ერთ-ერთი აქტუალური პრობლემაა გარემოს დაბინძურება და ორგანული წარმოშობის შეზღუდული ენერგორესურსები. ამ პრობლემების გადაჭრის პერსპექტიული გზა წყალბადის ენერგიის წყაროდ გამოყენებაა. სტატიაში განვიხილავთ წყალბადის წვის საკითხს, ამ პროცესის ტემპერატურასა და ქიმიას.
რა არის წყალბადი?
სანამ განვიხილავთ კითხვას, თუ რა არის წყალბადის წვის ტემპერატურა, უნდა გვახსოვდეს რა არის ეს ნივთიერება.
წყალბადი არის ყველაზე მსუბუქი ქიმიური ელემენტი, რომელიც შედგება მხოლოდ ერთი პროტონისა და ერთი ელექტრონისაგან. ნორმალურ პირობებში (წნევა 1 ატმ., ტემპერატურა 0 oC) ის იმყოფება აირისებრ მდგომარეობაში. მისი მოლეკულა (H2) წარმოიქმნება ამ ქიმიური ელემენტის 2 ატომისგან. წყალბადი არის მე-3 ყველაზე უხვი ელემენტი ჩვენს პლანეტაზე და პირველი სამყაროში (მატერიის დაახლოებით 90%).
წყალბადის გაზი (H2)უსუნო, უგემოვნო და უფერო. ის არ არის ტოქსიკური, თუმცა, როცა ატმოსფერულ ჰაერში მისი შემცველობა რამდენიმე პროცენტია, მაშინ ადამიანს ჟანგბადის ნაკლებობის გამო შეიძლება დაემართოს დახრჩობა.
საინტერესოა აღინიშნოს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ქიმიური თვალსაზრისით, ყველა H2 მოლეკულა იდენტურია, მათი ფიზიკური თვისებები გარკვეულწილად განსხვავებულია. ეს ყველაფერი ეხება ელექტრონის სპინების ორიენტაციას (ისინი პასუხისმგებელნი არიან მაგნიტური მომენტის გამოჩენაზე), რომელიც შეიძლება იყოს პარალელური და ანტიპარალელური, ასეთ მოლეკულას შესაბამისად ორთო- და პარაჰიდროგენი ეწოდება.
წვის ქიმიური რეაქცია
წყალბადის ჟანგბადთან წვის ტემპერატურის საკითხის გათვალისწინებით, წარმოგიდგენთ ქიმიურ რეაქციას, რომელიც აღწერს ამ პროცესს: 2H2 + O2=> 2H2O. ანუ რეაქციაში მონაწილეობს 3 მოლეკულა (ორი წყალბადი და ერთი ჟანგბადი), პროდუქტი კი წყლის ორი მოლეკულაა. ეს რეაქცია აღწერს წვას ქიმიური თვალსაზრისით და შეიძლება ვიმსჯელოთ, რომ მისი გავლის შემდეგ რჩება მხოლოდ სუფთა წყალი, რომელიც არ აბინძურებს გარემოს, როგორც ეს ხდება წიაღისეული საწვავის (ბენზინი, ალკოჰოლი) წვის დროს.
მეორეს მხრივ, ეს რეაქცია ეგზოთერმულია, ანუ წყლის გარდა გამოყოფს სითბოს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას მანქანებისა და რაკეტების მართვისთვის, ასევე ენერგიის სხვა წყაროებზე გადასატანად, მაგ. როგორც ელექტროენერგია.
წყალბადის წვის პროცესის მექანიზმი
აღწერია წინაშიაბზაცის ქიმიური რეაქცია ცნობილია ნებისმიერი საშუალო სკოლის მოსწავლისთვის, მაგრამ ეს არის ძალიან უხეში აღწერა იმ პროცესისა, რომელიც სინამდვილეში ხდება. გაითვალისწინეთ, რომ გასული საუკუნის შუა ხანებამდე კაცობრიობამ არ იცოდა, როგორ იწვის წყალბადი ჰაერში და 1956 წელს ნობელის პრემია მიენიჭა ქიმიის დარგში მისი შესწავლისთვის.
