अत्यावश्यक समस्याओं में से एक पर्यावरण प्रदूषण और जैविक मूल के सीमित ऊर्जा संसाधन हैं। इन समस्याओं को हल करने का एक आशाजनक तरीका हाइड्रोजन को ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करना है। लेख में हम इस प्रक्रिया के हाइड्रोजन दहन, तापमान और रसायन विज्ञान के मुद्दे पर विचार करेंगे।
हाइड्रोजन क्या है?
हाइड्रोजन का दहन तापमान क्या है, इस प्रश्न पर विचार करने से पहले यह याद रखना आवश्यक है कि यह पदार्थ क्या है।
हाइड्रोजन सबसे हल्का रासायनिक तत्व है, जिसमें केवल एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होता है। सामान्य परिस्थितियों में (दबाव 1 एटीएम।, तापमान 0 oC) यह गैसीय अवस्था में मौजूद होता है। इसका अणु (H2) इस रासायनिक तत्व के 2 परमाणुओं से बनता है। हाइड्रोजन हमारे ग्रह पर तीसरा सबसे प्रचुर तत्व है, और ब्रह्मांड में पहला (सभी पदार्थों का लगभग 90%)।
हाइड्रोजन गैस (H2)गंधहीन, स्वादहीन और रंगहीन। यह विषाक्त नहीं है, हालांकि, जब वायुमंडलीय हवा में इसकी सामग्री कुछ प्रतिशत होती है, तो व्यक्ति को ऑक्सीजन की कमी के कारण घुटन का अनुभव हो सकता है।
यह ध्यान देने योग्य है कि यद्यपि रासायनिक दृष्टि से, सभी H2 अणु समान हैं, उनके भौतिक गुण कुछ भिन्न हैं। यह सब इलेक्ट्रॉन स्पिन के उन्मुखीकरण के बारे में है (वे एक चुंबकीय क्षण की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार हैं), जो समानांतर और विरोधी समानांतर हो सकते हैं, ऐसे अणु को क्रमशः ऑर्थो- और पैराहाइड्रोजन कहा जाता है।
दहन रासायनिक प्रतिक्रिया
ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजन के दहन तापमान के प्रश्न पर विचार करते हुए, हम एक रासायनिक प्रतिक्रिया प्रस्तुत करते हैं जो इस प्रक्रिया का वर्णन करती है: 2H2 + O2=> 2H2O. अर्थात्, 3 अणु प्रतिक्रिया में भाग लेते हैं (दो हाइड्रोजन और एक ऑक्सीजन), और उत्पाद दो पानी के अणु हैं। यह प्रतिक्रिया रासायनिक दृष्टिकोण से दहन का वर्णन करती है, और इसका अंदाजा लगाया जा सकता है कि इसके पारित होने के बाद, केवल शुद्ध पानी रहता है, जो पर्यावरण को प्रदूषित नहीं करता है, जैसा कि जीवाश्म ईंधन (गैसोलीन, शराब) के दहन के दौरान होता है।
दूसरी ओर, यह प्रतिक्रिया एक्ज़ोथिर्मिक है, यानी पानी के अलावा, यह कुछ गर्मी छोड़ती है जिसका उपयोग कारों और रॉकेटों को चलाने के लिए किया जा सकता है, साथ ही इसे ऊर्जा के अन्य स्रोतों में स्थानांतरित करने के लिए भी किया जा सकता है, जैसे बिजली के रूप में।
हाइड्रोजन दहन प्रक्रिया का तंत्र
पिछले में वर्णितपैराग्राफ रासायनिक प्रतिक्रिया किसी भी हाई स्कूल के छात्र के लिए जानी जाती है, लेकिन यह वास्तव में होने वाली प्रक्रिया का एक बहुत ही मोटा विवरण है। ध्यान दें कि पिछली शताब्दी के मध्य तक, मानव जाति यह नहीं जानती थी कि हाइड्रोजन हवा में कैसे जलती है, और 1956 में इसके अध्ययन के लिए रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया था।
वास्तव में, यदि O2 और H2 अणु आपस में टकराते हैं, तो कोई प्रतिक्रिया नहीं होगी। दोनों अणु काफी स्थिर हैं। दहन होने और पानी बनने के लिए, मुक्त कण मौजूद होना चाहिए। विशेष रूप से, एच, ओ परमाणु और ओएच समूह। निम्नलिखित प्रतिक्रियाओं का एक क्रम है जो वास्तव में हाइड्रोजन के जलने पर होता है:
- एच + ओ2=> ओएच + ओ;
- ओएच + एच2 => एच2ओ + एच;
- ओ + एच2=ओएच + एच.
