Продукт сгорания водорода вода

Температура горения водорода: описание и условия реакции, применение в технике

Одной из актуальных проблем является загрязнение окружающей среды и ограниченность энергетических ресурсов органического происхождения. Многообещающим способом решения этих проблем является использование водорода в качестве источника энергии. В статье рассмотрим вопрос горения водорода, температуру и химию этого процесса.

Что такое водород?

Прежде чем рассматривать вопрос, какая температура сгорания водорода, необходимо вспомнить, что собой представляет это вещество.

Водород — это самый легкий химический элемент, состоящий всего из одного протона и одного электрона. При нормальных условиях (давление 1 атм., температура 0 o C) он присутствует в газообразном состоянии. Его молекула (H₂) образована 2 атомами этого химического элемента. Водород является 3-м по распространенности элементом на нашей планете, и 1-м во Вселенной (около 90 % всей материи).

Водородный газ (H₂) не имеет запаха, вкуса и цвета. Он не токсичен, однако, когда содержание его в атмосферном воздухе составляет несколько процентов, то человек может испытывать удушье, по причине недостатка кислорода.

Любопытно отметить, что хотя с химической точки зрения все молекула H₂ идентичны, физические свойства их несколько отличаются. Дело все в ориентации спинов электронов (они ответственны за появление магнитного момента), которые могут быть параллельными и антипараллельными, такую молекулу называют орто- и параводородом, соответственно.

Химическая реакция горения

Рассматривая вопрос, температуры горения водорода с кислородом, приведем химическую реакцию, которая описывает этот процесс: 2H₂ + O₂ => 2H₂O. То есть в реакции участвуют 3 молекулы (две водорода и одна кислорода), а продуктом являются две молекулы воды. Эта реакция описывает горение с химической точки зрения, и по ней можно судить, что после ее прохождения остается только чистая вода, которая не загрязняет окружающую среду, как это происходит при сгорании органического топлива (бензина, спирта).

С другой стороны, эта реакция является экзотермической, то есть помимо воды она выделяет некоторое количества тепла, которое можно использовать для приведения в движение машин и ракет, а также для его перевода в другие источники энергии, например, в электричество.

Механизм процесса горения водорода

Описанная в предыдущем пункте химическая реакция известна любому школьнику старших классов, однако она является очень грубым описанием того процесса, который происходит в действительности. Отметим, что до середины прошлого века человечество не знало, как происходит горение водорода в воздухе, а в 1956 году за ее изучение была присуждена Нобелевская премия по химии.

В действительности, если столкнуть молекулы O₂ и H₂, то никакой реакции не произойдет. Обе молекулы являются достаточно устойчивыми. Чтобы горение происходило, и образовывалась вода, необходимо существование свободных радикалов. В частности, атомов H, O и групп OH. Ниже приводится последовательность реакций, которые происходят в действительности при горении водорода:

Что видно из этих реакций? При горении водорода образуется вода, да, верно, но происходит это только, когда группа из двух атомов OH встречается с молекулой H₂. Кроме того, все реакции происходят с образованием свободных радикалов, это означает, что запускается процесс самоподдержания горения.

Таким образом, ключевой момент в запуске этой реакции заключается в образовании радикалов. Они появляются, если поднести к кислород-водородной смеси горящую спичку, либо если нагреть эту смесь выше определенной температуры.

Инициация реакции

Как было отмечено, сделать это можно двумя способами:

• С помощью искры, которая должна предоставить всего 0,02 мДж теплоты. Это очень маленькое значение энергии, для сравнения скажем, что аналогичное значение для бензиновой смеси составляет 0,24 мДж, а для метановой — 0,29 мДж. С уменьшением давления энергия инициации реакции растет. Так, при 2 кПа она составляет уже 0,56 мДж. В любом случае, это очень маленькие значения, поэтому водород-кислородная смесь считается легко воспламеняющейся.
• С помощью температуры. То есть кислород-водородную смесь можно просто нагревать, и выше некоторой температуры она сама воспламенится. Когда это произойдет, зависит от давления и процентного соотношения газов. В широком интервале концентраций при атмосферном давлении реакция самовозгорания происходит при температурах выше 773-850 К, то есть выше 500-577 o C. Это достаточно высокие значения по сравнению с бензиновой смесью, которая начинает самовоспламеняться уже при температурах ниже 300 o C.

Процентное содержание газов в горючей смеси

Говоря о температуре горения водорода в воздухе, следует отметить, что не всякая смесь этих газов будет вступать в рассматриваемый процесс. Экспериментально установлено, что если количество кислорода меньше 6% по объему, либо если количество водорода меньше 4% по объему, то никакой реакции не будет. Тем не менее, пределы существования горючей смеси являются достаточно широкими. Для воздуха процентное содержание водорода может составлять от 4,1 % до 74,8 %. Отметим, что верхнее значение как раз соответствует необходимому минимуму по кислороду.

Если же рассматривается чистая кислород-водородная смесь, то здесь пределы еще шире: 4,1-94 %.

