Brændende brint

Brint anses for at være en af ​​de mest lovende brændstoftyper og har vist sig at være en effektiv og miljøvenlig energibærer . Fra et praktisk synspunkt er forbrænding af brint forbundet med dets anvendelse i kraftværker og brændselsceller og sikkerheden ved relevante teknologiske processer og anordninger [1] . Den specifikke forbrændingsvarme af brint er ca. 140 MJ/kg (øvre) eller 120 MJ/kg (lav), hvilket er flere gange højere end den specifikke forbrændingsvarme af kulbrintebrændstoffer (for metan  , ca. 50 MJ/kg).

Blandinger af brint med ilt eller luft er eksplosive og kaldes eksplosiv gas (navnet kommer af knallgas , it.  knall  - et højt brag, en skarp lyd af et skud eller eksplosion). Når den antændes af en gnist eller anden kilde, brænder en blanding af brint og luft af et lille volumen ekstremt hurtigt med et højt brag, som subjektivt opfattes som en eksplosion. I forbrændingsfysikken betragtes en sådan proces som langsom forbrænding eller deflagration , men eksplosiv gas er også i stand til at detonere , mens virkningen af ​​eksplosionen er meget stærkere.

De mest eksplosive blandinger med en sammensætning tæt på støkiometrisk , i en støkiometrisk blanding er der to mol brint pr. mol ilt, det vil sige under hensyntagen til det faktum, at i luft er forholdet mellem ilt og nitrogen og andre gasser, der ikke deltager i forbrænding efter volumen er cirka 21 %: 79 % = 1:3,72, så er volumenforholdet mellem brint og luft i eksplosiv gas i det støkiometriske forhold ≈0,42 [2] . Imidlertid er eksplosiv gas i stand til at brænde i en lang række brintkoncentrationer i luft, fra 4-9 volumenprocent i magre blandinger til 75% i rige blandinger. Omtrent inden for samme grænser er den i stand til at detonere [3] .

Den eksplosive gas antændes spontant ved atmosfærisk tryk og ved en temperatur på 510 °C. Ved stuetemperatur, i mangel af antændelseskilder (gnist, åben ild), kan eksplosiv gas opbevares på ubestemt tid, men den kan eksplodere fra den svageste kilde, da en gnist med en energi på 17 mikrojoule er nok til at igangsætte en eksplosion [4 ] . I betragtning af det faktum, at brint har evnen til at trænge ind i væggene i de beholdere, hvori det er opbevaret, for eksempel diffunderer gennem metalvæggene i en gasflaske og ikke har nogen lugt, bør man være ekstremt forsigtig, når man arbejder med det.

Henter

I 1766 opnåede Henry Cavendish brint i reaktionen mellem et metal og en syre:

.

Under laboratorieforhold kan eksplosiv gas opnås ved elektrolyse af vand i reaktionen:

.

Ansøgning

I det 19. århundrede blev det såkaldte drummond-lys brugt til belysning i teatre , hvor gløden blev opnået ved hjælp af en flamme af en ilt-brint-blanding rettet direkte mod en cylinder af brændt kalk , som kan opvarmes til høje temperaturer ( hvid varme ) uden at smelte . I flammen af ​​en ilt-brint-blanding nås en høj temperatur, og også i det 19. århundrede blev den brugt i blæselamper til smeltning af ildfaste materialer, skæring og svejsning af metaller. Men alle disse forsøg på at bruge eksplosiv gas var begrænset af, at den er meget farlig at håndtere, og der blev fundet sikrere muligheder for at løse disse problemer.

Brint betragtes i øjeblikket som et lovende brændstof til brintenergi . Når brint afbrændes, dannes der rent vand, så denne proces anses for at være miljøvenlig. De største problemer er relateret til det faktum, at omkostningerne ved produktion, opbevaring og transport af brint til stedet for dets direkte anvendelse er for høje, og under hensyntagen til alle faktorer, kan brint endnu ikke konkurrere med traditionelle kulbrintebrændstoffer.

Kinetisk diagram af brintforbrænding

Forbrændingen af ​​brint udtrykkes formelt ved den overordnede reaktion:

.

Denne overordnede reaktion beskriver imidlertid ikke forgrenede kædereaktioner, der forekommer i blandinger af brint med oxygen eller luft. Otte komponenter deltager i reaktionerne: H 2 , O 2 , H, O, OH , HO 2 , H 2 O , H 2 O 2 . Et detaljeret kinetisk skema af kemiske reaktioner mellem disse molekyler og atomer omfatter mere end 20 elementære reaktioner, der involverer frie radikaler i den reagerende blanding. I nærvær af nitrogen- eller kulstofforbindelser i systemet stiger antallet af komponenter og elementære reaktioner betydeligt.

