Hořící vodík

Vodík je považován za jeden z nejslibnějších druhů paliva a ukázal se jako účinný a ekologický nosič energie . Z praktického hlediska je spalování vodíku spojeno s jeho využitím v elektrárnách a palivových článcích a bezpečností příslušných technologických procesů a zařízení [1] . Měrné spalné teplo vodíku je přibližně 140 MJ/kg (horní) nebo 120 MJ/kg (nízké), což je několikanásobně vyšší než měrné spalné teplo uhlovodíkových paliv (u metanu  asi 50 MJ/kg).

Směsi vodíku s kyslíkem nebo vzduchem jsou výbušné a nazývají se výbušným plynem (název pochází z knallgas , it.  knall  - hlasitá rána, ostrý zvuk výstřelu nebo výbuchu). Směs vodíku a vzduchu o malém objemu při zapálení jiskrou nebo jiným zdrojem extrémně rychle hoří s hlasitým třeskem, který je subjektivně vnímán jako výbuch. Ve fyzice spalování je takový proces považován za pomalé spalování nebo deflagraci , výbušný plyn je však také schopen detonace , zatímco účinek exploze je mnohem silnější.

Nejvýbušnější směsi se složením blízkým stechiometrickému , ve stechiometrické směsi jsou dva moly vodíku na mol kyslíku, to znamená s přihlédnutím ke skutečnosti, že ve vzduchu se poměr kyslíku a dusíku a dalších plynů nezúčastní objemové spalování je přibližně 21 % : 79 % = 1 : 3,72, pak objemový poměr vodíku ke vzduchu ve výbušném plynu ve stechiometrickém poměru je ≈0,42 [2] . Výbušný plyn je však schopen hořet v širokém rozmezí koncentrací vodíku ve vzduchu, od 4–9 objemových procent v chudých směsích po 75 % v bohatých směsích. Přibližně ve stejných mezích je schopen detonace [3] .

Výbušný plyn se samovolně vznítí při atmosférickém tlaku a teplotě 510 °C. Při pokojové teplotě, v nepřítomnosti zdrojů vznícení (jiskra, otevřený plamen) lze výbušný plyn skladovat neomezeně dlouho, ale může explodovat z nejslabšího zdroje, protože k iniciaci výbuchu stačí jiskra o energii 17 mikrojoulů [4 ] . Vzhledem k tomu, že vodík má schopnost pronikat stěnami nádob, ve kterých je skladován, například difundovat skrz kovové stěny plynové lahve a nemá žádný zápach, je třeba být při práci velmi opatrní. s tím.

Získání

V roce 1766 Henry Cavendish získal vodík při reakci kovu s kyselinou:

.

V laboratorních podmínkách lze výbušný plyn získat elektrolýzou vody v reakci:

.

Aplikace

V 19. století se pro svícení v divadlech používalo tzv. drummondové světlo , kde se záře získávala plamenem směsi kyslíku a vodíku namířeným přímo na válec nehašeného vápna , který lze zahřát na vysoké teploty ( bílé teplo ) bez tání . V plameni směsi kyslíku a vodíku se dosahuje vysoké teploty a také se v 19. století používal v foukačích k tavení žáruvzdorných materiálů, řezání a svařování kovů. Všechny tyto pokusy o použití výbušného plynu však byly omezeny tím, že manipulace s ním je velmi nebezpečná, a byly nalezeny bezpečnější možnosti řešení těchto problémů.

Vodík je v současnosti považován za perspektivní palivo pro vodíkovou energii . Při spalování vodíku vzniká čistá voda, proto je tento proces považován za ekologický. Hlavní problémy souvisí s tím, že náklady na výrobu, skladování a přepravu vodíku do místa jeho přímého použití jsou příliš vysoké a při zohlednění souhrnu faktorů zatím vodík nemůže konkurovat tradičním uhlovodíkovým palivům.

Kinetický diagram spalování vodíku

Spalování vodíku je formálně vyjádřeno celkovou reakcí:

.

Tato celková reakce však nepopisuje reakce s rozvětveným řetězcem probíhající ve směsích vodíku s kyslíkem nebo vzduchem. Reakcí se účastní osm složek: H 2 , O 2 , H, O, OH , HO 2 , H 2 O , H 2 O 2 . Podrobné kinetické schéma chemických reakcí mezi těmito molekulami a atomy zahrnuje více než 20 elementárních reakcí zahrnujících volné radikály v reakční směsi. V přítomnosti sloučenin dusíku nebo uhlíku v systému výrazně narůstá počet složek a elementárních reakcí.