Уменьшение давления газов приводит к сокращению указанных пределов (нижняя граница поднимается, верхняя — опускается).

Также важно понимать, что в процессе горения водорода в воздухе (кислороде), возникающие продукты реакции (вода) приводят к уменьшению концентрации реагентов, что может привести к прекращению химического процесса.

Безопасность горения

Это важная характеристика воспламеняющейся смеси, поскольку она позволяет судить о том, происходит реакция спокойно, и можно ее контролировать, либо процесс имеет взрывной характер. От чего зависит скорость горения? Конечно же, от концентрации реагентов, от давления, а также от количества энергии «затравки».

К большому сожалению, водород в широком интервале концентраций способен к взрывному горению. В литературе приводятся следующие цифры: 18,5-59 % водорода в воздушной смеси. Причем на краях этого предела в результате детонации выделяется наибольшее количество энергии на единицу объема.

Отмеченный характер горения представляет большую проблему для использования этой реакции в качестве контролируемого источника энергии.

Температура реакции горения

Теперь мы подошли непосредственно к ответу на вопрос, какая низшая температура сгорания водорода. Она составляет 2321 К или 2048 o C для смеси с 19,6 % H₂. То есть температура горения водорода в воздухе выше 2000 o C (для других концентраций она может достигать 2500 o C), и в сравнении с бензиновой смесью — это огромная цифра (для бензина около 800 o C). Если сжигать водород в чистом кислороде, то температура пламени будет еще выше (до 2800 o C).

Столь высокая температура пламени представляет еще одну проблему в использовании этой реакции в качестве источника энергии, поскольку не существует в настоящее время сплавов, которые могли бы работать длительное время в таких экстремальных условиях.

Конечно, эта проблема решается, если использовать хорошо продуманную систему охлаждения камеры, где происходит горение водорода.

Количество выделяемой теплоты

В рамках вопроса температуры горения водорода любопытно также привести данные о количестве энергии, которая выделяется во время этой реакции. Для разных условий и составов горючей смеси получили значения от 119 МДж/кг до 141 МДж/кг. Чтобы понять, насколько это много, отметим, что аналогичное значение для бензиновой смеси составляет около 40 МДж/кг.

Энергетический выход водородной смеси намного выше, чем для бензина, что является огромным плюсом для ее применения в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Однако, и здесь не все так просто. Все дело в плотности водорода, она слишком низка при атмосферном давлении. Так, 1 м 3 этого газа весит всего 90 грамм. Если сжечь этот 1 м 3 H₂, то выделится около 10-11 МДж теплоты, что уже в 4 раза меньше, чем при сжигании 1 кг бензина (чуть больше 1 литра).

Приведенные цифры говорят о том, что для использования реакции горения водорода необходимо научиться хранить этот газ в баллонах с высоким давлением, что создает уже дополнительные сложности, как в технологическом вопросе, так и с точки зрения безопасности.

Применение водородной горючей смеси в технике: проблемы

Сразу необходимо сказать, что в настоящее время водородная горючая смесь уже используется в некоторых сферах человеческой деятельности. Например, в качестве дополнительного топлива для космических ракет, в качестве источников для выработки электрической энергии, а также в экспериментальных моделях современных автомобилей. Однако масштабы этого применения являются мизерными, по сравнению с таковыми для органического топлива и, как правило, носят экспериментальных характер. Причиной этому являются не только трудности в контроле самой реакции горения, но также в хранении, транспортировке и добыче H₂.

Водород на Земле практически не существует в чистом виде, поэтому его необходимо получать из различных соединений. Например, из воды. Это достаточно популярный способ в настоящее время, который осуществляется с помощью пропускания электрического тока через H₂O. Вся проблема заключается в том, что при этом расходуется больше энергии, чем потом можно получить путем сжигания H₂.

Еще одна важная проблема — транспортировка и хранение водорода. Дело в том, что этот газ, ввиду маленьких размеров его молекул, способен «вылетать» из любых контейнеров. Кроме того, попадая в металлическую решетку сплавов, он вызывает их охрупчивание. Поэтому наиболее эффективным способом хранения H₂ является использование атомов углерода, способных прочно связывать «неуловимый» газ.

Таким образом, применение водорода в качестве топлива в более-менее широких масштабах возможно, только если его использовать в качестве «сохранения» электричества (например, переводить ветровую и солнечную энергию в водород с помощью электролиза воды), либо если научиться доставлять H₂ из космоса (где его очень много) на Землю.

Источник

Белорусский изобретатель заставил воду гореть

Чтобы узнать, как белорусский изобретатель нашел способ использовать воду в качестве альтернативного топлива, журналист «НГ» отправилась к нему в гости.

Море синее горит.

