Что образуется при сжигании водорода

Экологические проблемы сжигания водорода

Все мы знаем формулу Н2О. Некоторые еще знают, что при сжигании водорода выделяется энергия (около 140 МДж/кг). Особо упоротые еще знают, что водород производят на водородных станциях, а кислород на кислородных станциях.
Еще кто-то слышал, что это самое экологичное топливо, так как выхлоп целиком состоит из водяного пара Н2О.
На этом «знания» заканчиваются.

Про то, что водяной пар — это главный парниковый газ я писал тут:
https://smart-lab.ru/blog/659641.php

Теперь перейдем непосредственно к самому процессу сжигания.
Приблизительно процесс описывается формулой 2H2 + O2 = 2H2O + E
Проблема в том, что при сжигании водорода используют не чистый водород, а атмосферный воздух.
атмосферный воздух состоит из азота на 78%, кислорода на 21 % — кислород. 1% приходится на другие газы, включая ныне нелюбимый всеми СО2.

Так что же происходит?
Всё дело в том, что при температуре горения более 600 оС, а особенно после 1500оС начинается реакция азота и кислорода:

тепловой эффект реакции −180,9 кДж
NO не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином, подобно угарному газу переводя его в форму, не способную переносить кислород.
При комнатной температуре и атмосферном давлении происходит окисление NO кислородом воздуха:

Оксид азота (IV) NO2 (диоксид азота; двуокись азота) в высоких концентрациях раздражает лёгкие и может привести к серьёзным последствиям для здоровья. NO2 соединяется с водой, хорошо растворяется в жире и может проникать в капилляры лёгких, где он вызывает воспаление и астматические процессы. Концентрация NO2 свыше 200 ppm считается летальной, но уже при концентрации свыше 60 ppm могут возникать неприятные ощущения и жжение в лёгких. Долговременное воздействие более низких концентраций может вызывать головную боль, проблемы с пищеварением, кашель и лёгочные заболевания.
В клинике острого отравления оксидами азота различают четыре периода: латентный, нарастания отёка лёгких, стабилизации и обратного развития[3]. В скрытом периоде мнимого благополучия, который может продолжаться 4—12 часов, больного может беспокоить конъюнктивит, ринит и фарингит за счёт раздражения слизистых оболочек, проявляющиеся кашлем, слезотечением, общим недомоганием, однако его общее состояние в целом удовлетворительное. Затем состояние больного ухудшается: по мере развития отёка лёгких появляется влажный кашель со слизистой или кровянистой мокрота, одышка, цианоз, тахикардия, субфебрильное или фебрильное повышение температуры. Возникает чувство страха, психомоторное возбуждение и судороги. В отсутствие квалифицированной медицинской помощи это может привести к летальному исходу.

Токсичность! Оксид азота (II) — ядовитый газ с удушающим действием.

Ответствен за смог!
Смог — это чрезмерное загрязнение воздуха вредными веществами, выделенными в результате работы промышленных производств, транспортом и теплопроизводящими установками при определённых погодных условиях. Выбросы NOx считаются одной из основных причин образования фотохимического смога:

ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%BE%D0%B3
Но это мелочи!
Соединяясь с парами воды в атмосфере, NOx образуют азотную кислоту, и, вместе с оксидами серы, являются причиной образования кислотных дождей.
Лес после кислотного дождя:

Именно по оксидам азота сильно ударили экологические нормы ЕВРО, начиная с ЕВРО-3:

ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B2%D1%80%D0%BE-6

И так, а что же при сжигании водорода?
Температура более 1500 градусов, что приводит к недопустимо высоким выбросам NOx.

при горении водорода в воздухе достигается температура около 2000°С.

(Кстати, эти любимые всеми клапана EGR в автомобилях как раз и призваны снижать образование оксидов азота)

Особо забавно читать выводы по эксплуатации экспериментальных энергических установок на водороде:

Газовая турбина на водороде

Ключевая технология, необходимая для масштабного использования водорода в газовой электроэнергетике, – водородная турбина. По оценке компании Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), на существующих газотурбинных установках можно увеличить долю водорода до 20% в смеси его с природным газом без существенных изменений в конструкции. MHPS успешно испытала в Японии сверхмощную газовую турбину серии J в работе на топливной смеси из природного газа (70%) и водорода (30%). Испытания были проведены на заводе в Такасаго на парогазовой установке мощностью 700 МВт (КПД – 63% с температурой газов после камеры сгорания ГТУ – 1600°C). Для сжигания топлива использовались горелки с вихревым перемешиванием. Благодаря водороду выбросы CO2 сократились на 10%, а выбросы оксидов азота, по мнению компании, «остались на удовлетворительном уровне».

Т.е. если мы меняем смесь природного газа и водорода на (60%) и (40%), то очевидно что выбросы оксидов азота, даже по мнению компании оказываются уже на каком-то совершенно неприличном уровне!

Кстати, ранее именно из-за оксидов азота был похоронен проект автомобиля на газотурбинном двигателе:

Источник

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.

Вам будет интересно: Эрвин Роммель, немецкий генерал-фельдмаршал: биография, семья, военная карьера, причина смерти

Водород — это самый легкий химический элемент, состоящий всего из одного протона и одного электрона. При нормальных условиях (давление 1 атм., температура 0 oC) 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).

Вам будет интересно: Чтение вслух: польза для взрослых и детей. Тексты для развития речи и дикции

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).

Вам будет интересно: Кемерово: история города, основание, интересные факты, фото

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:

Процентное содержание газов в горючей смеси

Вам будет интересно: Методика преподавания математики в школе: особенности и рекомендации

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 oC для смеси с 19,6 % H2. То есть температура горения водорода в воздухе выше 2000 oC (для других концентраций она может достигать 2500 oC), и в сравнении с бензиновой смесью — это огромная цифра (для бензина около 800 oC). Если сжигать водород в чистом кислороде, то температура пламени будет еще выше (до 2800 oC).

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 м3 этого газа весит всего 90 грамм. Если сжечь этот 1 м3 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

Химия пламени

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее — такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ — бертолетова соль (хлорат калия KClO₃); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO₃: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения — калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N₂O₄ — компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор — один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H₂ + Cl₂ = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул — так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H₂ → HCl + H,
H + Cl₂ → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl₂. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона — это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О₂ = О₃, которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами — водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом — зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде — 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость — субнитрид углерода С₄N₂ (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно — так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц — осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О₂, Н₂, О₃, Н₂О₂, Н₂О, активных частиц Н, О, ОН, НО₂. Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом — первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности — углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода — метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С₈Н₁₈ → С₂Н₅ + С₆Н₁₃. Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С₂Н₂ + О → СН₂ + СО, СН₂ + О₂ → СО₂ + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С₂Н₂, С₂Н, С₂. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С₂ и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С₂Н + С₂Н₂ → С₄Н₂ + Н, С₂Н + С₄Н₂ → С₆Н₂ + Н и т. д.

Источник