På grund af det faktum, at mekanismen for brintforbrænding er en af ​​de enkleste i sammenligning med mekanismerne for forbrænding af andre gasformige brændstoffer, såsom syntesegas eller kulbrintebrændstoffer, og de kinetiske skemaer for forbrænding af kulbrintebrændstoffer inkluderer alle komponenter og elementære reaktioner fra mekanismen for forbrænding af brint, studeres det ekstremt intensivt af mange grupper af forskere [5] [6] [7] . Men på trods af mere end et århundredes forskningshistorie er denne mekanisme stadig ikke fuldt ud forstået.

Kritiske fænomener under tænding

Ved stuetemperatur kan en støkiometrisk blanding af brint og oxygen opbevares i en lukket beholder på ubestemt tid. Men når temperaturen i beholderen stiger over en vis kritisk værdi afhængig af trykket, antændes blandingen og brænder ekstremt hurtigt, med et lyn eller eksplosion. Dette fænomen fandt sin forklaring i teorien om kædereaktioner , som N. N. Semyonov og Cyril Hinshelwood blev tildelt Nobelprisen i kemi for i 1956 .

Afhængighedskurven mellem kritisk tryk og temperatur, ved hvilken selvantændelse af blandingen sker, har en karakteristisk Z-form, som vist på figuren. De nedre, midterste og øvre grene af denne kurve kaldes henholdsvis den første, anden og tredje brændbarhedsgrænse. Hvis kun de to første grænser tages i betragtning, så har kurven form som en halvø, og traditionelt kaldes dette mønster for antændelseshalvøen.

Kontroversielle teorier

I 1960'erne opdagede den amerikanske ingeniør William Rhodes angiveligt en "ny form" for vand kommercialiseret af Yull Brown, en bulgarsk fysiker, der emigrerede til Australien. "Brun gas", det vil sige en blanding af ilt og brint opnået i et vandelektrolyseapparat, blev erklæret i stand til at rense radioaktivt affald , brænde som brændstof, slappe af muskler og stimulere frøspiring [9] . Efterfølgende fremsatte den italienske fysiker Ruggero Santilli ( en: Ruggero Santilli ) en hypotese, der hævder eksistensen af ​​en ny form for vand i form af "HHO-gas", det vil sige en kemisk struktur af formen (H × H - O ), hvor "×" repræsenterer en hypotetisk magnetisk binding, og "-"- den sædvanlige kovalente binding . Santillis artikel, publiceret i det autoritative peer-reviewede tidsskrift International Journal of Hydrogen Energy [10] , modtog hård kritik fra kolleger, der kaldte Santillis påstande pseudovidenskabelige [11] , men nogle andre videnskabsmænd støttede Santilli [12] [13] .

Noter

  1. ↑ Sánchez, Williams - anmeldelse, 2014 .
  2. ↑ Ligningen for forbrændingen af ​​en støkiometrisk hydrogen-luftblanding: 0,21 2H 2 + 0,21 O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42 H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et al., Hydrogen: combustion and explosion parameters, 2008 , s. 85.196.
  4. ↑ Korolchenko, Brand- og eksplosionsfare for stoffer, 2004 , s. 311.
  5. ↑ Konnov AA Resterende usikkerheder i den kinetiske mekanisme ved brintforbrænding  // Forbrænding og flamme . - Elsevier, 2008. - Vol. 152, nr. 4 . - s. 507-528. - doi : 10.1016/j.combustflame.2007.10.024 .
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion  // Journal of Propulsion and Power. - American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. - Vol. 27, nr. 2 . - S. 383-395. - doi : 10.2514/1.48553 .
  7. ↑ Burke MP, Chaos M., Ju Y., Dryer FL, Klippenstein SJ Omfattende H 2 /O 2 -kinetisk model for højtryksforbrænding  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Vol. 44, nr. 7 . - S. 444-474. - doi : 10.1002/kin.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elbe, Combustion, flames and explosions in gases, 1968 , s. 35.
  9. ↑ Ball, Philip. Atomaffald får stjerneopmærksomhed  (engelsk)  // Nature  : journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/news060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. En ny gasformig og brændbar form for vand  (engelsk)  // International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - Bd. 31 , nr. 9 . - S. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Kommentarer til "A new gaseous and combustible form of water" af RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : journal. - 2006. - 3. november ( bind 32 , nr. 9 ). - S. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Arkiveret fra originalen den 1. august 2013.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. En kemikers syn på JM Calos kommentarer til: "A new gaseous and combustible form of water" af RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128  )  // International Journal of Hydrogen energy  : journal. - 2008. - Bd. 33 , nr. 2 . - S. 922-926 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.11.009 . Arkiveret fra originalen den 20. marts 2012.
  13. ↑ JV Kadeisvili. Afvisning af JM Calos kommentarer til RM Santillis HHO papir  // International Journal of Hydrogen Energy  :  tidsskrift. - 2008. - Bd. 33 , nr. 2 . - P. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Arkiveret fra originalen den 20. marts 2012.

Litteratur

Anmeldelser

Links