Uno de los problemas urgentes es la contaminación ambiental y la escasez de recursos energéticos de origen orgánico. Una forma prometedora de resolver estos problemas es utilizar hidrógeno como fuente de energía. En el artículo consideraremos el tema de la combustión del hidrógeno, la temperatura y la química de este proceso.
¿Qué es el hidrógeno?
Antes de considerar la cuestión de cuál es la temperatura de combustión del hidrógeno, es necesario recordar qué es esta sustancia.
El hidrógeno es el elemento químico más ligero y consta de un solo protón y un electrón. En condiciones normales (presión 1 atm., temperatura 0 oC) se presenta en estado gaseoso. Su molécula (H2) está formada por 2 átomos de este elemento químico. El hidrógeno es el tercer elemento más abundante en nuestro planeta y el primero en el Universo (alrededor del 90% de toda la materia).
Gas de hidrógeno (H2)inodoro, insípido e incoloro. No es tóxico, sin embargo, cuando su contenido en el aire atmosférico es de un pequeño porcentaje, entonces una persona puede experimentar asfixia debido a la f alta de oxígeno.
Es curioso notar que aunque desde un punto de vista químico, todas las moléculas H2 son idénticas, sus propiedades físicas son algo diferentes. Se trata de la orientación de los espines de los electrones (son los responsables de la aparición de un momento magnético), que pueden ser paralelos y antiparalelos, tal molécula se denomina orto y parahidrógeno, respectivamente.
Reacción química de combustión
Considerando la cuestión de la temperatura de combustión del hidrógeno con oxígeno, presentamos una reacción química que describe este proceso: 2H2 + O2=> 2H2O. Es decir, en la reacción participan 3 moléculas (dos de hidrógeno y una de oxígeno), y el producto son dos moléculas de agua. Esta reacción describe la combustión desde el punto de vista químico, y se puede juzgar que tras su paso sólo queda agua pura, que no contamina el medio ambiente, como ocurre durante la combustión de combustibles fósiles (gasolina, alcohol).
Por otro lado, esta reacción es exotérmica, es decir, además del agua, libera algo de calor que puede ser utilizado para impulsar automóviles y cohetes, así como para transferirlo a otras fuentes de energía, como como electricidad.
Mecanismo del proceso de combustión del hidrógeno
Descrito en el anteriorEl párrafo reacción química es conocido por cualquier estudiante de secundaria, pero es una descripción muy aproximada del proceso que ocurre en la realidad. Tenga en cuenta que hasta mediados del siglo pasado, la humanidad no sabía cómo se quema el hidrógeno en el aire, y en 1956 se otorgó el Premio Nobel de Química por su estudio.
De hecho, si las moléculas O2 y H2 chocan, no se producirá ninguna reacción. Ambas moléculas son bastante estables. Para que ocurra la combustión y se forme agua, deben existir radicales libres. En particular, átomos de H, O y grupos OH. La siguiente es una secuencia de reacciones que realmente ocurren cuando se quema hidrógeno:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
¿Qué ves en estas reacciones? Cuando el hidrógeno se quema, se forma agua, sí, así es, pero solo ocurre cuando un grupo de dos átomos de OH se encuentra con una molécula de H2. Además, todas las reacciones ocurren con la formación de radicales libres, lo que significa que comienza el proceso de combustión autosostenida.
Así que la clave para iniciar esta reacción es la formación de radicales. Aparecen si acercas una cerilla encendida a una mezcla de oxígeno e hidrógeno, o si calientas esta mezcla por encima de cierta temperatura.
Iniciando la reacción
Como se indicó, hay dos formas de hacer esto:
- Con la ayuda de una chispa que debería dar solo 0,02 mJ de calor. Este es un valor de energía muy pequeño, en comparación, digamos que el valor similar para una mezcla de gasolina es 0.24 mJ y para metano - 0.29 mJ. A medida que disminuye la presión, aumenta la energía de iniciación de la reacción. Entonces, a 2 kPa, ya son 0,56 mJ. En cualquier caso, se trata de valores muy pequeños, por lo que la mezcla hidrógeno-oxígeno se considera altamente inflamable.
- Con la ayuda de la temperatura. Es decir, la mezcla de oxígeno e hidrógeno simplemente se puede calentar y, por encima de cierta temperatura, se encenderá sola. Cuando esto sucede depende de la presión y porcentaje de gases. En un amplio rango de concentraciones a presión atmosférica, la reacción de combustión espontánea se produce a temperaturas superiores a 773-850 K, es decir, superiores a 500-577 oC. Estos son valores bastante altos en comparación con una mezcla de gasolina, que comienza a encenderse espontáneamente ya a temperaturas inferiores a 300 oC.
Porcentaje de gases en la mezcla combustible
Hablando de la temperatura de combustión del hidrógeno en el aire, cabe señalar que no todas las mezclas de estos gases entrarán en el proceso que se está considerando. Se ha establecido experimentalmente que si la cantidad de oxígeno es inferior al 6 % en volumen, o si la cantidad de hidrógeno es inferior al 4 % en volumen, no se producirá ninguna reacción. Sin embargo, los límites de la existencia de una mezcla combustible son bastante amplios. Para el aire, el porcentaje de hidrógeno puede oscilar entre el 4,1 % y el 74,8 %. Tenga en cuenta que el valor superior solo corresponde al mínimo requerido para el oxígeno.
