L'un des problèmes urgents est la pollution de l'environnement et la limitation des ressources énergétiques d'origine organique. Une voie prometteuse pour résoudre ces problèmes consiste à utiliser l'hydrogène comme source d'énergie. Dans l'article, nous examinerons la question de la combustion de l'hydrogène, la température et la chimie de ce processus.
Qu'est-ce que l'hydrogène ?
Avant de considérer la question de savoir quelle est la température de combustion de l'hydrogène, il est nécessaire de se rappeler ce qu'est cette substance.
L'hydrogène est l'élément chimique le plus léger, composé d'un seul proton et d'un seul électron. Dans des conditions normales (pression 1 atm., température 0 oC) il est présent à l'état gazeux. Sa molécule (H2) est formée de 2 atomes de cet élément chimique. L'hydrogène est le 3ème élément le plus abondant sur notre planète, et le 1er dans l'Univers (environ 90% de toute la matière).
Gaz hydrogène (H2)inodore, insipide et incolore. Il n'est pas toxique, cependant, lorsque sa teneur dans l'air atmosphérique est de quelques pour cent, une personne peut alors subir une suffocation due au manque d'oxygène.
Il est curieux de constater que si d'un point de vue chimique, toutes les molécules H2 sont identiques, leurs propriétés physiques sont quelque peu différentes. Tout dépend de l'orientation des spins des électrons (ils sont responsables de l'apparition d'un moment magnétique), qui peuvent être parallèles et antiparallèles, une telle molécule est appelée ortho- et parahydrogène, respectivement.
Réaction chimique de combustion
Considérant la question de la température de combustion de l'hydrogène avec l'oxygène, nous présentons une réaction chimique qui décrit ce processus: 2H2 + O2=> 2H2O. Autrement dit, 3 molécules participent à la réaction (deux hydrogène et un oxygène) et le produit est constitué de deux molécules d'eau. Cette réaction décrit la combustion d'un point de vue chimique, et on peut juger qu'après son passage, il ne reste que de l'eau pure, qui ne pollue pas l'environnement, comme cela se produit lors de la combustion de combustibles fossiles (essence, alcool).
D'autre part, cette réaction est exothermique, c'est-à-dire qu'en plus de l'eau, elle libère de la chaleur qui peut être utilisée pour faire fonctionner des voitures et des fusées, ainsi que pour la transférer vers d'autres sources d'énergie, telles que comme électricité.
Mécanisme du processus de combustion de l'hydrogène
Décrit dans le précédentLa réaction chimique du paragraphe est connue de tout élève du secondaire, mais il s'agit d'une description très approximative du processus qui se produit dans la réalité. Notez que jusqu'au milieu du siècle dernier, l'humanité ne savait pas comment l'hydrogène brûle dans l'air, et en 1956, le prix Nobel de chimie a été décerné pour son étude.
En fait, si les molécules O2 et H2 entrent en collision, aucune réaction ne se produira. Les deux molécules sont assez stables. Pour qu'une combustion se produise et que de l'eau se forme, des radicaux libres doivent exister. En particulier, les atomes H, O et les groupes OH. Voici une séquence de réactions qui se produisent réellement lorsque l'hydrogène est brûlé:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Que voyez-vous de ces réactions ? Lorsque l'hydrogène brûle, de l'eau se forme, oui, c'est vrai, mais cela ne se produit que lorsqu'un groupe de deux atomes OH rencontre une molécule H2. De plus, toutes les réactions se produisent avec la formation de radicaux libres, ce qui signifie que le processus de combustion auto-entretenue démarre.
Donc, la clé pour déclencher cette réaction est la formation de radicaux. Ils apparaissent si vous apportez une allumette brûlante à un mélange oxygène-hydrogène, ou si vous chauffez ce mélange au-dessus d'une certaine température.
Déclenchement de la réaction
Comme indiqué, il existe deux façons de procéder:
- Avec l'aide d'une étincelle qui ne devrait fournir que 0,02 mJ de chaleur. Il s'agit d'une très petite valeur énergétique, à titre de comparaison, disons que la valeur similaire pour un mélange d'essence est de 0,24 mJ et pour le méthane - 0,29 mJ. Lorsque la pression diminue, l'énergie d'amorçage de la réaction augmente. Donc, à 2 kPa, c'est déjà 0,56 mJ. Dans tous les cas, il s'agit de valeurs très faibles, de sorte que le mélange hydrogène-oxygène est considéré comme hautement inflammable.
- Avec l'aide de la température. Autrement dit, le mélange oxygène-hydrogène peut simplement être chauffé et, au-dessus d'une certaine température, il s'enflammera. Le moment où cela se produit dépend de la pression et du pourcentage de gaz. Dans une large gamme de concentrations à pression atmosphérique, la réaction de combustion spontanée se produit à des températures supérieures à 773-850 K, c'est-à-dire supérieures à 500-577 oC. Ce sont des valeurs assez élevées par rapport à un mélange d'essence, qui commence à s'enflammer spontanément déjà à des températures inférieures à 300 oC.
Pourcentage de gaz dans le mélange combustible
En ce qui concerne la température de combustion de l'hydrogène dans l'air, il convient de noter que tous les mélanges de ces gaz n'entreront pas dans le processus considéré. Il a été établi expérimentalement que si la quantité d'oxygène est inférieure à 6 % en volume, ou si la quantité d'hydrogène est inférieure à 4 % en volume, alors aucune réaction ne se produira. Cependant, les limites de l'existence d'un mélange combustible sont assez larges. Pour l'air, le pourcentage d'hydrogène peut aller de 4,1 % à 74,8 %. Notez que la valeur supérieure correspond juste au minimum requis pour l'oxygène.
