Arderea h2. Arderea hidrogenului

Proton - lanț de protoni prezentată în fig. 14. Sub fiecare săgeată este dat fie timpul t pentru ca o anumită reacție să aibă loc în condiții solare, fie timpul de înjumătățire T 1/2 al nucleului. Calculul a fost efectuat folosind formulele (8) - (13) pentru cazul egalității maselor totale de hidrogen și heliu care intră în interacțiune, densitatea medie a substanței. ρ = 150 g/cm 3 și temperatura
T =1,5 ·10 7 K. Eliberarea de energie (energia de reacție Q) este dată pentru fiecare reacție.
Prima reacție din lanț este interacțiunea a două nuclee de hidrogen cu formarea unui deutron, pozitron și neutrin. Această reacție apare ca urmare a unei interacțiuni slabe și este decisivă în rata întregului lanț pp (t = 5,8 · 10 9 ani). În a doua etapă, ca urmare a interacțiunii deuteronului rezultat cu hidrogenul, se formează izotopul 3 He cu emisia unui -cuantic. Atunci poate fi realizată una dintre cele două posibilități. Cu o probabilitate de 69% apare următoarea reacție:

producând un flux de neutrini de înaltă energie disponibili pentru înregistrare. Energia totală (energia totală de reacție Q) eliberată ca urmare a sintezei izotopului 4 He din 4 protoni este de 24,7 MeV pentru lanțurile ppI, ppIII și 25,7 MeV pentru lanțul ppII. Pozitronii formați în timpul fuziunii se anihilează, crescând eliberarea de energie pentru toate lanțurile la 26,7 MeV.

În tabel Figura 8 prezintă valorile coeficientului S ij la E = 0 pentru unele reacții ale ciclului pp și incertitudinea în estimarea valorilor coeficienților corespunzători.

Tabelul 8

Valoarea coeficientului S ij în reacţiile ciclului pp

		Valorile S ij , MeV mb
p + p → d + e + + ν
3 El + 3 El → 4 El + 2p
3 El + 4 El → 7 Fi + γ
7 Fi + p → 8 B + γ

Valorile lui S ij și incertitudinile lor date în tabel oferă o idee despre complexitatea calculelor reacțiilor nucleare în stele și precizia obținută până în prezent.
Ciclul hidrogenului poate începe și cu reacția:

În stelele cu o masă mai mare decât cea a Soarelui, lanțul pp nu este principala sursă de energie.
Materia stelelor din a doua generație, împreună cu hidrogenul și heliul, conține elemente mai grele formate în reacțiile de ardere a hidrogenului și heliului și, în special, azot, carbon, oxigen, neon și altele. Aceste elemente joacă rolul de catalizatori în reacțiile de ardere a hidrogenului.
Când temperatura din centrul stelei se apropie de 20 de milioane K, în stele începe un lanț de reacții nucleare, în timpul cărora nucleele de carbon suferă o serie de transformări succesive, iar heliul se formează din hidrogen. Acest lanț de reacții se numește ciclu CNO.

Echilibru– (din balanța franceză – literal „scale”) – o expresie cantitativă a părților la orice proces care trebuie să se echilibreze reciproc. Cu alte cuvinte, echilibrul este echilibru, echilibrare. Procesele de ardere într-un incendiu respectă legile fundamentale ale naturii, în special, legile conservării masei și energiei.

Pentru a rezolva multe probleme practice, precum și pentru a efectua calcule tehnice de incendiu, este necesar să se cunoască cantitatea de aer necesară arderii, precum și volumul și compoziția produselor de ardere. Aceste date sunt necesare pentru a calcula temperatura de ardere a substanțelor, presiunea de explozie, presiunea de explozie în exces, concentrația flegmatizantă a flegmatizatorului și zona structurilor ușor de aruncat.

Metoda de calcul a bilanțului material al proceselor de ardere este determinată de compoziția și starea de agregare a substanței. Calculul are propriile sale caracteristici pentru compuși chimici individuali, pentru un amestec de gaze și pentru substanțe cu compoziție elementară complexă.

Compuși chimici individuali sunt substanţe a căror compoziţie poate fi exprimată formula chimica. Procesul de ardere în acest caz este calculat folosind ecuația reacției de ardere.

Când se compune ecuația reacției de ardere, trebuie amintit că în calculele tehnice ale focului se obișnuiește să se refere toate cantitățile la 1 mol de substanță inflamabilă. Acest lucru, în special, înseamnă că în ecuația reacției de ardere în fața substanței combustibile coeficientul este întotdeauna este egal cu 1.