სინამდვილეში, თუ O2 და H2 მოლეკულები შეეჯახებიან, რეაქცია არ მოხდება. ორივე მოლეკულა საკმაოდ სტაბილურია. იმისათვის, რომ მოხდეს წვა და წყალი წარმოიქმნას, თავისუფალი რადიკალები უნდა არსებობდეს. კერძოდ, H, O ატომები და OH ჯგუფები. ქვემოთ მოცემულია რეაქციების თანმიმდევრობა, რომლებიც რეალურად ხდება წყალბადის წვის დროს:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
რას ხედავთ ამ რეაქციებიდან? როდესაც წყალბადი იწვის, წყალი წარმოიქმნება, დიახ, ეს ასეა, მაგრამ ეს ხდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ორი OH ატომის ჯგუფი ხვდება H2 მოლეკულას. გარდა ამისა, ყველა რეაქცია წარმოიქმნება თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნით, რაც ნიშნავს, რომ იწყება თვითშენარჩუნებული წვის პროცესი.
ასე რომ, ამ რეაქციის დაწყების გასაღები არის რადიკალების წარმოქმნა. ისინი ჩნდება, თუ ჟანგბად-წყალბადის ნარევს მიიტანთ დამწვარი ასანთი, ან თუ ამ ნარევს გააცხელებთ გარკვეულ ტემპერატურაზე.
საწყისი რეაქცია
როგორც აღინიშნა, ამის გაკეთების ორი გზა არსებობს:
- ნაპერწკლის დახმარებით, რომელიც უნდა უზრუნველყოს მხოლოდ 0,02 მჯ სითბო. ეს არის ძალიან მცირე ენერგეტიკული ღირებულება, შედარებისთვის ვთქვათ, რომ მსგავსი მნიშვნელობა ბენზინის ნარევისთვის არის 0,24 მჯ, ხოლო მეთანისთვის - 0,29 მჯ. წნევის კლებასთან ერთად იზრდება რეაქციის დაწყების ენერგია. ასე რომ, 2 კპა-ზე, ის უკვე არის 0,56 მჯ. ნებისმიერ შემთხვევაში, ეს არის ძალიან მცირე მნიშვნელობები, ამიტომ წყალბად-ჟანგბადის ნარევი ითვლება ძალიან აალებადი.
- ტემპერატურის დახმარებით. ანუ, ჟანგბად-წყალბადის ნარევი შეიძლება უბრალოდ გაცხელდეს და გარკვეულ ტემპერატურაზე მაღლა ის თავად აანთებს. როდის მოხდება ეს დამოკიდებულია წნევაზე და გაზების პროცენტზე. კონცენტრაციების ფართო დიაპაზონში ატმოსფერული წნევის დროს, სპონტანური წვის რეაქცია ხდება 773-850 K-ზე ზემოთ, ანუ 500-577 oC-ზე ზემოთ. ეს საკმაოდ მაღალი მნიშვნელობებია ბენზინის ნარევთან შედარებით, რომელიც იწყებს სპონტანურად აალებას უკვე 300 oC.
აირების პროცენტი წვად ნარევში
ჰაერში წყალბადის წვის ტემპერატურაზე საუბრისას, უნდა აღინიშნოს, რომ ამ აირების ყველა ნარევი არ შედის განსახილველ პროცესში. ექსპერიმენტულად დადგინდა, რომ თუ ჟანგბადის რაოდენობა მოცულობით 6%-ზე ნაკლებია, ან თუ წყალბადის რაოდენობა მოცულობით 4%-ზე ნაკლებია, მაშინ რეაქცია არ მოხდება. თუმცა, წვადი ნარევის არსებობის საზღვრები საკმაოდ ფართოა. ჰაერისთვის წყალბადის პროცენტული მაჩვენებელი შეიძლება მერყეობდეს 4,1%-დან 74,8%-მდე. გაითვალისწინეთ, რომ ზედა მნიშვნელობა უბრალოდ შეესაბამება ჟანგბადისთვის საჭირო მინიმუმს.
