การเผาไหม้ h2 การเผาไหม้ของไฮโดรเจน

โปรตอน - โซ่โปรตอนแสดงในรูป 14. ใต้ลูกศรแต่ละอันจะมีเวลา t สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะสุริยะ หรือครึ่งชีวิตของ T 1/2 ของนิวเคลียส การคำนวณดำเนินการโดยใช้สูตร (8) - (13) สำหรับกรณีความเท่าเทียมกันของมวลรวมของไฮโดรเจนและฮีเลียมที่เกิดปฏิกิริยากันคือความหนาแน่นเฉลี่ยของสาร ρ = 150 กรัม/ซม.3 และอุณหภูมิ
T =1.5 ·10 7 K. พลังงานที่ปล่อยออกมา (พลังงานปฏิกิริยา Q) จะได้รับสำหรับแต่ละปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาแรกในสายโซ่คือปฏิกิริยาของนิวเคลียสไฮโดรเจนสองตัวกับการก่อตัวของดิวเทอรอน โพซิตรอน และนิวตริโน ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นจากอันตรกิริยาที่อ่อนแอและมีผลต่ออัตราของห่วงโซ่ pp ทั้งหมด (t = 5.8 · 10 9 ปี) ในขั้นที่สอง อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ของดิวเทอรอนที่เกิดขึ้นกับไฮโดรเจน ไอโซโทป 3 He จะเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อย -ควอนตัม จากนั้นหนึ่งในสองความเป็นไปได้ก็สามารถเกิดขึ้นได้ ด้วยความน่าจะเป็น 69% ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

ทำให้เกิดฟลักซ์ของนิวตริโนพลังงานสูงพร้อมสำหรับการจดทะเบียน พลังงานทั้งหมด (พลังงานปฏิกิริยาทั้งหมด Q) ที่ปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์ไอโซโทป 4 He จาก 4 โปรตอนคือ 24.7 MeV สำหรับสาย ppI, ppIII และ 25.7 MeV สำหรับสาย ppII โพซิตรอนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำลายล้างฟิวชั่น ส่งผลให้การปลดปล่อยพลังงานของโซ่ทั้งหมดเพิ่มขึ้นเป็น 26.7 MeV

ในตาราง รูปที่ 8 แสดงค่าสัมประสิทธิ์ S ij ที่ E = 0 สำหรับปฏิกิริยาบางอย่างของวงจร pp และความไม่แน่นอนในการประมาณค่าของสัมประสิทธิ์ที่สอดคล้องกัน

ตารางที่ 8

ค่าของสัมประสิทธิ์ S ij ในปฏิกิริยาของวงจร PP

		ค่า S ij , MeV mb
p + p → d + e + + ν
3 เขา + 3 เขา → 4 เขา + 2p
3 เขา + 4 เขา → 7 เป็น + γ
7 เป็น + p → 8 B + γ

ค่าของ Sij และความไม่แน่นอนที่ให้ไว้ในตารางให้แนวคิดเกี่ยวกับความซับซ้อนของการคำนวณปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดาวฤกษ์และความแม่นยำที่ได้รับจนถึงปัจจุบัน
วัฏจักรไฮโดรเจนสามารถเริ่มต้นด้วยปฏิกิริยา:

สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ ห่วงโซ่พีพีไม่ใช่แหล่งพลังงานหลัก
เรื่องของดาวฤกษ์รุ่นที่สอง พร้อมด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียม มีธาตุที่หนักกว่าซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและฮีเลียม โดยเฉพาะไนโตรเจน คาร์บอน ออกซิเจน นีออน และอื่นๆ องค์ประกอบเหล่านี้มีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน
เมื่ออุณหภูมิที่ใจกลางดาวฤกษ์เข้าใกล้ 20 ล้านเคลวิน ลูกโซ่ของปฏิกิริยานิวเคลียร์จะเริ่มขึ้นในดวงดาว ในระหว่างนั้นนิวเคลียสของคาร์บอนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องกัน และฮีเลียมก็ถูกสร้างขึ้นจากไฮโดรเจน ปฏิกิริยาลูกโซ่นี้เรียกว่าวัฏจักร CNO

สมดุล– (จากความสมดุลของฝรั่งเศส – อักษร “ตาชั่ง”) – การแสดงออกเชิงปริมาณของคู่สัญญาถึงกระบวนการใด ๆ ที่ต้องสร้างสมดุลระหว่างกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความสมดุลคือความสมดุล ความสมดุล กระบวนการเผาไหม้ในกองไฟเป็นไปตามกฎพื้นฐานของธรรมชาติ โดยเฉพาะกฎการอนุรักษ์มวลและพลังงาน

เพื่อแก้ปัญหาในทางปฏิบัติหลายประการ รวมถึงการคำนวณทางเทคนิคด้านอัคคีภัย จำเป็นต้องทราบปริมาณอากาศที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ รวมถึงปริมาตรและองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้ ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นในการคำนวณอุณหภูมิการเผาไหม้ของสาร ความดันการระเบิด ความดันการระเบิดส่วนเกิน ความเข้มข้นของการเสมหะของสารเสมหะ และพื้นที่ของโครงสร้างที่แยกออกจากกันได้ง่าย