Compoziția produselor de ardere depinde de compoziția materiei prime.

Elemente care alcătuiesc o substanță inflamabilă	Produse de ardere
Carbon CU	dioxid de carbon CO 2
Hidrogen N	Apă N 2 DESPRE
Sulf S	Oxid de sulf (IV). AŞA 2
Azot N	Azotul molecular N 2
Fosfor R	Oxid de fosfor (V). R 2 DESPRE 5
Halogeni F, Cl, Br, I	Halogenuri de hidrogen HCI, HF, HBr, HI

Arderea propanului în oxigen

Înregistrăm reacția de ardere:

CU 3 N 8 + O 2 = CO 2 + N 2 DESPRE

2. Într-o moleculă de propan sunt 3 atomi de carbon, din care se formează 3 molecule de dioxid de carbon.

CU 3 N 8 + O 2 = 3СО 2 + N 2 DESPRE

3. Există 8 atomi de hidrogen într-o moleculă de propan, din care se formează 4 molecule de apă:

CU 3 N 8 + O 2 = 3СО 2 + 4 ore 2 DESPRE

4. Numărați numărul de atomi de oxigen din partea dreaptă a ecuației

5. Ar trebui să existe și 10 atomi de oxigen în partea stângă a ecuației. Molecula de oxigen este formată din doi atomi, prin urmare, în fața oxigenului trebuie plasat un coeficient de 5.

CU 3 N 8 + 5О 2 = 3СО 2 + 4 ore 2 DESPRE

Coeficienții din ecuația de reacție se numesc coeficienți stoichiometriciși arată câți moli (kmol) de substanțe au participat la reacție sau s-au format ca rezultat al reacției.

Coeficientul stoichiometric, care indică numărul de moli de oxigen necesari pentru arderea completă a unei substanțe, este notat cu litera  .

În prima reacție  = 5.

Arderea glicerinei în oxigen

1. Notați ecuația reacției de ardere.

CU 3 N 8 DESPRE 3 + O 2 = CO 2 + N 2 DESPRE

2. Echivalează carbonul și hidrogenul:

CU 3 N 8 DESPRE 3 + O 2 = 3СО 2 + 4 ore 2 DESPRE.

3. Există 10 atomi de oxigen în partea dreaptă a ecuației.

Substanța combustibilă conține 3 atomi de oxigen, prin urmare, 10 – 3 = 7 atomi de oxigen trecuți din oxigen în produșii de ardere.

Astfel, în fața oxigenului este necesar să se pună un coeficient de 7: 2 = 3,5

CU 3 N 8 DESPRE 3 +3,5О 2 = 3СО 2 + 4 ore 2 DESPRE.

În această reacție  = 3,5.

Arderea amoniacului în oxigen

Amoniacul constă din hidrogen și azot, prin urmare, produsele de ardere vor conține apă și azot molecular.

N.H. 3 + 0,75 O 2 = 1,5 H 2 O + 0,5 N 2  = 0,75.

Vă rugăm să rețineți că substanța inflamabilă are un coeficient de 1 și toți ceilalți coeficienți din ecuație pot fi numere fracționale.

Arderea disulfurei de carbon în oxigen

Produse de combustie cu disulfură de carbon C.S. 2 vor fi dioxid de carbon și oxid de sulf (IV).

C.S. 2 + 3 O 2 = CO 2 + 2 AŞA 2  = 3.

Cel mai adesea, în condiții de incendiu, arderea are loc nu într-un mediu cu oxigen pur, ci în aer. Aerul este format din azot (78%), oxigen (21%), oxizi de azot, dioxid de carbon, inerte și alte gaze (1%). Pentru calcule, se presupune că aerul conține 79% azot și 21% oxigen. Astfel, pentru un volum de oxigen există 3,76 volume de azot (79:21 = 3,76).

În conformitate cu legea lui Avogadro, raportul molilor acestor gaze va fi 1: 3,76. Astfel, putem scrie asta compoziția moleculară a aerului (DESPRE 2 + 3,76 N 2 ).

Compoziția reacțiilor de combustie a substanțelor din aer este similară cu compoziția reacțiilor de combustie în oxigen. Singura particularitate este că azotul aerului la o temperatură de ardere sub 2000 0 C nu intră într-o reacție de ardere și este eliberat din zona de ardere împreună cu produsele de ardere.