Демонстрация работы устройства Евгения Портнова могла бы послужить хорошей иллюстрацией к творчеству Чуковского. Если бы не одно “но”: изобретение защищено Евразийским патентом.
Евгений Портнов берет стакан обычной водопроводной воды, заливает ее в похожую на фен установку и вставляет вилку в обычную розетку. Вместо теплого воздуха из “фена” выдуваются язычки пламени.
Дав зрителям время, чтобы справиться с удивлением, автор предлагает желающим попробовать на вкус воду и полностью разобрать прибор. Добровольные эксперты подтверждают: вода не содержит примесей спирта, бензина или чего бы то ни было иного, а прибор есть просто набор металлических деталей — без потайных резервуарчиков с нефтью.

Но вода в нем горит.

Точнее, горит водород в присутствии кислорода, а оба газа образуются в результате разрушения молекул воды.
— Вода — это просто очередной вид топлива, как дрова, торф, нефть или бензин, — рассказывает автор изобретения. — При использовании нефти или бензина, то есть углеводородов, энергия выделяется за счет сгорания водорода. Поскольку вода — это самое распространенное в природе соединение водорода с кислородом, откуда же этот водород брать, если не из воды?
Евгений Портнов предлагает каждому читателю “НГ” поставить простой опыт: утром, сняв с огня закипевший чайник, поднести к пару горящую спичку. На полкухни, конечно, не полыхнет, но яркие искры-вспышки будут заметны. Это и есть водород, оторвавшийся от молекул воды, потому что при переходе жидкости в газообразное состояние ослабляются межмолекулярные связи.
— Чтобы получить газообразный водород, эту связь нужно вообще разорвать, — популярно объясняет автор. — Физики вместо молотка и зубила часто используют различные виды энергии — от радиочастот до светового излучения, включая тепловую и электромагнитную энергию. В этом и заключается мое изобретение.

Вообще-то получать водород из воды ученые мужи научились еще в ХVII веке. И первые двигатели внутреннего сгорания были водородными: водородный двигатель сконструировал изобретатель Франсуа Исаак де Риваз еще в 1806 году. А первый бензиновый двигатель появился спустя полвека.
Француз де Риваз получал необходимый ему для опытов водород электролизом воды — путем пропускания через нее мощной электрической искры. Для выделения водорода путем электролиза требуется огромное количество электрической энергии, что и поныне делает водородные двигатели очень дорогим удовольствием.
Есть, правда, еще несколько способов добыть горючий газ, но и они затратны: паровая конверсия природного газа (водяной пар при температуре под 1000 градусов смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора), газификация угля (уголь нагревают с водяным паром при такой же температуре без доступа воздуха) и тому подобное.
Но не только сложность получения газа мешает человечеству пересесть на водородный транспорт и заменить АЭС водородными электростанциями. Водород в смеси с воздухом образует крайне взрывоопасную смесь. Собирать и транспортировать ее опасно, а хранить, как выяснилось, не в чем: молекулы этого газа запросто проникают в металлические поры привычных человеку емкостей.
— Зачем собирать, хранить и куда-то везти водород, если вокруг нас полно воды? — удивляется Евгений Портнов. — Вон сколько луж!
Про лужи — это без преувеличения. Установка Портнова действительно не нуждается в предварительной очистке или подготовке воды. Работает на любой, в том числе загрязненной промышленными отходами. Из одного литра воды получается около 1280 литров водорода и 860 литров кислорода, то есть два куба газа. При этом теплота сгорания водорода в кислороде существенно выше, чем теплота сгорания метана.

Не дымит, а парит

Экологам водородные двигатели тоже понравились бы, потому что единственный продукт горения водорода в кислороде — водяной пар.
Мне рисуется заманчивая перспектива: чем активнее в городе дорожное движение, тем чище воздух. На парковках, взламывая асфальт, растут деревья, атомобилисты братаются с “зелеными”.
Воображение услужливо подсказывает, что произойдет дальше: рушатся и перестраиваются устои современной цивилизации. Терпят крах нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность, разваливается всемирная энергосистема, массово разоряются нефтедобывающие государства.
— На тот момент, когда мы подавали заявку, в мире насчитывалось около полутора десятков изобретений такого же рода, — подтверждает мои догадки представляющий интересы Евгения Портнова евразийский патентный поверенный Валерий Самцов. — К сожалению, социального заказа на подобные изобретения нет. В том числе и в нашей стране.
— Вы с детства привыкли, что автомобиль — это некое устройство, в бензобак которого надо залить дорогой бензин, — приводит пример Евгений Портнов. — Кстати, двигатель на бензине работает с весьма низким коэффициентом полезного действия — около 30 процентов. Электродвигатель имеет самый высокий КПД, некоторые модели достигают 98 процентов. Однако электромобили не пользуются массовым спросом. Почему? Да просто потому, что это непривычно.
В случае с водородной энергетикой прогресс тормозит не только инертность массового сознания, но и отсутствие системы стандартов. Никто в Беларуси пока не знает, каким параметрам должна соответствовать система отопления или кухонная плита на водороде. И никто пока не ставит перед Госстандартом задачу подвести под водородную технику некую нормативную базу.

Источник