Керектүү көйгөйлөрдүн бири айлана-чөйрөнүн булганышы жана органикалык келип чыккан энергетикалык ресурстардын чектелгендиги. Бул проблемаларды чечуунун перспективалуу жолу суутекти энергия булагы катары пайдалануу болуп саналат. Макалада биз суутектин күйүү маселесин, бул процесстин температурасын жана химиясын карайбыз.
Суутек деген эмне?
Суутектин күйүү температурасы кандай деген суроону кароодон мурун бул зат эмне экенин эстен чыгарбоо керек.
Суутек бир протон жана бир электрондон турган эң жеңил химиялык элемент. Кадимки шарттарда (басым 1 атм., температура 0 oC) газ абалында болот. Анын молекуласы (H2) бул химиялык элементтин 2 атомунан түзүлөт. Суутек планетабызда эң көп таралган 3-элемент жана Ааламда 1-орунда (бардык заттын 90%ке жакыны).
Суутек газы (H2)жытсыз, даамсыз жана түссүз. Ал уулуу эмес, бирок атмосфералык абада анын мазмуну бир нече пайызды түзсө, адам кычкылтектин жетишсиздигинен улам муунуп калышы мүмкүн.
Белгилей кетчү нерсе, химиялык көз караштан алганда, бардык H2 молекулалары окшош болгону менен, алардын физикалык касиеттери бир аз башкача. Кеп электрон спиндердин (алар магниттик моменттин пайда болушуна жооптуу) багыты жөнүндө болуп жатат, алар параллель жана антипараллель болушу мүмкүн, мындай молекула тиешелүүлүгүнө жараша орто- жана парагидроген деп аталат.
Күйүү химиялык реакция
Суутектин кычкылтек менен күйүү температурасы жөнүндөгү суроону карап, биз бул процессти сүрөттөгөн химиялык реакцияны сунуштайбыз: 2H2 + O2=> 2H2O. Башкача айтканда, реакцияга 3 молекула катышат (эки суутек жана бир кычкылтек), ал эми продукт эки суу молекуласы. Бул реакция күйүүнү химиялык көз караштан сүрөттөйт жана ал өткөндөн кийин казылып алынган отундарды (бензин, спирт) күйгүзгөндөй айлана-чөйрөнү булгабаган таза суу гана калат деп айтууга болот.
Ал эми бул реакция экзотермиялык, башкача айтканда, суудан тышкары, унааларды жана ракеталарды башкарууга, ошондой эле аны энергиянын башка булактарына берүү үчүн колдонула турган жылуулуктун бир бөлүгүн бөлүп чыгарат. электр энергиясы катары.
Суутектин күйүү процессинин механизми
Мурункуда сүрөттөлгөнабзац химиялык реакция ар бир мектеп окуучусуна белгилүү, бирок бул иш жүзүндө пайда болгон жараяндын өтө одоно сүрөттөлүшү. Эскерте кетсек, өткөн кылымдын ортосуна чейин адамзат абада суутек кантип күйөрүн билчү эмес жана 1956-жылы аны изилдегени үчүн химия боюнча Нобель сыйлыгы ыйгарылган.
Чындыгында, O2 жана H2 молекулалары кагылышканда эч кандай реакция болбойт. Эки молекула тең туруктуу. Күйүү жана суу пайда болушу үчүн эркин радикалдар болушу керек. Атап айтканда, H, O атомдору жана OH топтору. Төмөндө суутек күйгөндө пайда болуучу реакциялардын ырааттуулугу келтирилген:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Бул реакциялардан эмнени көрүп жатасыз? Суутек күйгөндө суу пайда болот, ооба, бул туура, бирок ал эки OH атомунун тобу H2 молекуласына жолукканда гана болот. Кошумчалай кетсек, бардык реакциялар эркин радикалдардын пайда болушу менен ишке ашат, бул өз алдынча күйүү процесси башталат дегенди билдирет.
Демек, бул реакцияны баштоонун ачкычы – радикалдардын пайда болушу. Алар күйүп жаткан ширенкени кычкылтек-суутек аралашмасына алып келсеңиз же бул аралашманы белгилүү бир температурадан жогору ысытсаңыз пайда болот.