SiConsidere una mezcla pura de oxígeno e hidrógeno, entonces los límites son aún más amplios aquí: 4, 1-94%.
Reducir la presión de los gases conduce a una reducción de los límites especificados (el límite inferior aumenta, el superior disminuye).
También es importante entender que durante la combustión de hidrógeno en el aire (oxígeno), los productos de reacción resultantes (agua) conducen a una disminución en la concentración de reactivos, lo que puede conducir a la terminación del proceso químico..
Seguridad de combustión
Esta es una característica importante de una mezcla inflamable, porque permite juzgar si la reacción es tranquila y puede controlarse, o el proceso es explosivo. ¿Qué determina la velocidad de combustión? Por supuesto, de la concentración de los reactivos, de la presión y también de la cantidad de energía de la "semilla".
Desafortunadamente, el hidrógeno en una amplia gama de concentraciones es capaz de una combustión explosiva. Las siguientes cifras se dan en la literatura: 18,5-59% de hidrógeno en la mezcla de aire. Además, en los bordes de este límite, como resultado de la detonación, se libera la mayor cantidad de energía por unidad de volumen.
La marcada naturaleza de la combustión presenta un gran problema para utilizar esta reacción como fuente controlada de energía.
Temperatura de reacción de combustión
Ahora llegamos directamente a la respuesta a la pregunta, ¿cuál es la temperatura más baja de combustión del hidrógeno? Es 2321 K o 2048 oC para una mezcla con 19,6% H2. Es decir, la temperatura de combustión del hidrógeno en el aire es mayor2000 oC (para otras concentraciones puede llegar a 2500 oC), y en comparación con una mezcla de gasolina, esta es una cifra enorme (para gasolina unos 800 oC). Si quema hidrógeno en oxígeno puro, la temperatura de la llama será aún mayor (hasta 2800 oC).
Una temperatura de llama tan alta presenta otro problema al utilizar esta reacción como fuente de energía, ya que actualmente no existen aleaciones que puedan funcionar durante mucho tiempo en condiciones tan extremas.
Por supuesto, este problema se resuelve utilizando un sistema de refrigeración bien diseñado para la cámara donde se produce la combustión del hidrógeno.
Cantidad de calor liberado
Como parte de la cuestión de la temperatura de combustión del hidrógeno, también es interesante proporcionar datos sobre la cantidad de energía que se libera durante esta reacción. Para diferentes condiciones y composiciones de la mezcla combustible se obtuvieron valores desde 119 MJ/kg hasta 141 MJ/kg. Para entender cuánto es esto, notamos que un valor similar para una mezcla de gasolina es de unos 40 MJ/kg.
El rendimiento energético de una mezcla de hidrógeno es mucho mayor que el de la gasolina, lo cual es una gran ventaja para su uso como combustible para motores de combustión interna. Sin embargo, aquí tampoco todo es tan sencillo. Se trata de la densidad del hidrógeno, es demasiado baja a la presión atmosférica. Entonces, 1 m3 de este gas pesa solo 90 gramos. Si quema este 1 m3 H2, se liberarán alrededor de 10-11 MJ de calor, que ya es 4 veces menos que cuando quemando 1 kg de gasolina (poco más de 1 litro).
Las cifras dadas indican que para utilizar la reacción de combustión del hidrógeno, es necesario aprender cómo almacenar este gas en cilindros de alta presión, lo que ya crea dificultades adicionales, tanto en términos de tecnología como de seguridad.
El uso de una mezcla combustible de hidrógeno en tecnología: problemas
Hay que decir enseguida que en la actualidad la mezcla combustible de hidrógeno ya se utiliza en algunos ámbitos de la actividad humana. Por ejemplo, como combustible adicional para cohetes espaciales, como fuentes para generar energía eléctrica, así como en modelos experimentales de automóviles modernos. Sin embargo, la escala de esta aplicación es minúscula en comparación con la de los combustibles fósiles y generalmente es de naturaleza experimental. La razón de esto no es solo la dificultad para controlar la reacción de combustión en sí misma, sino también en el almacenamiento, transporte y extracción de H2.
El hidrógeno en la Tierra prácticamente no existe en estado puro, por lo que debe obtenerse a partir de diversos compuestos. Por ejemplo, del agua. Este es un método bastante popular en la actualidad, que se lleva a cabo haciendo pasar una corriente eléctrica a través de H2O. Todo el problema es que esto consume más energía de la que se puede obtener quemando H2.
Otro problema importante es el transporte y almacenamiento de hidrógeno. El caso es que este gas, debido al pequeño tamaño de sus moléculas, es capaz de "salir volando" de cualquiercontenedores Además, al entrar en la red metálica de las aleaciones, provoca su fragilización. Por lo tanto, la forma más eficiente de almacenar H2 es usar átomos de carbono que puedan unir firmemente el gas "elusivo".
Por lo tanto, el uso de hidrógeno como combustible a una escala más o menos grande solo es posible si se usa como un "almacenamiento" de electricidad (por ejemplo, convertir la energía eólica y solar en hidrógeno usando la electrólisis del agua), o si aprendes, envía H2 desde el espacio (donde hay mucho) a la Tierra.