วิธีการคำนวณความสมดุลของวัสดุของกระบวนการเผาไหม้ถูกกำหนดโดยองค์ประกอบและสถานะของการรวมตัวของสาร การคำนวณมีลักษณะเฉพาะของตัวเองสำหรับสารประกอบเคมีแต่ละชนิด สำหรับส่วนผสมของก๊าซ และสำหรับสารที่มีองค์ประกอบองค์ประกอบเชิงซ้อน

สารประกอบเคมีส่วนบุคคลเป็นสารที่สามารถแสดงองค์ประกอบได้ สูตรเคมี- กระบวนการเผาไหม้ในกรณีนี้คำนวณโดยใช้สมการปฏิกิริยาการเผาไหม้

เมื่อเขียนสมการปฏิกิริยาการเผาไหม้ ควรจำไว้ว่าในการคำนวณทางเทคนิคด้านอัคคีภัย เป็นเรื่องปกติที่จะอ้างอิงปริมาณทั้งหมดเป็น 1 โมลของสารไวไฟ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหมายความว่าในสมการของปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่ด้านหน้าของสารที่ติดไฟได้ค่าสัมประสิทธิ์จะอยู่เสมอ เท่ากับ 1.

องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุเริ่มต้น

องค์ประกอบที่ประกอบเป็นสารไวไฟ	ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้
คาร์บอน กับ	คาร์บอนไดออกไซด์ บจก 2
ไฮโดรเจน เอ็น	น้ำ เอ็น 2 เกี่ยวกับ
กำมะถัน ส	ซัลเฟอร์ (IV) ออกไซด์ ดังนั้น 2
ไนโตรเจน เอ็น	โมเลกุลไนโตรเจน เอ็น 2
ฟอสฟอรัส ร	ฟอสฟอรัส (V) ออกไซด์ ร 2 เกี่ยวกับ 5
ฮาโลเจน F, Cl, Br, I	ไฮโดรเจนเฮไลด์ เอชซีแอล, เอชเอฟ, ฮบ, สวัสดี

การเผาไหม้ของโพรเพนในออกซิเจน

เราบันทึกปฏิกิริยาการเผาไหม้:

กับ 3 เอ็น 8 + โอ 2 = CO 2 + เอ็น 2 เกี่ยวกับ

2. ในโมเลกุลโพรเพนมีคาร์บอน 3 อะตอมซึ่งมีคาร์บอนไดออกไซด์ 3 โมเลกุลเกิดขึ้น

กับ 3 เอ็น 8 + โอ 2 = 3СО 2 + เอ็น 2 เกี่ยวกับ

3. มีอะตอมไฮโดรเจน 8 อะตอมในโมเลกุลโพรเพนซึ่งมีโมเลกุลน้ำ 4 โมเลกุลเกิดขึ้น:

กับ 3 เอ็น 8 + โอ 2 = 3СО 2 + 4 ชม 2 เกี่ยวกับ

4. นับจำนวนอะตอมออกซิเจนทางด้านขวาของสมการ

5. ควรมีออกซิเจน 10 อะตอมทางด้านซ้ายของสมการ โมเลกุลออกซิเจนประกอบด้วยอะตอม 2 อะตอม ดังนั้นจึงต้องใส่ค่าสัมประสิทธิ์ 5 ไว้หน้าออกซิเจน

กับ 3 เอ็น 8 + 5О 2 = 3СО 2 + 4 ชม 2 เกี่ยวกับ

สัมประสิทธิ์ในสมการปฏิกิริยาเรียกว่า สัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์และแสดงจำนวนโมล (kmol) ของสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาหรือเกิดขึ้นจากผลของปฏิกิริยา

ค่าสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ซึ่งระบุจำนวนโมลของออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้สารโดยสมบูรณ์จะแสดงด้วยตัวอักษร  .

ในปฏิกิริยาแรก  = 5.

การเผาไหม้ของกลีเซอรีนในออกซิเจน

1. เขียนสมการปฏิกิริยาการเผาไหม้

กับ 3 เอ็น 8 เกี่ยวกับ 3 + โอ 2 = CO 2 + เอ็น 2 เกี่ยวกับ

2. ปรับสมดุลคาร์บอนและไฮโดรเจน:

กับ 3 เอ็น 8 เกี่ยวกับ 3 + โอ 2 = 3СО 2 + 4 ชม 2 เกี่ยวกับ.

3. มีอะตอมออกซิเจน 10 อะตอมทางด้านขวาของสมการ

สารที่ติดไฟได้ประกอบด้วยออกซิเจน 3 อะตอม ดังนั้น 10 – 3 = 7 อะตอมออกซิเจนที่ส่งผ่านจากออกซิเจนไปยังผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้

ดังนั้นก่อนออกซิเจนจึงจำเป็นต้องใส่ค่าสัมประสิทธิ์ 7: 2 = 3.5

กับ 3 เอ็น 8 เกี่ยวกับ 3 +3.5О 2 = 3СО 2 + 4 ชม 2 เกี่ยวกับ.

ในปฏิกิริยานี้  = 3,5.

การเผาไหม้ของแอมโมเนียในออกซิเจน

แอมโมเนียประกอบด้วยไฮโดรเจนและไนโตรเจน ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้จะมีน้ำและไนโตรเจนโมเลกุล

เอ็น.เอช. 3 + 0,75 โอ 2 = 1,5 ชม 2 โอ + 0,5 เอ็น 2  = 0,75.

