkrare alternativ för att lösa dessa problem.

Vätgas anses för närvarande vara ett lovande bränsle för väteenergi . När väte förbränns bildas rent vatten, så denna process anses vara miljövänlig. De största problemen är relaterade till det faktum att kostnaderna för produktion, lagring och transport av väte till platsen för direkt användning är för höga, och med hänsyn till alla faktorer kan väte ännu inte konkurrera med traditionella kolvätebränslen.

Kinetisk diagram över väteförbränning

Förbränningen av väte uttrycks formellt av den övergripande reaktionen:

.

Denna övergripande reaktion beskriver emellertid inte grenade kedjereaktioner som förekommer i blandningar av väte med syre eller luft. Åtta komponenter deltar i reaktionerna: H 2 , O 2 , H, O, OH , HO 2 , H 2 O , H 2 O 2 . Ett detaljerat kinetiskt schema av kemiska reaktioner mellan dessa molekyler och atomer inkluderar mer än 20 elementära reaktioner som involverar fria radikaler i den reagerande blandningen. I närvaro av kväve eller kolföreningar i systemet ökar antalet komponenter och elementära reaktioner avsevärt.

På grund av det faktum att mekanismen för väteförbränning är en av de enklaste i jämförelse med mekanismerna för förbränning av andra gasformiga bränslen, såsom syntesgas eller kolvätebränslen, och de kinetiska schemana för förbränning av kolvätebränslen inkluderar alla komponenter och elementära reaktioner från mekanismen för förbränning av väte, studeras det extremt intensivt av många grupper av forskare [5] [6] [7] . Men trots mer än ett sekel av forskningshistoria är denna mekanism fortfarande inte helt förstådd.

Kritiska fenomen under antändning

Vid rumstemperatur kan en stökiometrisk blandning av väte och syre lagras i ett slutet kärl på obestämd tid. Men när kärlets temperatur stiger över ett visst kritiskt värde beroende på trycket, antänds blandningen och brinner extremt snabbt, med en blixt eller explosion. Detta fenomen fann sin förklaring i teorin om kedjereaktioner , för vilken N. N. Semyonov och Cyril Hinshelwood tilldelades 1956 års Nobelpris i kemi .

Kurvan för beroende mellan kritiskt tryck och temperatur, vid vilken självantändning av blandningen sker, har en karakteristisk Z-form, som visas i figuren. De nedre, mellersta och övre grenarna av denna kurva kallas de första, andra respektive tredje brännbarhetsgränserna. Om endast de två första gränserna beaktas, har kurvan formen av en halvö, och traditionellt kallas detta mönster för antändningshalvön.

Kontroversiella teorier

På 1960-talet upptäckte den amerikanske ingenjören William Rhodes en "ny form" av vatten kommersialiserat av Yull Brown, en bulgarisk fysiker som emigrerade till Australien. "Brun gas", det vill säga, i själva verket, en blandning av syre och väte som erhållits i en vattenelektrolysapparat, förklarades kapabel att rena radioaktivt avfall , brinna som bränsle, slappna av muskler och stimulera frögroning [9] . Därefter lade den italienske fysikern Ruggero Santilli ( sv: Ruggero Santilli ) fram en hypotes som hävdade existensen av en ny form av vatten i form av "HHO-gas", det vill säga en kemisk struktur av formen (H × H - O ), där "×" representerar en hypotetisk magnetisk bindning, och "-"- den vanliga kovalenta bindningen . Santillis artikel, publicerad i den auktoritativa peer-reviewed tidskriften International Journal of Hydrogen Energy [10] , fick hård kritik från kollegor som kallade Santilllis påståenden pseudovetenskapliga [11] , men några andra vetenskapsmän gav sitt stöd till Santilli [12] [13] .

Anteckningar

  1. ↑ Sánchez, Williams - recension, 2014 .
  2. ↑ Ekvationen för förbränning av en stökiometrisk väte-luftblandning: 0,21 2H 2 + 0,21 O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42 H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et al., Hydrogen: combustion and explosion parametrar, 2008 , sid. 85 196.
  4. ↑ Korolchenko, Brand- och explosionsrisk för ämnen, 2004 , sid. 311.
  5. ↑ Konnov AA Återstående osäkerheter i den kinetiska mekanismen för väteförbränning  // Förbränning och flamma . - Elsevier, 2008. - Vol. 152, nr 4 . - s. 507-528. - doi : 10.1016/j.combustflame.2007.10.024 .
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Uppdaterad Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion  // Journal of Propulsion and Power. - American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. - Vol. 27, nr 2 . - s. 383-395. - doi : 10.2514/1.48553 .
  7. ↑ Burke MP, Chaos M., Ju Y., Dryer FL, Klippenstein SJ Omfattande H 2 /O 2 -kinetisk modell för högtrycksförbränning  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Vol. 44, nr 7 . - s. 444-474. - doi : 10.1002/kin.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elbe, Combustion, flames and explosions in gases, 1968 , sid. 35.
  9. ↑ Ball, Philip. Kärnavfall får stjärnuppmärksamhet  (engelska)  // Nature  : journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/news060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. En ny gasformig och brännbar form av vatten  (engelska)  // International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - Vol. 31 , nr. 9 . - P. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Kommentarer till "A new gaseous and combustible form of water" av RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - 3 november ( vol. 32 , nr 9 ). - P. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Arkiverad från originalet den 1 augusti 2013.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. En kemists syn på JM Calos kommentarer om: "A new gaseous and combustible form of water" av 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 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2012.
  13. ↑ JV Kadeisvili. Motbevisning av JM Calos kommentarer om RM Santillis HHO-uppsats  // International Journal of Hydrogen Energy  :  journal. - 2008. - Vol. 33 , nr. 2 . - P. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2012.

Litteratur

Recensioner

Länkar