Реакция башталууда
Белгиленгендей, муну жасоонун эки жолу бар:
- 0 гана камсыз кылууга тийиш болгон учкундун жардамы менен,02 мДж жылуулук. Бул өтө кичинекей энергетикалык чоңдук, салыштыруу үчүн, бензин аралашмасы үчүн окшош маани 0,24 мДж, ал эми метан үчүн - 0,29 мДж деп айталы. Басым азайган сайын реакциянын башталышы энергиясы көбөйөт. Ошентип, 2 кПа, ал буга чейин 0,56 мДж болуп саналат. Кандай болгон күндө да, бул өтө кичинекей маанилер, андыктан суутек-кычкылтек аралашмасы өтө тез күйүүчү деп эсептелет.
- Температуранын жардамы менен. Башкача айтканда, кычкылтек-суутек аралашмасын жөн эле ысытууга болот, ал эми белгилүү бир температурадан жогору ал өзүнөн өзү күйөт. Бул газдардын басымына жана пайызына жараша болот. Атмосфералык басымдагы концентрациялардын кеңири диапазондорунда өзүнөн өзү күйүү реакциясы 773-850 К, башкача айтканда, 500-577 oC жогору температурада жүрөт. Бул 300 oC.
төмөн температурада өзүнөн-өзү күйө баштаган бензин аралашмасына салыштырмалуу өтө жогору маанилер.
Күйүүчү аралашмадагы газдардын пайызы
Абадагы суутектин күйүү температурасы жөнүндө айта турган болсок, бул газдардын ар бир аралашмасы каралып жаткан процесске кирбей тургандыгын белгилей кетүү керек. Эгерде кычкылтектин көлөмү көлөм боюнча 6%тен аз болсо, же суутек көлөмү көлөм боюнча 4%тен аз болсо, анда эч кандай реакция болбой тургандыгы эксперименталдык түрдө аныкталган. Бирок, күйүүчү аралашма бар чектер абдан кенен. Аба үчүн суутектин пайызы 4,1%дан 74,8%ке чейин болушу мүмкүн. Жогорку маани кычкылтек үчүн талап кылынган минимумга туура келерин эске алыңыз.
Эгертаза кычкылтек-суутек аралашмасын карап көрөлү, анда бул жерде чектер андан да кенен болот: 4, 1-94%.
Газдардын басымын азайтуу көрсөтүлгөн чектердин азайышына алып келет (төмөнкү чек көтөрүлөт, жогорку чеги төмөндөйт).
Абада (кычкылтек) суутек күйүү учурунда пайда болгон реакция продуктылары (суу) реагенттердин концентрациясынын төмөндөшүнө алып келерин, бул химиялык процесстин токтотулушуна алып келерин түшүнүү да маанилүү..
Күйүү коопсуздугу
Бул күйүүчү аралашманын маанилүү мүнөздөмөсү, анткени ал реакциянын тынч экенин жана башкара аларын же процесс жарылуучу экенин аныктоого мүмкүндүк берет. Күйүү ылдамдыгын эмне аныктайт? Албетте, реагенттердин концентрациясына, басымга, ошондой эле "тукумдун" энергия көлөмүнө.
Тилекке каршы, концентрациялардын кеңири диапазонундагы суутек жарылуу менен күйүүгө жөндөмдүү. Адабиятта төмөнкү цифралар келтирилген: абанын аралашмасында 18,5-59% суутек. Мындан тышкары, бул чектин четинде, жардыруу натыйжасында, көлөм бирдигине эң көп энергия бөлүнүп чыгат.
Күйүүнүн өзгөчө мүнөзү бул реакцияны энергиянын башкарылуучу булагы катары колдонууда чоң көйгөй жаратат.
Күйүү реакциясынын температурасы
Эми биз түздөн-түз суроонун жообуна келебиз, суутек күйүүнүн эң төмөнкү температурасы кандай. Бул 19,6% H2 аралашмасы үчүн 2321 K же 2048 oC. Башкача айтканда, абадагы суутектин күйүү температурасы жогору2000 oC (башка концентрациялар үчүн ал 2500 oC жетиши мүмкүн) жана бензин аралашмасы менен салыштырганда бул чоң көрсөткүч (бензин үчүн) болжол менен 800 oC). Эгер суутекти таза кычкылтекте күйгүзсөңүз, жалындын температурасы андан да жогору болот (2800 oC).