Vzhledem k tomu, že mechanismus spalování vodíku je jeden z nejjednodušších ve srovnání s mechanismy spalování jiných plynných paliv, jako je syntézní plyn nebo uhlovodíková paliva, a kinetická schémata spalování uhlovodíkových paliv zahrnují všechny složky a elementární reakce z mechanismu spalování vodíku je mimořádně intenzivně studován mnoha skupinami výzkumníků [5] [6] [7] . Přes více než stoletou historii výzkumu však tento mechanismus stále není plně pochopen.

Kritické jevy při zážehu

Při pokojové teplotě lze stechiometrickou směs vodíku a kyslíku skladovat v uzavřené nádobě neomezeně dlouho. Když však teplota nádoby stoupne nad určitou kritickou hodnotu v závislosti na tlaku, směs se extrémně rychle vznítí a shoří, s bleskem nebo explozí. Tento jev našel své vysvětlení v teorii řetězových reakcí , za kterou byli N. N. Semjonov a Cyril Hinshelwood oceněni v roce 1956 Nobelovou cenou za chemii .

Křivka závislosti mezi kritickým tlakem a teplotou, při které dochází k samovznícení směsi, má charakteristický tvar Z, jak je znázorněno na obrázku. Spodní, střední a horní větev této křivky se nazývá první, druhá a třetí mez hořlavosti. Pokud se berou v úvahu pouze první dvě meze, pak má křivka tvar poloostrova a tradičně se tento vzor nazývá poloostrov zážehu.

Kontroverzní teorie

Americký inženýr William Rhodes v 60. letech údajně objevil „novou formu“ vody, kterou komercializoval Yull Brown, bulharský fyzik, který emigroval do Austrálie. „Hnědý plyn“, tedy ve skutečnosti směs kyslíku a vodíku získaná v přístroji pro elektrolýzu vody, byl prohlášen za schopný čistit radioaktivní odpad , hořet jako palivo, uvolňovat svaly a stimulovat klíčení semen [9] . Následně italský fyzik Ruggero Santilli ( en: Ruggero Santilli ) předložil hypotézu prohlašující existenci nové formy vody ve formě „plynu HHO“, tedy chemické struktury formy (H × H - O ), kde "×" představuje hypotetickou magnekulární vazbu a "- "- obvyklou kovalentní vazbu . Santilliho článek, publikovaný v autoritativním recenzovaném časopise International Journal of Hydrogen Energy [10] , vyvolal ostrou kritiku od kolegů, kteří označili Santilliho tvrzení za pseudovědecká [11] , ale někteří další vědci Santilliho podpořili [12] [13]. .

Poznámky

  1. ↑ Sánchez, Williams - recenze, 2014 .
  2. ↑ Rovnice pro spalování stechiometrické směsi vodíku a vzduchu: 0,21 2H 2 + 0,21 O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et al., Vodík: parametry spalování a výbuchu, 2008 , str. 85,196.
  4. ↑ Korolchenko, Nebezpečí požáru a výbuchu látek, 2004 , s. 311.
  5. ↑ Konnov AA Zbývající nejistoty v kinetickém mechanismu spalování vodíku  // Spalování a plamen . - Elsevier, 2008. - Sv. 152, č. 4 . - S. 507-528. - doi : 10.1016/j.combustflame.2007.10.024 .
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Aktualizovaný kinetický mechanismus pro vysokotlaké spalování vodíku  // Journal of Propulsion and Power. - Americký institut letectví a kosmonautiky, 2011. - Sv. 27, č. 2 . - S. 383-395. - doi : 10.2514/1.48553 .
  7. ↑ Burke MP, Chaos M., Ju Y., Dryer FL, Klippenstein SJ Komplexní kinetický model H 2 /O 2 pro vysokotlaké spalování  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Vol. 44, č. 7 . - S. 444-474. - doi : 10.1002/kin.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elbe, Spalování, plameny a výbuchy v plynech, 1968 , s. 35.
  9. ↑ Ball, Filipe. Jaderný odpad získává pozornost hvězd  (anglicky)  // Nature  : journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/news060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. Nová plynná a hořlavá forma vody  (anglicky)  // International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - Sv. 31 , č. 9 . - S. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Komentáře k „Nové plynné a hořlavé formě vody“ od RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : časopis. - 2006. - 3. listopadu ( roč. 32 , č. 9 ). - S. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Archivováno z originálu 1. srpna 2013.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. Pohled chemika na komentáře JM Cala k: „Nová plynná a hořlavá forma vody“ od RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128  )  // International Journal of Hydrogen energy  : journal. - 2008. - Sv. 33 , č. 2 . - S. 922-926 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.11.009 . Archivováno z originálu 20. března 2012.
  13. ↑ JV Kadeisvili. Vyvrácení komentářů JM Cala k práci RM Santilliho HHO  // International Journal of Hydrogen Energy  :  journal. - 2008. - Sv. 33 , č. 2 . - S. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Archivováno z originálu 20. března 2012.

Literatura

Recenze

Odkazy