โปรดทราบว่าสารไวไฟมีค่าสัมประสิทธิ์ 1 และค่าสัมประสิทธิ์อื่นๆ ทั้งหมดในสมการสามารถเป็นเลขเศษส่วนได้

การเผาไหม้ของคาร์บอนไดซัลไฟด์ในออกซิเจน

ผลิตภัณฑ์การเผาไหม้คาร์บอนไดซัลไฟด์ ซี.เอส. 2 จะเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และซัลเฟอร์ออกไซด์ (IV)

ซี.เอส. 2 + 3 โอ 2 = บจก 2 + 2 ดังนั้น 2  = 3.

บ่อยครั้งในสภาวะที่เกิดไฟ การเผาไหม้ไม่ได้เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนบริสุทธิ์ แต่เกิดในอากาศ อากาศประกอบด้วยไนโตรเจน (78%) ออกซิเจน (21%) ไนโตรเจนออกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซเฉื่อยและก๊าซอื่น ๆ (1%) สำหรับการคำนวณ สมมติว่าอากาศมีไนโตรเจน 79% และออกซิเจน 21% ดังนั้น ออกซิเจน 1 ปริมาตรจะมีไนโตรเจน 3.76 ปริมาตร (79:21 = 3.76)

ตามกฎของอาโวกาโดร อัตราส่วนของโมลของก๊าซเหล่านี้จะเท่ากับ 1: 3.76 ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนสิ่งนั้นได้ องค์ประกอบโมเลกุลของอากาศ (เกี่ยวกับ 2 + 3,76 เอ็น 2 ).

องค์ประกอบของปฏิกิริยาการเผาไหม้ของสารในอากาศคล้ายคลึงกับองค์ประกอบของปฏิกิริยาการเผาไหม้ในออกซิเจน ลักษณะเฉพาะประการเดียวคือไนโตรเจนในอากาศที่อุณหภูมิการเผาไหม้ต่ำกว่า 2,000 0 C จะไม่เกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้และถูกปล่อยออกจากเขตการเผาไหม้พร้อมกับผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้

การเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศ

เอ็น 2 + 0.5(โอ 2 + 3,76 เอ็น 2 ) = ยังไม่มี 2 โอ + 0.5 3,76 เอ็น 2  = 0,5.

โปรดทราบว่าต้องวางสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์หน้าออกซิเจน 0.5 ไว้ทางด้านขวาของสมการหน้าไนโตรเจนด้วย

การเผาไหม้โพรพานอลในอากาศ

กับ 3 เอ็น 7 OH + 4.5(O 2 + 3,76 เอ็น 2 ) =3СО 2 + 4 ชม 2 โอ+4.5 3,76 เอ็น 2

เชื้อเพลิงประกอบด้วยออกซิเจน ดังนั้น การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์  ดำเนินการดังนี้: 10 – 1 = 9;

9:2 = 4.5.

กับ 6 เอ็น 5 เอ็นเอ็น 2 สวรรค์กำลังลุกไหม้ในอากาศ 2 + 3,76 เอ็น 2 + 7.75(อ 2 ) =6СО 2 โอ + 0.5เอ็น 2 +7,75  3,76 เอ็น 2

+3.5N

ในสมการนี้ ไนโตรเจนจะปรากฏสองครั้งทางด้านขวาของสมการ ได้แก่ ไนโตรเจนจากอากาศและไนโตรเจนจากสารที่ติดไฟได้

การเผาไหม้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในอากาศ 2 + 3,76 เอ็น 2 CO + 0.5(O 2 + 0,5  3,76 เอ็น 2

) = คาร์บอนไดออกไซด์

การเผาไหม้ของคลอโรมีเทนในอากาศ 3 กับล+ 1.5(อ 2 + 3,76 เอ็น 2 CO + 0.5(O 2 + นสล+ เอ็น 2 โอ +1.5 3,76 เอ็น 2

การเผาไหม้ของไดเอทิลไทโออีเทอร์ในอากาศ

(กับ 2 เอ็น 5 ) 2 ส+ 7.5(อ 2 + 3,76 เอ็น 2 ) =4СО 2 + 5 ชม 2 โอ +ดังนั้น 2 + 7,5  3,76 เอ็น 2

การเผาไหม้ของไดเมทิลฟอสเฟตในอากาศ

(สน 3 ) 2 เอชพี เกี่ยวกับ 4 + 3(อ 2 + 3,76 เอ็น 2 ) =2СО 2 ) =6СО 2 โอ + 0.5P 2 เกี่ยวกับ 5 + 3  3,76 เอ็น 2

ในกระบวนการเผาไหม้ สารตั้งต้นคือสารที่ติดไฟได้และตัวออกซิไดเซอร์ และสารสุดท้ายคือผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้

1. มาเขียนสมการปฏิกิริยาการเผาไหม้ของกรดเบนโซอิกกัน

กับ 6 เอ็น 5 COOH + 7.5(O 2 + 3,76 เอ็น 2 ) =7СО 2 + 3 ชม 2 O+7.5 3,76 เอ็น 2

2. วัสดุเริ่มต้น: กรดเบนโซอิก 1 โมล

ออกซิเจน 7.5 โมล

ไนโตรเจน 7.53.76 โมล

มีก๊าซอากาศเพียง 7.54.76 โมล

รวม (1 + 7.54.76) โมลของสารตั้งต้น

3. ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้: คาร์บอนไดออกไซด์ 7 โมล;