თუგანვიხილოთ სუფთა ჟანგბად-წყალბადის ნარევი, მაშინ საზღვრები აქ კიდევ უფრო ფართოა: 4, 1-94%.
აირების წნევის შემცირება იწვევს მითითებული ზღვრების შემცირებას (ქვედა ზღვარი იზრდება, ზედა ეცემა).
ასევე მნიშვნელოვანია გვესმოდეს, რომ ჰაერში წყალბადის (ჟანგბადის) წვის დროს მიღებული რეაქციის პროდუქტები (წყალი) იწვევს რეაგენტების კონცენტრაციის დაქვეითებას, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ქიმიური პროცესის შეწყვეტა..
წვის უსაფრთხოება
ეს არის აალებადი ნარევის მნიშვნელოვანი მახასიათებელი, რადგან ის საშუალებას გაძლევთ განსაჯოთ, არის თუ არა რეაქცია მშვიდი და მისი კონტროლირებადი, თუ პროცესი ფეთქებადია. რა განსაზღვრავს წვის სიჩქარეს? რა თქმა უნდა, რეაგენტების კონცენტრაციაზე, წნევაზე და ასევე "თესლის" ენერგიის რაოდენობაზე.
სამწუხაროდ, წყალბადს კონცენტრაციების ფართო დიაპაზონში შეუძლია ფეთქებადი წვა. ლიტერატურაში მოცემულია შემდეგი მაჩვენებლები: 18,5-59% წყალბადი ჰაერის ნარევში. უფრო მეტიც, ამ ლიმიტის კიდეებზე, დეტონაციის შედეგად, გამოიყოფა ენერგიის უდიდესი რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე.
წვის გამოხატული ბუნება დიდ პრობლემას წარმოადგენს ამ რეაქციის, როგორც ენერგიის კონტროლირებადი წყაროს გამოყენებისთვის.
წვის რეაქციის ტემპერატურა
ახლა პირდაპირ მივდივართ პასუხზე კითხვაზე, რა არის წყალბადის წვის ყველაზე დაბალი ტემპერატურა. ეს არის 2321 K ან 2048 oC ნარევი 19.6% H2. ანუ ჰაერში წყალბადის წვის ტემპერატურა უფრო მაღალია2000 oC (სხვა კონცენტრაციებისთვის შეიძლება მიაღწიოს 2500 oC) და ბენზინის ნარევთან შედარებით, ეს უზარმაზარი მაჩვენებელია (ბენზინისთვის დაახლოებით 800 oC). თუ წყალბადს დაწვავთ სუფთა ჟანგბადში, ცეცხლის ტემპერატურა კიდევ უფრო მაღალი იქნება (2800 oC-მდე).
ასეთი მაღალი ცეცხლოვანი ტემპერატურა წარმოადგენს კიდევ ერთ პრობლემას ამ რეაქციის ენერგიის წყაროდ გამოყენებისას, ვინაიდან ამჟამად არ არსებობს შენადნობები, რომლებსაც შეუძლიათ დიდხანს იმუშაონ ასეთ ექსტრემალურ პირობებში.
რა თქმა უნდა, ეს პრობლემა მოგვარებულია კარგად შემუშავებული გაგრილების სისტემის გამოყენებით იმ კამერისთვის, სადაც წყალბადის წვა ხდება.
გამოთავისუფლებული სითბოს რაოდენობა
როგორც წყალბადის წვის ტემპერატურის საკითხის ნაწილი, ასევე საინტერესოა მონაცემების მოწოდება ენერგიის რაოდენობის შესახებ, რომელიც გამოიყოფა ამ რეაქციის დროს. აალებადი ნარევის სხვადასხვა პირობებისა და შემადგენლობისთვის მიღებულ იქნა მნიშვნელობები 119 მჯ/კგ-დან 141 მჯ/კგ-მდე. იმის გასაგებად, თუ რამდენად არის ეს, ჩვენ აღვნიშნავთ, რომ ბენზინის ნარევის მსგავსი მნიშვნელობა არის დაახლოებით 40 MJ / კგ.