Arderea hidrogenului în aer

N 2 + 0,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) = N 2 O + 0,5 3,76 N 2  = 0,5.

Vă rugăm să rețineți că coeficientul stoechiometric în fața oxigenului, 0,5, trebuie plasat și în partea dreaptă a ecuației în fața azotului.

Arderea propanolului în aer

CU 3 N 7 OH + 4,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) =3СО 2 + 4 ore 2 O +4,5 3,76 N 2

Combustibilul conține oxigen, deci calculul coeficientului  se efectuează astfel: 10 – 1 = 9;

9:2 = 4,5.

CU 6 N 5 NN 2 Anilina arde în aer 2 + 3,76 N 2 + 7,75 (O 2 ) =6СО 2 O + 0,5N 2 +7,75  3,76 N 2

+ 3,5 N

În această ecuație, azotul apare de două ori în partea dreaptă a ecuației: azotul din aer și azotul din substanța combustibilă.

Arderea monoxidului de carbon în aer 2 + 3,76 N 2 CO + 0,5 (O 2 + 0,5  3,76 N 2

) =CO

Arderea clormetanului în aer 3 CUl+ 1,5 (O 2 + 3,76 N 2 CO + 0,5 (O 2 + NSl+ N 2 O +1,5 3,76 N 2

Arderea dietiltioeterului în aer

(CU 2 N 5 ) 2 S+ 7,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) =4СО 2 + 5 ore 2 O +AŞA 2 + 7,5  3,76 N 2

Arderea dimetilfosfatului în aer

(SN 3 ) 2 HP DESPRE 4 + 3 (O 2 + 3,76 N 2 ) =2СО 2 ) =6СО 2 O + 0,5P 2 DESPRE 5 + 3  3,76 N 2

În procesele de ardere, substanțele inițiale sunt o substanță combustibilă și un oxidant, iar substanțele finale sunt produse de ardere.

1. Să notăm ecuația pentru reacția de ardere a acidului benzoic.

CU 6 N 5 COOH + 7,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) =7СО 2 + 3 ore 2 O +7,5 3,76 N 2

2. Materiile prime: 1 mol de acid benzoic;

7,5 moli de oxigen;

7,53,76 moli de azot.

Există doar 7,54,76 moli de gaze din aer.

Total (1 + 7,54,76) moli de substanțe inițiale.

3. Produse de ardere: 7 moli de dioxid de carbon;

3 moli de apă;

7,53,76 moli de azot.

Total (7 + 3 + 7,53,76) moli de produse de ardere.

Raporturi similare se aplică atunci când 1 kilomol de acid benzoic este ars.

Amestecuri de compuși chimici complecși sau substanțele cu compoziție elementară complexă nu pot fi exprimate printr-o formulă chimică compoziția lor este exprimată cel mai adesea în conținutul procentual al fiecărui element. Astfel de substanțe includ, de exemplu, petrol și produse petroliere, lemn și multe alte substanțe organice.

Reacția de ardere a hidrogenului poate fi descrisă prin ecuație

Reacțiile de combustie ale hidrogenului și monoxidului de carbon sunt similare în multe privințe. Ambele sunt reacții exoterme puternice cu efecte termice de același ordin. Relațiile stoichiometrice dintre cantitățile de substanțe care interacționează în ecuațiile de reacție (1.11) și (1.1) sunt aceleași. Prin urmare, o evaluare calitativă a influenței modificărilor parametrilor sistemului asupra cursului reacțiilor de ardere a hidrogenului și monoxidului de carbon folosind regula fazei Gibbs și principiul lui Le Chatelier conduce la aceleași concluzii.

Apariția reacției (1.11) în direcția de disociere a H 2 O devine posibilă în condițiile în care

Din ecuația (1.12), formula pentru determinarea constantei de echilibru a reacției (1.11) poate fi obținută sub forma

Rezultatele calculării constantei de echilibru a reacției (1.11) la diferite temperaturi sunt prezentate în Tabelul 1.2.

Tabelul 1.2– Valorile constantei de echilibru de reacție (1.11) la diferite temperaturi

Analiza datelor din tabelul 1.2 arată că la temperaturi de până la 2000K, constanta de echilibru a reacției (1.11) are și ea valori foarte mari. Acest lucru permite ca reacția de ardere a hidrogenului să fie considerată practic ireversibilă într-un interval larg de temperatură. Disocierea H 2 O devine posibilă numai la concentrații scăzute de hidrogen și oxigen sau presiune foarte scăzută a amestecului de gaze Ptot.