น้ำ 3 โมล

ไนโตรเจน 7.53.76 โมล

รวม (7 + 3 + 7.53.76) โมลของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้

อัตราส่วนที่คล้ายกันจะใช้เมื่อเผากรดเบนโซอิก 1 กิโลกรัม

ส่วนผสมของสารประกอบเคมีเชิงซ้อนหรือสารที่มีองค์ประกอบเชิงซ้อนไม่สามารถแสดงได้ด้วยสูตรทางเคมี ส่วนใหญ่มักแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของแต่ละองค์ประกอบ สารดังกล่าวได้แก่ น้ำมันและผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ไม้ และสารอินทรีย์อื่นๆ อีกมากมาย

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนสามารถอธิบายได้ด้วยสมการ

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์มีความคล้ายคลึงกันหลายประการ ทั้งสองอย่างนี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรงโดยมีผลทางความร้อนในลำดับเดียวกัน ความสัมพันธ์ปริมาณสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของสารที่มีปฏิสัมพันธ์ในสมการปฏิกิริยา (1.11) และ (1.1) จะเท่ากัน ดังนั้นการประเมินเชิงคุณภาพเกี่ยวกับอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของระบบต่อปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์โดยใช้กฎเฟสของ Gibbs และหลักการของ Le Chatelier นำไปสู่ข้อสรุปเดียวกัน

การเกิดปฏิกิริยา (1.11) ในทิศทางของการแยกตัวของ H 2 O จะเกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขเมื่อใด

จากสมการ (1.12) จะได้สูตรหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1.11) ในรูปแบบ

ผลลัพธ์ของการคำนวณค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1.11) ที่อุณหภูมิต่างๆ แสดงไว้ในตารางที่ 1.2

ตารางที่ 1.2– ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1.11) ที่อุณหภูมิต่างกัน

การวิเคราะห์ข้อมูลในตาราง 1.2 แสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิสูงถึง 2000K ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1.11) ก็มีค่าที่สูงมากเช่นกัน ซึ่งช่วยให้พิจารณาปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนว่าไม่สามารถย้อนกลับได้ในทางปฏิบัติในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง การแยกตัวของ H 2 O ทำได้เฉพาะที่ความเข้มข้นต่ำของไฮโดรเจนและออกซิเจนหรือความดันต่ำมากของส่วนผสมของก๊าซ Ptot

ศักยภาพในการออกซิเดชันของส่วนผสมของก๊าซระหว่างปฏิกิริยา (1.11) สามารถกำหนดลักษณะได้ด้วยค่าของความดันบางส่วนของออกซิเจนที่สมดุล

การวิเคราะห์สมการ (1.15) ช่วยให้เราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:

1. สำหรับส่วนผสมของก๊าซที่มีอัตราส่วนคงที่ระหว่างความเข้มข้นของ H 2 O และ H 2 ค่าของความดันบางส่วนของออกซิเจนที่สมดุลจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น
2. เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าตัวเลขของค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1.11) จะลดลง และศักยภาพในการออกซิเดชันของส่วนผสมของก๊าซจะเพิ่มขึ้น
3. ที่อุณหภูมิคงที่ค่าของความดันสมดุลบางส่วนของออกซิเจนจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนระหว่างความเข้มข้นเชิงปริมาตรของ H 2 O และ H 2 ในส่วนผสม ศักยภาพในการออกซิเดชันของส่วนผสมก๊าซเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้น (%H 2 O) และลดลงตามการเพิ่มขึ้น (%H 2)

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างบางประการระหว่างปฏิกิริยา (1.11) และ (1.1) เพราะ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาการเผาไหม้ของคาร์บอนมอนอกไซด์จะลดลงเร็วกว่าค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน

จากการคำนวณพบว่าที่อุณหภูมิ 1,083K - ซึ่งหมายความว่าหากตรงตามเงื่อนไข

ศักยภาพในการออกซิเดชันของส่วนผสมก๊าซระหว่างปฏิกิริยาการเผาไหม้ของคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนจะเท่ากัน

หนึ่งใน ปัญหาในปัจจุบันคือมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและแหล่งพลังงานจากแหล่งกำเนิดอินทรีย์ที่มีจำกัด วิธีที่มีแนวโน้มในการแก้ปัญหาเหล่านี้คือการใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน ในบทความนี้เราจะพิจารณาถึงปัญหาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน อุณหภูมิ และเคมีของกระบวนการนี้

ไฮโดรเจนคืออะไร?

ก่อนที่จะพิจารณาคำถามว่าอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนคืออะไรจำเป็นต้องจำไว้ว่าสารนี้คืออะไร

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เบาที่สุด ประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ภายใต้สภาวะปกติ (ความดัน 1 atm. อุณหภูมิ 0 o C) จะมีอยู่ใน สถานะก๊าซ- โมเลกุลของมัน (H 2) เกิดขึ้นจาก 2 อะตอมของสิ่งนี้ องค์ประกอบทางเคมี- ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 3 ของโลก และเป็นธาตุที่ 1 ในจักรวาล (ประมาณ 90% ของสสารทั้งหมด)

ก๊าซไฮโดรเจน (H2) ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส และไม่มีสี อย่างไรก็ตาม มันไม่เป็นพิษ แต่เมื่อเนื้อหาในอากาศในชั้นบรรยากาศมีเปอร์เซ็นต์หลายเปอร์เซ็นต์ บุคคลอาจหายใจไม่ออกเนื่องจากขาดออกซิเจน

เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าแม้ว่าจากมุมมองทางเคมีแล้ว โมเลกุล H 2 ทั้งหมดจะเหมือนกัน คุณสมบัติทางกายภาพมันแตกต่างกันบ้าง ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับการวางแนวของการหมุนของอิเล็กตรอน (พวกมันมีหน้าที่รับผิดชอบต่อการปรากฏตัวของโมเมนต์แม่เหล็ก) ซึ่งอาจขนานกันหรือขนานกัน โมเลกุลดังกล่าวเรียกว่าออร์โธ- และพาราไฮโดรเจน ตามลำดับ

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ทางเคมี

เมื่อพิจารณาถึงคำถามเกี่ยวกับอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนกับออกซิเจน เรานำเสนอปฏิกิริยาทางเคมีที่อธิบายกระบวนการนี้: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O นั่นคือ 3 โมเลกุล (ไฮโดรเจนสองตัวและออกซิเจนหนึ่งตัว) มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา และได้ผลลัพธ์เป็นน้ำ 2 โมเลกุล ปฏิกิริยานี้อธิบายการเผาไหม้จากมุมมองทางเคมี และจากนั้นเราสามารถตัดสินได้ว่าหลังจากการเผาไหม้เสร็จสิ้นเท่านั้น น้ำสะอาดซึ่งไม่ก่อให้เกิดมลพิษ สิ่งแวดล้อมดังที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงอินทรีย์ (น้ำมันเบนซิน แอลกอฮอล์)

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน กล่าวคือ นอกเหนือจากน้ำแล้ว ยังปล่อยความร้อนบางส่วนออกมา ซึ่งสามารถใช้ขับเคลื่อนรถยนต์และจรวดได้ รวมทั้งแปลงเป็นแหล่งพลังงานอื่นๆ เช่น ไฟฟ้า

กลไกกระบวนการเผาไหม้ไฮโดรเจน

อธิบายไว้ในย่อหน้าก่อนหน้า ปฏิกิริยาเคมีเป็นที่รู้จักของนักเรียนมัธยมปลาย แต่เป็นคำอธิบายคร่าวๆ ของกระบวนการที่เกิดขึ้นจริง โปรดทราบว่าจนถึงกลางศตวรรษที่ผ่านมา มนุษยชาติไม่รู้ว่าการเผาไหม้ของไฮโดรเจนเกิดขึ้นในอากาศได้อย่างไร และในปี 1956 ได้มีการมอบรางวัลสำหรับการศึกษานี้ รางวัลโนเบลในวิชาเคมี

ในความเป็นจริงหากโมเลกุล O 2 และ H 2 ชนกัน ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้น โมเลกุลทั้งสองค่อนข้างเสถียร เพื่อให้การเผาไหม้เกิดขึ้นและเกิดน้ำ จะต้องมีอนุมูลอิสระอยู่ โดยเฉพาะอะตอม H, O และหมู่ OH ด้านล่างนี้เป็นลำดับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อไฮโดรเจนเผาไหม้:

• H + O 2 => โอ้ + O;
• โอ้ + H 2 => H 2 O + H;
• O + H 2 = OH + H.

คุณเห็นอะไรจากปฏิกิริยาเหล่านี้? เมื่อไฮโดรเจนเผาไหม้ มันจะผลิตน้ำ ใช่แล้ว แต่มันเกิดขึ้นเมื่อกลุ่มอะตอม OH สองอะตอมมาบรรจบกับโมเลกุล H2 เท่านั้น นอกจากนี้ปฏิกิริยาทั้งหมดเกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของอนุมูลอิสระซึ่งหมายความว่ากระบวนการเผาไหม้แบบยั่งยืนในตัวเองเริ่มต้นขึ้น

ดังนั้นกุญแจสำคัญในการกระตุ้นปฏิกิริยานี้คือการก่อตัวของอนุมูล สิ่งเหล่านี้จะปรากฏขึ้นหากคุณนำไม้ขีดไฟไปผสมกับออกซิเจนและไฮโดรเจน หรือหากคุณให้ความร้อนส่วนผสมนี้สูงกว่าอุณหภูมิที่กำหนด

เป็นการเริ่มปฏิกิริยา

ตามที่ระบุไว้ สามารถทำได้สองวิธี:

• การใช้ประกายไฟซึ่งควรให้ความร้อนเพียง 0.02 mJ นี่เป็นค่าพลังงานที่น้อยมาก สำหรับการเปรียบเทียบ สมมติว่าค่าเดียวกันสำหรับส่วนผสมของน้ำมันเบนซินคือ 0.24 mJ และสำหรับส่วนผสมมีเทน - 0.29 mJ เมื่อความดันลดลง พลังงานในการเริ่มต้นปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ที่ 2 kPa จะมีค่าเป็น 0.56 mJ อยู่แล้ว ไม่ว่าในกรณีใด ค่าเหล่านี้มีค่าน้อยมาก ดังนั้นส่วนผสมไฮโดรเจน-ออกซิเจนจึงถือว่าไวไฟสูง
• โดยใช้อุณหภูมิ นั่นคือส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนสามารถให้ความร้อนได้ง่ายและจะจุดชนวนที่อุณหภูมิสูงกว่าที่กำหนด เมื่อเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้นกับความดันและเปอร์เซ็นต์ของก๊าซ ในช่วงความเข้มข้นที่หลากหลายที่ความดันบรรยากาศ ปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 773-850 K นั่นคือสูงกว่า 500-577 o C ค่าเหล่านี้เป็นค่าที่ค่อนข้างสูงเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนผสมของน้ำมันเบนซินซึ่งเริ่มเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ติดไฟแล้วที่อุณหภูมิต่ำกว่า 300 o C