წყალბადის ნარევის ენერგეტიკული გამოსავალი გაცილებით მაღალია, ვიდრე ბენზინისთვის, რაც უზარმაზარი პლუსია მისი, როგორც საწვავი შიდა წვის ძრავებისთვის. თუმცა აქაც ყველაფერი ასე მარტივი არ არის. ეს ყველაფერი წყალბადის სიმკვრივეზეა, ის ძალიან დაბალია ატმოსფერულ წნევაზე. ასე რომ, 1 მ3 ამ აირის წონა მხოლოდ 90 გრამს იწონის. თუ დაწვავთ ამ 1 მ3 H2, მაშინ გამოიყოფა დაახლოებით 10-11 MJ სითბო, რაც უკვე 4-ჯერ ნაკლებია ვიდრე მაშინ. წვავს 1 კგ ბენზინს (1 ლიტრზე ოდნავ მეტი).
მოყვანილი ციფრები მიუთითებს, რომ წყალბადის წვის რეაქციის გამოსაყენებლად საჭიროა ვისწავლოთ ამ გაზის შენახვა მაღალი წნევის ცილინდრებში, რაც უკვე ქმნის დამატებით სირთულეებს როგორც ტექნოლოგიურად, ასევე უსაფრთხოების თვალსაზრისით.
წყალბადის აალებადი ნარევის გამოყენება ტექნოლოგიაში: პრობლემები
დაუყოვნებლივ უნდა ითქვას, რომ ამჟამად წყალბადის აალებადი ნარევი უკვე გამოიყენება ადამიანის საქმიანობის ზოგიერთ სფეროში. მაგალითად, როგორც დამატებითი საწვავი კოსმოსური რაკეტებისთვის, როგორც ელექტროენერგიის გამომუშავების წყარო, ასევე თანამედროვე მანქანების ექსპერიმენტულ მოდელებში. თუმცა, ამ განაცხადის მასშტაბები წიაღისეული საწვავთან შედარებით მცირეა და ზოგადად ექსპერიმენტული ხასიათისაა. ამის მიზეზი არ არის მხოლოდ წვის რეაქციის კონტროლის სირთულე, არამედ H2.
წყალბადი დედამიწაზე პრაქტიკულად არ არსებობს მისი სუფთა სახით, ამიტომ იგი უნდა იქნას მიღებული სხვადასხვა ნაერთებისგან. მაგალითად, წყლისგან. ეს არის საკმაოდ პოპულარული მეთოდი ამჟამად, რომელიც ხორციელდება ელექტრული დენის გავლის გზით H2O. მთელი პრობლემა ის არის, რომ ის მოიხმარს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე ამის მიღება შესაძლებელია H2.
დაწვით.
კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი პრობლემაა წყალბადის ტრანსპორტირება და შენახვა. ფაქტია, რომ ამ გაზს, მისი მოლეკულების მცირე ზომის გამო, შეუძლია "გაფრინდეს" ნებისმიერიკონტეინერები. გარდა ამისა, შენადნობების ლითონის გისოსებში მოხვედრა იწვევს მათ მყიფეობას. ამიტომ, H2 შესანახად ყველაზე ეფექტური გზაა ნახშირბადის ატომების გამოყენება, რომლებსაც შეუძლიათ მტკიცედ შეაერთონ "აუცილებელი" აირი.
ამგვარად, წყალბადის საწვავად გამოყენება მეტ-ნაკლებად ფართო მასშტაბით შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ იგი გამოიყენება ელექტროენერგიის „საწყობად“(მაგალითად, ქარისა და მზის ენერგიის წყალბადად გადაქცევა წყლის ელექტროლიზის გამოყენებით), ან თუ ისწავლით მიიტანეთ H2 კოსმოსიდან (სადაც ბევრია) დედამიწაზე.