Potențialul de oxidare al unui amestec de gaze în timpul reacției (1.11) poate fi caracterizat și prin valoarea presiunii parțiale de echilibru a oxigenului

Analiza ecuației (1.15) ne permite să tragem următoarele concluzii:

1. Pentru un amestec de gaze cu un raport constant între concentrațiile de H 2 O și H 2, valoarea presiunii parțiale de echilibru a oxigenului depinde numai de temperatură.
2. Pe măsură ce temperatura crește, valoarea numerică a constantei de echilibru a reacției (1.11) scade, iar potențialul de oxidare al amestecului de gaze crește.
3. La o temperatură constantă, valoarea presiunii parțiale de echilibru a oxigenului este determinată de raportul dintre concentrațiile volumetrice de H 2 O și H 2 din amestec. Potențialul de oxidare al amestecului de gaz crește odată cu creșterea (%H 2 O) și scade odată cu creșterea (%H 2).

Există, de asemenea, unele diferențe între reacțiile (1.11) și (1.1). Deoarece , cu creșterea temperaturii, constanta de echilibru a reacției de ardere a monoxidului de carbon scade mai repede decât constanta de echilibru a reacției de ardere a hidrogenului.

Calculele arată că la o temperatură de 1083K . Aceasta înseamnă că dacă condiția este îndeplinită

potenţialul de oxidare al amestecului de gaze în timpul reacţiilor de ardere a monoxidului de carbon şi hidrogenului va fi acelaşi.

Unul dintre problemele actuale este poluarea mediului și resurse energetice limitate de origine organică. O modalitate promițătoare de a rezolva aceste probleme este utilizarea hidrogenului ca sursă de energie. În articol vom lua în considerare problema arderii hidrogenului, temperatura și chimia acestui proces.

Ce este hidrogenul?

Înainte de a lua în considerare întrebarea care este temperatura de ardere a hidrogenului, este necesar să ne amintim ce este această substanță.

Hidrogenul este cel mai ușor element chimic, format dintr-un proton și un electron. În condiții normale (presiune 1 atm., temperatură 0 o C) este prezent în stare gazoasă. Molecula sa (H 2) este formată din 2 atomi ai acestuia element chimic. Hidrogenul este al treilea element cel mai abundent de pe planeta noastră și primul din Univers (aproximativ 90% din toată materia).

Hidrogenul gazos (H2) este inodor, insipid și incolor. Nu este toxic, cu toate acestea, atunci când conținutul său în aerul atmosferic este de câteva procente, o persoană poate experimenta sufocare din cauza lipsei de oxigen.

Este interesant de observat că, deși din punct de vedere chimic toate moleculele de H 2 sunt identice, proprietăți fizice sunt oarecum diferite. Totul ține de orientarea spinurilor electronilor (aceștia sunt responsabili de apariția momentului magnetic), care pot fi paralele sau antiparalele, o astfel de moleculă se numește orto- și respectiv parahidrogen;

Reacție chimică de combustie

Având în vedere problema temperaturii de ardere a hidrogenului cu oxigenul, prezentăm o reacție chimică care descrie acest proces: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O. Adică 3 molecule (două hidrogen și un oxigen) participă la reacție, iar produsul este două molecule de apă. Această reacție descrie arderea din punct de vedere chimic și din ea se poate aprecia că numai după terminarea ei apă curată, care nu poluează mediu, așa cum se întâmplă în timpul arderii combustibilului organic (benzină, alcool).

Pe de altă parte, această reacție este exotermă, adică, pe lângă apă, eliberează puțină căldură, care poate fi folosită pentru a propulsa mașini și rachete, precum și pentru a o transforma în alte surse de energie, precum electricitatea.

Mecanismul procesului de ardere a hidrogenului

Descris în paragraful anterior reacție chimică este cunoscut oricărui elev de liceu, dar este o descriere foarte grosieră a procesului care are loc de fapt. Să remarcăm că până la mijlocul secolului trecut, omenirea nu știa cum are loc arderea hidrogenului în aer, iar în 1956 a fost acordat un premiu pentru studiul său. Premiul Nobelîn chimie.