เปอร์เซ็นต์ของก๊าซในสารผสมที่ติดไฟได้

เมื่อพูดถึงอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศควรสังเกตว่าไม่ใช่ทุกส่วนผสมของก๊าซเหล่านี้จะเข้าสู่กระบวนการภายใต้การพิจารณา มีการทดลองพบว่าหากปริมาณออกซิเจนน้อยกว่า 6% โดยปริมาตร หรือหากปริมาณไฮโดรเจนน้อยกว่า 4% โดยปริมาตร ก็จะไม่เกิดปฏิกิริยาใดๆ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของการมีอยู่ของสารผสมที่ติดไฟได้นั้นค่อนข้างกว้าง สำหรับอากาศ เปอร์เซ็นต์ของไฮโดรเจนสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 4.1% ถึง 74.8% โปรดทราบว่าค่าบนตรงกับทุกประการ ขั้นต่ำที่จำเป็นโดยออกซิเจน

หากพิจารณาส่วนผสมออกซิเจน-ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ ขีดจำกัดก็จะกว้างขึ้น: 4.1-94%

แรงดันแก๊สที่ลดลงจะส่งผลให้ขีดจำกัดที่ระบุลดลง (ขีดจำกัดล่างเพิ่มขึ้น ขีดจำกัดบนจะลดลง)

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจด้วยว่าในระหว่างการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศ (ออกซิเจน) ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น (น้ำ) จะทำให้ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ลดลงซึ่งอาจนำไปสู่การหยุดการทำงานของ กระบวนการทางเคมี.

ความปลอดภัยในการเผาไหม้

นี่เป็นคุณลักษณะที่สำคัญของส่วนผสมที่ติดไฟได้ เนื่องจากช่วยให้เราตัดสินได้ว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างสงบและสามารถควบคุมได้ หรือไม่ หรือกระบวนการเกิดการระเบิดหรือไม่ อะไรเป็นตัวกำหนดอัตราการเผาไหม้? แน่นอนว่ามันขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของรีเอเจนต์ ความดัน และปริมาณพลังงาน "เมล็ดพันธุ์" ด้วย

น่าเสียดายที่ไฮโดรเจนในช่วงความเข้มข้นที่หลากหลายสามารถทำให้เกิดการเผาไหม้แบบระเบิดได้ ตัวเลขต่อไปนี้แสดงไว้ในเอกสาร: ไฮโดรเจน 18.5-59% ในส่วนผสมอากาศ ยิ่งไปกว่านั้น ที่ขอบของขีดจำกัดนี้ ซึ่งเป็นผลมาจากการระเบิด ปริมาณพลังงานที่มากที่สุดจะถูกปล่อยออกมาต่อหน่วยปริมาตรซึ่งเป็นผลมาจากการระเบิด

พฤติกรรมการเผาไหม้ที่สังเกตได้ก่อให้เกิดความท้าทายที่สำคัญต่อการใช้ปฏิกิริยานี้เป็นแหล่งพลังงานที่ได้รับการควบคุม

อุณหภูมิปฏิกิริยาการเผาไหม้

ตอนนี้เรามาถึงคำตอบของคำถามที่ว่า อุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนต่ำสุดคือเท่าใด มันคือ 2321 K หรือ 2048 o C สำหรับส่วนผสมที่มี 19.6% H 2 นั่นคืออุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศสูงกว่า 2,000 o C (สำหรับความเข้มข้นอื่น ๆ อาจสูงถึง 2,500 o C) และเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนผสมของน้ำมันเบนซินนี่เป็นตัวเลขขนาดใหญ่ (สำหรับน้ำมันเบนซินประมาณ 800 o C) หากคุณเผาไฮโดรเจนในออกซิเจนบริสุทธิ์ อุณหภูมิเปลวไฟจะสูงขึ้นอีก (สูงถึง 2,800 o C)

ดังนั้น อุณหภูมิสูงเปลวไฟถือเป็นความท้าทายอีกประการหนึ่งในการใช้ปฏิกิริยานี้เป็นแหล่งพลังงาน เนื่องจากในปัจจุบันไม่มีโลหะผสมที่สามารถทำงานได้เป็นเวลานานภายใต้สภาวะที่รุนแรงเช่นนี้

แน่นอนว่าปัญหานี้สามารถแก้ไขได้หากคุณใช้ระบบระบายความร้อนที่ออกแบบมาอย่างดีสำหรับห้องที่เกิดการเผาไหม้ของไฮโดรเจน

ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมา

ส่วนหนึ่งของคำถามเกี่ยวกับอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจน การให้ข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานี้ก็น่าสนใจเช่นกัน สำหรับสภาวะและองค์ประกอบของส่วนผสมที่ติดไฟได้ต่างกัน จะได้ค่าตั้งแต่ 119 MJ/kg ถึง 141 MJ/kg เพื่อให้เข้าใจว่ามีค่าเท่าใด เราสังเกตว่าค่าเดียวกันของส่วนผสมน้ำมันเบนซินคือประมาณ 40 MJ/กก.