Мындай жогорку жалын температурасы бул реакцияны энергия булагы катары колдонууда дагы бир көйгөй жаратат, анткени учурда мындай экстремалдык шарттарда көпкө иштей турган эритмелер жок.
Албетте, бул көйгөй суутек күйүүчү камера үчүн жакшы иштелип чыккан муздатуу системасын колдонуу менен чечилет.
Бөлгөн жылуулуктун көлөмү
Суутектин күйүү температурасы жөнүндөгү суроонун бир бөлүгү катары бул реакциянын жүрүшүндө бөлүнүп чыккан энергиянын көлөмү жөнүндө маалыматтарды берүү да кызыктуу. Ар кандай шарттар жана күйүүчү аралашманын курамы үчүн 119 МДж/кгдан 141 МДж/кгга чейинки маанилер алынган. Бул канча экенин түшүнүү үчүн, бензин аралашмасы үчүн окшош маани болжол менен 40 МДж/кг экенин белгилейбиз.
Суутек аралашмасынын энергия рентабелдүүлүгү бензинге караганда алда канча жогору, бул аны ичтен күйүүчү кыймылдаткычтар үчүн отун катары колдонуу үчүн чоң плюс. Бирок, бул жерде да баары ушунчалык жөнөкөй эмес. Мунун баары суутектин тыгыздыгына байланыштуу, ал атмосфералык басымда өтө төмөн. Демек, бул газдын 1 м3 салмагы болгону 90 граммды түзөт. Эгер сиз бул 1 м3 H2 күйгүзсөңүз, анда болжол менен 10-11 МДж жылуулук бөлүнүп чыгат, бул мурункуга караганда 4 эсе аз. күйүү 1 кг бензин (1 литрден бир аз ашык).
Берилген цифралар суутектин күйүү реакциясын колдонуу үчүн бул газды жогорку басымдагы баллондордо сактоону үйрөнүү зарыл экенин көрсөтүп турат, бул ансыз да технология жагынан да, коопсуздук жагынан да кошумча кыйынчылыктарды жаратууда.
Технологияда күйүүчү суутек аралашмасын колдонуу: көйгөйлөр
Учурда суутектин күйүүчү аралашмасы адам ишинин кээ бир тармактарында колдонулуп жатканын дароо айтуу керек. Мисалы, космостук ракеталар үчүн кошумча отун катары, электр энергиясын иштеп чыгуу булактары катары, ошондой эле заманбап машиналардын эксперименталдык моделдеринде. Бирок, бул өтүнмөнүн масштабы казылып алынган күйүүчү майларга салыштырмалуу аз жана жалпысынан эксперименталдык мүнөзгө ээ. Мунун себеби күйүү реакциясынын өзүн башкаруудагы кыйынчылык гана эмес, ошондой эле H2 сактоо, ташуу жана алууда.
Жердеги суутек анын таза түрүндө дээрлик жок, ошондуктан аны ар кандай кошулмалардан алуу керек. Мисалы, суудан. Бул H2O аркылуу электр тогун өткөрүү менен ишке ашырылган азыркы учурда кыйла популярдуу ыкма. Бардык маселе бул H2 күйгүзүү менен алууга мүмкүн болгон энергиядан көбүрөөк энергияны керектөөдө.
Дагы бир орчундуу проблема суутекти ташуу жана сактоо. Чындыгында бул газ молекулаларынын кичинекейлигинен улам каалаган жерден «учуп» кете алат.контейнерлер. Мындан тышкары, эритмелердин металл торлоруна кирип, алардын морттугуна себеп болот. Ошондуктан, H2 сактоонун эң эффективдүү жолу – бул "түшүнбөс" газды бекем байланыштыра алган көмүртек атомдорун колдонуу.
Ошентип, суутекти аздыр-көптүр чоң масштабда отун катары пайдалануу, эгерде ал электр энергиясын «сактоо» катары колдонулганда гана мүмкүн болот (мисалы, шамалдын жана күндүн энергиясын суутектин электролизинин жардамы менен суутекке айландыруу), же H2 ды космостон (ал көп жерде) Жерге жеткирүүнү үйрөнсөңөр.