De fapt, dacă moleculele de O 2 și H 2 se ciocnesc, nu va avea loc nicio reacție. Ambele molecule sunt destul de stabile. Pentru ca arderea să aibă loc și să se formeze apa, trebuie să existe radicali liberi. În special, atomi de H, O și grupări OH. Mai jos este secvența reacțiilor care apar de fapt atunci când hidrogenul arde:

• H + O2 => OH + O;
• OH + H2 => H2O + H;
• O + H2 = OH + H.

Ce vedeți din aceste reacții? Când hidrogenul arde, produce apă, da, așa este, dar se întâmplă doar când un grup de doi atomi de OH întâlnește o moleculă de H2. În plus, toate reacțiile apar cu formarea de radicali liberi, ceea ce înseamnă că începe procesul de ardere auto-susținută.

Astfel, cheia declanșării acestei reacții este formarea de radicali. Ele apar dacă aduci un chibrit arzând într-un amestec de oxigen-hidrogen sau dacă încălziți acest amestec peste o anumită temperatură.

Initierea unei reactii

După cum am menționat, acest lucru se poate face în două moduri:

• Folosind o scânteie, care ar trebui să furnizeze doar 0,02 mJ de căldură. Aceasta este o valoare energetică foarte mică, pentru comparație, să spunem că aceeași valoare pentru un amestec de benzină este de 0,24 mJ, iar pentru un amestec de metan - 0,29 mJ. Pe măsură ce presiunea scade, energia de inițiere a reacției crește. Deci, la 2 kPa este deja 0,56 mJ. În orice caz, acestea sunt valori foarte mici, astfel încât amestecul hidrogen-oxigen este considerat foarte inflamabil.
• Utilizarea temperaturii. Adică, amestecul de oxigen-hidrogen poate fi pur și simplu încălzit, iar peste o anumită temperatură se va aprinde singur. Când se întâmplă acest lucru depinde de presiunea și procentul de gaze. Într-o gamă largă de concentrații la presiunea atmosferică, reacția de ardere spontană are loc la temperaturi de peste 773-850 K, adică peste 500-577 o C. Acestea sunt valori destul de ridicate în comparație cu un amestec de benzină, care începe să se producă spontan. se aprinde deja la temperaturi sub 300 o C.

Procentul de gaze din amestecul combustibil

Vorbind despre temperatura de ardere a hidrogenului în aer, trebuie remarcat că nu orice amestec al acestor gaze va intra în procesul luat în considerare. S-a stabilit experimental că, dacă cantitatea de oxigen este mai mică de 6% în volum, sau dacă cantitatea de hidrogen este mai mică de 4% în volum, atunci nu va exista nicio reacție. Totuși, limitele existenței unui amestec combustibil sunt destul de largi. Pentru aer, procentul de hidrogen poate varia de la 4,1% la 74,8%. Rețineți că valoarea superioară îi corespunde exact minimul necesar prin oxigen.

Dacă se consideră un amestec pur oxigen-hidrogen, atunci limitele sunt și mai largi: 4,1-94%.

O scădere a presiunii gazului duce la o reducere a limitelor indicate (limita inferioară crește, limita superioară scade).

De asemenea, este important să înțelegem că în timpul arderii hidrogenului în aer (oxigen), produșii de reacție rezultați (apa) conduc la o scădere a concentrației de reactivi, ceea ce poate duce la încetarea proces chimic.

Siguranta la ardere

Aceasta este o caracteristică importantă a unui amestec inflamabil, deoarece ne permite să judecăm dacă reacția are loc calm și poate fi controlată sau dacă procesul este exploziv. Ce determină viteza de ardere? Desigur, depinde de concentrația reactivilor, de presiune și, de asemenea, de cantitatea de energie „sămânță”.

Din păcate, hidrogenul într-o gamă largă de concentrații este capabil de ardere explozivă. Următoarele cifre sunt date în literatură: 18,5-59% hidrogen în amestecul de aer. Mai mult, la marginile acestei limite, ca urmare a detonației, se eliberează cea mai mare cantitate de energie pe unitatea de volum.

Comportamentul de ardere observat reprezintă o provocare majoră pentru utilizarea acestei reacții ca sursă de energie controlată.