ผลผลิตพลังงานของส่วนผสมไฮโดรเจนนั้นสูงกว่าน้ำมันเบนซินมาก ซึ่งเป็นข้อดีอย่างมากสำหรับการใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกอย่างจะง่ายนักเช่นกัน มันเป็นเรื่องของความหนาแน่นของไฮโดรเจน มันต่ำเกินไปที่ความดันบรรยากาศ ดังนั้นก๊าซนี้ 1 m 3 มีน้ำหนักเพียง 90 กรัม หากคุณเผา 1 m 3 H 2 นี้ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาประมาณ 10-11 MJ ซึ่งน้อยกว่าการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 กิโลกรัมถึง 4 เท่า (มากกว่า 1 ลิตรเล็กน้อย)

ตัวเลขที่ระบุระบุว่าในการใช้ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีเก็บก๊าซนี้ไว้ในถังแรงดันสูง ซึ่งทำให้เกิดปัญหาเพิ่มเติม ทั้งในแง่ของเทคโนโลยีและจากมุมมองด้านความปลอดภัย

การใช้ส่วนผสมที่ติดไฟได้ของไฮโดรเจนในเทคโนโลยี: ปัญหา

ต้องบอกทันทีว่าปัจจุบันมีการใช้ส่วนผสมที่ติดไฟได้ของไฮโดรเจนแล้วในบางพื้นที่ กิจกรรมของมนุษย์- ตัวอย่างเช่น เป็นเชื้อเพลิงเพิ่มเติมสำหรับจรวดอวกาศ เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้ารวมถึงรถยนต์รุ่นทดลองสมัยใหม่ด้วย อย่างไรก็ตาม ขนาดของการใช้งานนี้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล และตามกฎแล้ว ถือเป็นการทดลองโดยธรรมชาติ เหตุผลนี้ไม่เพียงแต่เป็นเรื่องยากในการควบคุมปฏิกิริยาการเผาไหม้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการจัดเก็บ การขนส่ง และการสกัด H 2 ด้วย

ไฮโดรเจนไม่มีอยู่ในรูปแบบบริสุทธิ์บนโลกดังนั้นจึงต้องได้รับจาก การเชื่อมต่อต่างๆ- เช่นจากน้ำ นี่เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันในปัจจุบันซึ่งดำเนินการโดยใช้ระบบส่งกำลัง กระแสไฟฟ้าผ่าน H 2 O ปัญหาทั้งหมดก็คือสิ่งนี้สิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าที่จะได้รับจากการเผาไหม้ H 2

ประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่งคือการขนส่งและกักเก็บไฮโดรเจน ความจริงก็คือก๊าซนี้เนื่องจากโมเลกุลมีขนาดเล็กจึงสามารถ "บินออกไป" จากภาชนะใดก็ได้ นอกจากนี้เมื่อเข้าไปในโครงตาข่ายโลหะของโลหะผสมก็จะทำให้เกิดการเปราะ ดังนั้นส่วนใหญ่ อย่างมีประสิทธิภาพการจัดเก็บ H 2 คือการใช้อะตอมของคาร์บอนที่สามารถจับกับก๊าซที่ "เข้าใจยาก" อย่างแน่นหนา

ดังนั้น การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในระดับกว้างมากหรือน้อยจึงเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่ใช้เป็น "กักเก็บ" ไฟฟ้า (เช่น การแปลงพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนโดยใช้อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ) หรือหาก เราเรียนรู้ที่จะส่ง H 2 จากอวกาศ (ซึ่งมีอยู่มากมาย) มายังโลก

การคำนวณการเผาไหม้ดำเนินการตาม สมการทางเคมีปฏิกิริยาโดยใช้กฎของสถานะก๊าซ: บอยล์–มาริออตต์, เกย์-ลุสแซก, ชาร์ลส์ และคลาเปรอง–เมนเดเลเยฟ นอกจากนี้ยังใช้กฎของอาโวกาโดร โดยที่หนึ่งกรัมโมลของก๊าซใด ๆ ภายใต้สภาวะปกติ (T = 273 K, P = 760 มม. ปรอท) มีปริมาตรเท่ากัน - 22.4 dm 3 ดังนั้น หนึ่งกิโลกรัม-โมลคือ 22.4 ม.3

พิจารณาปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในออกซิเจน: - จากสมการจะได้ว่าภายใต้สภาวะปกติ การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของไฮโดรเจน 2 × 22.4 = 44.8 ม.3 ต้องใช้ออกซิเจน 22.4 ม.3 โดยปกติเพื่อความง่ายและสะดวกสบายจะมีการคำนวณต่อลูกบาศก์เมตรของก๊าซที่ถูกเผาเช่น สำหรับการเผาไหม้ ไฮโดรเจน 1 ม.3 ต้องการออกซิเจน 0.5 ม.3.

ลองพิจารณาปฏิกิริยาการเผาไหม้ของมีเทนในออกซิเจน: . จากสมการดังต่อไปนี้ว่าสำหรับการเผาไหม้มีเทนที่สมบูรณ์ 22.4 ม. 3 ต้องใช้ออกซิเจน 2 × 22.4 = 44.8 ม. 3 ดังนั้นสำหรับการเผาไหม้ มีเทน 1 ม.3 ต้องการออกซิเจน 2 ม.3.