Siconsidérons un mélange oxygène-hydrogène pur, alors les limites sont encore plus larges ici: 4, 1-94 %.
La réduction de la pression des gaz entraîne une réduction des limites spécifiées (la limite inférieure augmente, la supérieure diminue).
Il est également important de comprendre que lors de la combustion de l'hydrogène dans l'air (oxygène), les produits de réaction résultants (eau) entraînent une diminution de la concentration des réactifs, ce qui peut entraîner l'arrêt du processus chimique.
Sécurité combustion
Il s'agit d'une caractéristique importante d'un mélange inflammable, car elle vous permet de juger si la réaction est calme et contrôlable, ou si le processus est explosif. Qu'est-ce qui détermine le taux de combustion? Bien sûr, sur la concentration des réactifs, sur la pression, et aussi sur la quantité d'énergie de la "graine".
Malheureusement, l'hydrogène dans une large gamme de concentrations est capable de combustion explosive. Les chiffres suivants sont donnés dans la littérature: 18,5-59 % d'hydrogène dans le mélange d'air. De plus, aux limites de cette limite, à la suite de la détonation, la plus grande quantité d'énergie par unité de volume est libérée.
La nature marquée de la combustion pose un gros problème pour utiliser cette réaction comme source d'énergie contrôlée.
Température de réaction de combustion
Maintenant, nous arrivons directement à la réponse à la question, quelle est la température la plus basse de combustion de l'hydrogène. C'est 2321 K ou 2048 oC pour un mélange avec 19.6% H2. Autrement dit, la température de combustion de l'hydrogène dans l'air est plus élevée2000 oC (pour d'autres concentrations ça peut atteindre 2500 oC), et comparé à un mélange d'essence, c'est un chiffre énorme (pour l'essence environ 800 oC). Si vous brûlez de l'hydrogène dans de l'oxygène pur, la température de la flamme sera encore plus élevée (jusqu'à 2800 oC).
Une température de flamme aussi élevée présente un autre problème dans l'utilisation de cette réaction comme source d'énergie, car il n'existe actuellement aucun alliage capable de fonctionner longtemps dans des conditions aussi extrêmes.
Bien sûr, ce problème est résolu en utilisant un système de refroidissement bien conçu pour la chambre où se produit la combustion de l'hydrogène.
Quantité de chaleur dégagée
Dans le cadre de la question de la température de combustion de l'hydrogène, il est également intéressant de fournir des données sur la quantité d'énergie qui est dégagée lors de cette réaction. Pour différentes conditions et compositions du mélange combustible, des valeurs de 119 MJ/kg à 141 MJ/kg ont été obtenues. Pour comprendre combien cela représente, notons qu'une valeur similaire pour un mélange d'essence est d'environ 40 MJ / kg.
Le rendement énergétique d'un mélange d'hydrogène est bien supérieur à celui de l'essence, ce qui est un énorme plus pour son utilisation comme carburant pour les moteurs à combustion interne. Cependant, tout n'est pas si simple ici non plus. Tout est question de densité d'hydrogène, elle est trop faible à la pression atmosphérique. Ainsi, 1 m3 de ce gaz ne pèse que 90 grammes. Si vous brûlez ce 1 m3 H2, alors environ 10-11 MJ de chaleur seront libérés, ce qui est déjà 4 fois moins que lorsque brûlant 1 kg d'essence (un peu plus de 1 litre).
Les chiffres donnés indiquent que pour utiliser la réaction de combustion de l'hydrogène, il est nécessaire d'apprendre à stocker ce gaz dans des bouteilles à haute pression, ce qui crée déjà des difficultés supplémentaires, tant en termes de technologie que de sécurité.
L'utilisation d'un mélange combustible d'hydrogène dans la technologie: problèmes
Il faut dire tout de suite qu'à l'heure actuelle le mélange combustible hydrogène est déjà utilisé dans certains domaines de l'activité humaine. Par exemple, comme carburant supplémentaire pour les fusées spatiales, comme source de production d'énergie électrique, ainsi que dans les modèles expérimentaux de voitures modernes. Cependant, l'échelle de cette application est minuscule par rapport à celle des combustibles fossiles et est généralement de nature expérimentale. La raison en est non seulement la difficulté de contrôler la réaction de combustion elle-même, mais aussi le stockage, le transport et l'extraction de H2.
L'hydrogène sur Terre n'existe pratiquement pas sous sa forme pure, il doit donc être obtenu à partir de divers composés. Par exemple, de l'eau. C'est une méthode assez populaire à l'heure actuelle, qui consiste à faire passer un courant électrique à travers H2O. Tout le problème est que cela consomme plus d'énergie que ce qui peut être obtenu en brûlant H2.
Un autre problème important est le transport et le stockage de l'hydrogène. Le fait est que ce gaz, en raison de la petite taille de ses molécules, est capable de "s'envoler" de n'importe quelconteneurs. De plus, en pénétrant dans le réseau métallique des alliages, cela provoque leur fragilisation. Par conséquent, le moyen le plus efficace de stocker H2 est d'utiliser des atomes de carbone qui peuvent lier fermement le gaz "insaisissable".
Ainsi, l'utilisation de l'hydrogène comme carburant à plus ou moins grande échelle n'est possible que s'il est utilisé comme "stockage" d'électricité (par exemple, conversion de l'énergie éolienne et solaire en hydrogène par électrolyse de l'eau), ou si vous apprenez à livrer H2 depuis l'espace (où il y en a beaucoup) vers la Terre.