Temperatura de reacție de ardere

Acum ajungem direct la răspunsul la întrebarea care este cea mai scăzută temperatură de ardere a hidrogenului. Este 2321 K sau 2048 o C pentru un amestec cu 19,6% H2. Adică, temperatura de ardere a hidrogenului în aer este peste 2000 o C (pentru alte concentrații poate ajunge la 2500 o C), iar în comparație cu un amestec de benzină, aceasta este o cifră uriașă (pentru benzină aproximativ 800 o C). Dacă ardeți hidrogen în oxigen pur, temperatura flăcării va fi și mai mare (până la 2800 o C).

Aşa temperatură ridicată flacăra prezintă o altă provocare în utilizarea acestei reacții ca sursă de energie, deoarece în prezent nu există aliaje care să poată funcționa perioade lungi de timp în condiții atât de extreme.

Desigur, această problemă poate fi rezolvată dacă utilizați un sistem de răcire bine conceput pentru camera în care are loc arderea hidrogenului.

Cantitatea de căldură eliberată

Ca parte a întrebării privind temperatura de ardere a hidrogenului, este, de asemenea, interesant să se furnizeze date despre cantitatea de energie care este eliberată în timpul acestei reacții. Pentru diferite condiții și compoziții ale amestecului combustibil s-au obținut valori de la 119 MJ/kg până la 141 MJ/kg. Pentru a înțelege cât de mult este aceasta, observăm că aceeași valoare pentru un amestec de benzină este de aproximativ 40 MJ/kg.

Randamentul energetic al amestecului de hidrogen este mult mai mare decât pentru benzină, ceea ce reprezintă un avantaj imens pentru utilizarea sa ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă. Cu toate acestea, nici aici nu totul este atât de simplu. Totul ține de densitatea hidrogenului, este prea scăzută la presiunea atmosferică. Deci, 1 m 3 din acest gaz cântărește doar 90 de grame. Dacă ardeți acest 1 m 3 H 2, se vor elibera aproximativ 10-11 MJ de căldură, ceea ce este deja de 4 ori mai puțin decât la arderea a 1 kg de benzină (puțin mai mult de 1 litru).

Cifrele date indică faptul că pentru a utiliza reacția de ardere a hidrogenului este necesar să învățați cum să stocați acest gaz în butelii de înaltă presiune, ceea ce creează dificultăți suplimentare, atât din punct de vedere tehnologic, cât și din punct de vedere al siguranței.

Aplicarea amestecului combustibil cu hidrogen în tehnologie: probleme

Trebuie spus imediat că în prezent amestecul combustibil cu hidrogen este deja folosit în unele zone activitatea umană. De exemplu, ca combustibil suplimentar pentru rachete spațiale, ca surse de generare energie electrica, precum și în modelele experimentale de mașini moderne. Cu toate acestea, amploarea acestei aplicații este mică în comparație cu cea pentru combustibilii fosili și, de regulă, este de natură experimentală. Motivul pentru aceasta nu este doar dificultățile în controlul reacției de ardere în sine, ci și în stocarea, transportul și extragerea H2.

Hidrogenul practic nu există pe Pământ în forma sa pură, așa că trebuie obținut din diverse conexiuni. De exemplu, din apă. Aceasta este o metodă destul de populară în prezent, care se realizează prin transmisie curent electric prin H 2 O. Întreaga problemă este că aceasta consumă mai multă energie decât se poate obține apoi prin arderea H 2.

O altă problemă importantă este transportul și stocarea hidrogenului. Faptul este că acest gaz, datorită dimensiunii mici a moleculelor sale, este capabil să „zboare” din orice recipient. În plus, atunci când intră în rețeaua metalică a aliajelor, provoacă fragilizarea acestora. Prin urmare, majoritatea într-un mod eficient stocarea H2 este utilizarea atomilor de carbon capabili să lege ferm gazul „evaziv”.

Astfel, utilizarea hidrogenului ca combustibil la scară mai mult sau mai puțin largă este posibilă numai dacă este folosit ca „depozitare” a energiei electrice (de exemplu, conversia energiei eoliene și solare în hidrogen folosind electroliza apei) sau dacă învățăm să livrăm H 2 din spațiu (unde este mult) pe Pământ.

Calculele de ardere se efectuează conform ecuatii chimice reacții folosind legile stării gazului: Boyle–Mariotte, Gay-Lussac, Charles și Clapeyron–Mendeleev. Se folosește și legea lui Avogadro, conform căreia un gram-mol de orice gaz în condiții normale (T = 273 K, P = 760 mm Hg) ocupă același volum - 22,4 dm 3. În consecință, un kg-mol este 22,4 m3.