ใน เงื่อนไขการปฏิบัติการเผาไหม้ของก๊าซจะดำเนินการในอากาศ มาดูองค์ประกอบของอากาศแห้งกัน: O 2 – 21%, N 2 – 79% ดังนั้น ออกซิเจน 1 ลบ.ม. จึงมีอยู่ในอากาศ 100/21 = 4.76 ลบ.ม. หรือออกซิเจน 1 m 3 จะมีไนโตรเจน 3.76 m 3 ดังนั้นสูตรตามเงื่อนไขสำหรับอากาศ: (O 2 + 3.76N 2)

ให้เราเขียนปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศ:

จากสมการที่ว่าภายใต้สภาวะปกติ การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของไฮโดรเจน 1 ม.3 ต้องใช้อากาศ 0.5 × 4.76 = 2.38 ม.3 ดังนั้นสำหรับการเผาไหม้ ไฮโดรเจน 1 ลบ.ม. ต้องการอากาศ 2.38 ลบ.ม- เป็นผลให้เกิดผลิตภัณฑ์การเผาไหม้: น้ำ 1 m 3 ในรูปของไอน้ำและไนโตรเจน 1.88 m 3

ลองเขียนปฏิกิริยาการเผาไหม้มีเทนในอากาศ:

จากสมการดังต่อไปนี้ว่าสำหรับการเผาไหม้มีเทน 1 ม. 3 โดยสมบูรณ์ ต้องใช้อากาศ 2 × 4.76 = 9.52 ม. 3 ดังนั้นภายใต้สภาวะการเผาไหม้ปกติ มีเทน 1 m 3 ต้องการอากาศแห้ง 9.52 m 3- ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ 1 m 3, ไอน้ำ 2 m 3 และไนโตรเจน 7.52 m 3

ลองเขียนปฏิกิริยาการเผาไหม้ของโพรเพนในอากาศ:

จากสมการเป็นที่ชัดเจนว่าสำหรับการเผาไหม้โพรเพน 1 m 3 โดยสมบูรณ์ ต้องใช้อากาศ 5 × 4.76 = 23.8 m 3 ดังนั้นภายใต้สภาวะการเผาไหม้ปกติ โพรเพน 1 ม. 3 ต้องการอากาศแห้ง 23.8 ม. 3.

การคำนวณข้างต้นดำเนินการสำหรับสมการปริมาณสัมพันธ์และอัตราส่วนผลลัพธ์ของอากาศและก๊าซเรียกว่าปริมาณสัมพันธ์ ตัวอย่างเช่น สำหรับการเผาไหม้ของมีเทนในอากาศ อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์คือ 9.52 ในสภาวะจริง อาจมีอากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้ก๊าซโดยสมบูรณ์ หรือในทางกลับกัน มีการจ่ายอากาศมากเกินไป เพื่อระบุลักษณะอัตราส่วนที่แท้จริงของอากาศและก๊าซในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ จึงมีการแนะนำปริมาณไร้มิติ: อัตราส่วนอากาศส่วนเกิน(ตัวออกซิไดซ์) – สัมประสิทธิ์ α สำหรับอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ α = 1 หากไม่มีอากาศ แสดงว่า α< 1, а при избытке воздуха α >1. ตัวอย่างเช่นในระหว่างกระบวนการเผาไหม้มีการใช้อากาศ 23 ลบ.ม. และมีเทน 2 ลบ.ม. เราคำนวณสัมประสิทธิ์α อัตราส่วนอากาศต่อก๊าซที่แท้จริงคือ 23/2 = 11.5 ดังนั้น α = 11.5/9.52 = 1.2

ด้านบนแสดงวิธีการคำนวณ ปริมาณที่ต้องการอากาศสำหรับการเผาไหม้และกำหนดปริมาตรของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้สำหรับก๊าซแต่ละชนิด แต่ก๊าซที่ใช้กันทั่วไปนั้นเป็นส่วนผสมของก๊าซหลายชนิด ในกรณีนี้คือการคำนวณ ปริมาณอากาศที่ต้องการตามทฤษฎี(อากาศแห้ง) คำนวณตามสูตร:

นิวตันเมตร 3 /นาโนเมตร 3, (10.4)

โดยที่คือเปอร์เซ็นต์ปริมาตรของก๊าซเหล่านี้ในส่วนผสมเริ่มต้นตามลำดับ

อากาศในชั้นบรรยากาศที่ใช้ในการเผาไหม้มีความชื้นอยู่ด้วย ดังนั้นการคำนวณ ปริมาณอากาศชื้นผลิตตามสูตร:

นิวตันเมตร 3 /นาโนเมตร 3, (10.5)

ปริมาณความชื้นในอากาศอยู่ที่ไหน g/nm 3 ;

0.00124 – ปริมาตรของไอน้ำ 1 กรัม

และในที่สุดก็ถูกกำหนดแล้ว ปริมาณอากาศที่เกิดขึ้นจริงโดยคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์αตามสูตร:

ตัวอย่าง. มีก๊าซองค์ประกอบ CH 4 - 95%, C 3 H 8 - 5% กำหนดปริมาตรอากาศที่เหมาะสมสำหรับการเผาไหม้ของก๊าซนี้ที่ α = 1.1 และ = 10 กรัม/ลูกบาศก์เมตร

เราทำการคำนวณ