Luați în considerare reacția de ardere a hidrogenului în oxigen: . Din ecuație rezultă că, în condiții normale, arderea completă a 2 × 22,4 = 44,8 m 3 de hidrogen necesită 22,4 m 3 de oxigen. De obicei, pentru simplitate și comoditate, calculele se fac pe metru cub de gaz ars, adică. pentru ardere 1 m 3 de hidrogen necesită 0,5 m 3 de oxigen.

Să luăm în considerare reacția de ardere a metanului în oxigen: . Din ecuație rezultă că pentru arderea completă a 22,4 m 3 de metan sunt necesare 2 × 22,4 = 44,8 m 3 de oxigen. Prin urmare, pentru ardere 1 m 3 de metan necesită 2 m 3 de oxigen.

ÎN conditii practice Arderea gazelor se realizează în aer. Să luăm compoziția aerului uscat: O 2 – 21%, N 2 – 79%. Prin urmare, 1 m 3 de oxigen este conținut în 100/21 = 4,76 m 3 de aer. Sau pentru 1 m 3 de oxigen sunt 3,76 m 3 de azot. De aici formula condiționată pentru aer: (O 2 + 3.76N 2).

Să notăm reacția de ardere a hidrogenului în aer:

Din ecuație rezultă că, în condiții normale, arderea completă a 1 m 3 de hidrogen necesită 0,5 × 4,76 = 2,38 m 3 de aer. Deci pentru ardere 1 m 3 de hidrogen necesită 2,38 m 3 de aer. Ca urmare, se formează produse de ardere: 1 m 3 de apă sub formă de abur și 1,88 m 3 de azot.

Să notăm reacția de ardere a metanului în aer:

Din ecuație rezultă că pentru arderea completă a 1 m 3 de metan sunt necesare 2 × 4,76 = 9,52 m 3 de aer. Astfel, în condiții normale de ardere 1 m 3 de metan necesită 9,52 m 3 de aer uscat. Produsele de ardere conțin 1 m 3 de dioxid de carbon, 2 m 3 de vapori de apă și 7,52 m 3 de azot.

Să notăm reacția de ardere a propanului în aer:

Din ecuație este clar că pentru arderea completă a 1 m 3 de propan este necesar 5 × 4,76 = 23,8 m 3 de aer. Astfel, în condiții normale de ardere 1 m 3 de propan necesită 23,8 m 3 de aer uscat.

Calculele de mai sus au fost efectuate pentru ecuații stoichiometrice, iar rapoartele rezultate dintre aer și gaz se numesc stoichiometrice. De exemplu, pentru arderea metanului în aer, raportul stoichiometric este 9,52. În condiții reale, este posibil să nu existe suficient aer pentru arderea completă a gazului sau, dimpotrivă, aerul este furnizat în exces. Pentru a caracteriza raporturile reale dintre aer și gaz în timpul procesului de ardere, a fost introdusă o mărime adimensională: raportul de aer în exces(agent oxidant) – coeficient α. Pentru raportul stoichiometric α = 1. Dacă este lipsă de aer, atunci α< 1, а при избытке воздуха α >1. De exemplu, în timpul procesului de ardere s-au consumat 23 m 3 de aer și 2 m 3 de metan. Se calculează coeficientul α. Raportul real aer/gaz este 23/2 = 11,5. Prin urmare α = 11,5/9,52 = 1,2.

Cele de mai sus arată cum puteți calcula cantitatea necesară aer pentru ardere și determinați volumul produselor de ardere pentru gazele individuale. Dar gazul folosit în mod obișnuit este un amestec de gaze diferite. În acest caz, calculul volumul de aer necesar teoretic(aer uscat) se calculează după formula:

Nm3 /nm3, (10,4)

unde este procentul de volum al acestor gaze în amestecul inițial, respectiv.

Aerul atmosferic folosit pentru ardere conține umiditate, deci calculul volumul de aer umed produs după formula:

Nm3/nm3, (10,5)

unde este umiditatea aerului, g/nm3;

0,00124 – volum de 1 g vapori de apă.

Și în sfârșit este determinat volumul real de aer luând în considerare valoarea coeficientului α conform formulei:

Exemplu. Există un gaz cu compoziţia CH4 - 95%, C3H8 - 5%. Determinați volumul de aer valabil pentru arderea acestui gaz la α = 1,1 și = 10 g/m 3.

Facem calcule.