आप इन प्रतिक्रियाओं से क्या देखते हैं? जब हाइड्रोजन जलता है, तो पानी बनता है, हाँ, यह सही है, लेकिन यह तभी होता है जब दो OH परमाणुओं का समूह एक H2 अणु से मिलता है। इसके अलावा, सभी प्रतिक्रियाएं मुक्त कणों के निर्माण के साथ होती हैं, जिसका अर्थ है कि आत्मनिर्भर दहन की प्रक्रिया शुरू होती है।
तो इस प्रतिक्रिया को शुरू करने की कुंजी रेडिकल्स का बनना है। यदि आप ऑक्सीजन-हाइड्रोजन मिश्रण में एक जलती हुई माचिस लाते हैं, या यदि आप इस मिश्रण को एक निश्चित तापमान से ऊपर गर्म करते हैं तो वे दिखाई देते हैं।
प्रतिक्रिया की शुरुआत
जैसा कि बताया गया है, ऐसा करने के दो तरीके हैं:
- एक चिंगारी की मदद से जो केवल 0 प्रदान करे,02 एमजे गर्मी। यह एक बहुत छोटा ऊर्जा मूल्य है, तुलना के लिए, मान लें कि गैसोलीन मिश्रण के लिए समान मूल्य 0.24 mJ है, और मीथेन के लिए - 0.29 mJ। जैसे-जैसे दबाव कम होता है, प्रतिक्रिया दीक्षा ऊर्जा बढ़ती है। तो, 2 kPa पर, यह पहले से ही 0.56 mJ है। किसी भी मामले में, ये बहुत छोटे मान हैं, इसलिए हाइड्रोजन-ऑक्सीजन मिश्रण को अत्यधिक ज्वलनशील माना जाता है।
- तापमान की मदद से। यही है, ऑक्सीजन-हाइड्रोजन मिश्रण को केवल गर्म किया जा सकता है, और एक निश्चित तापमान से ऊपर यह खुद को प्रज्वलित करेगा। जब ऐसा होता है तो गैसों के दबाव और प्रतिशत पर निर्भर करता है। वायुमंडलीय दबाव पर सांद्रता की एक विस्तृत श्रृंखला में, सहज दहन प्रतिक्रिया 773-850 K से ऊपर के तापमान पर होती है, यानी 500-577 oC से ऊपर। गैसोलीन मिश्रण की तुलना में ये काफी उच्च मूल्य हैं, जो पहले से ही 300 oC.
से नीचे के तापमान पर अनायास प्रज्वलित होने लगते हैं।
दहनशील मिश्रण में गैसों का प्रतिशत
हवा में हाइड्रोजन दहन के तापमान के बारे में बोलते हुए, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इन गैसों का हर मिश्रण विचाराधीन प्रक्रिया में प्रवेश नहीं करेगा। यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि यदि ऑक्सीजन की मात्रा आयतन से 6% से कम है, या हाइड्रोजन की मात्रा मात्रा के अनुसार 4% से कम है, तो कोई प्रतिक्रिया नहीं होगी। हालांकि, एक दहनशील मिश्रण के अस्तित्व की सीमाएं काफी विस्तृत हैं। हवा के लिए, हाइड्रोजन का प्रतिशत 4.1% से 74.8% तक हो सकता है। ध्यान दें कि ऊपरी मान ऑक्सीजन के लिए आवश्यक न्यूनतम से मेल खाता है।
अगरशुद्ध ऑक्सीजन-हाइड्रोजन मिश्रण पर विचार करें, तो यहां सीमाएं और भी व्यापक हैं: 4, 1-94%।
गैसों के दबाव को कम करने से निर्दिष्ट सीमा में कमी आती है (निचली सीमा बढ़ जाती है, ऊपरी सीमा गिर जाती है)।
यह समझना भी महत्वपूर्ण है कि हवा (ऑक्सीजन) में हाइड्रोजन के दहन के दौरान, परिणामी प्रतिक्रिया उत्पादों (पानी) से अभिकर्मकों की एकाग्रता में कमी आती है, जिससे रासायनिक प्रक्रिया समाप्त हो सकती है।.
दहन सुरक्षा
यह एक ज्वलनशील मिश्रण की एक महत्वपूर्ण विशेषता है, क्योंकि यह आपको यह निर्धारित करने की अनुमति देता है कि क्या प्रतिक्रिया शांत है और इसे नियंत्रित किया जा सकता है, या प्रक्रिया विस्फोटक है। जलने की दर क्या निर्धारित करती है? बेशक, अभिकर्मकों की एकाग्रता पर, दबाव पर, और "बीज" की ऊर्जा की मात्रा पर भी।
दुर्भाग्य से, सांद्रता की एक विस्तृत श्रृंखला में हाइड्रोजन विस्फोटक दहन में सक्षम है। साहित्य में निम्नलिखित आंकड़े दिए गए हैं: वायु मिश्रण में 18.5-59% हाइड्रोजन। इसके अलावा, इस सीमा के किनारों पर, विस्फोट के परिणामस्वरूप, प्रति इकाई आयतन में ऊर्जा की सबसे बड़ी मात्रा निकलती है।
दहन की चिह्नित प्रकृति इस प्रतिक्रिया को ऊर्जा के नियंत्रित स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए एक बड़ी समस्या प्रस्तुत करती है।
दहन प्रतिक्रिया तापमान
अब हम सीधे इस प्रश्न के उत्तर पर आते हैं कि हाइड्रोजन दहन का न्यूनतम तापमान क्या होता है। 19.6% H2 मिश्रण के लिए यह 2321 K या 2048 oC है। अर्थात् वायु में हाइड्रोजन का दहन तापमान अधिक होता है2000 oC (अन्य सांद्रता के लिए यह 2500 oC तक पहुंच सकता है), और गैसोलीन मिश्रण की तुलना में, यह एक बहुत बड़ा आंकड़ा है (गैसोलीन के लिए) लगभग 800 oसी)। यदि आप शुद्ध ऑक्सीजन में हाइड्रोजन जलाते हैं, तो लौ का तापमान और भी अधिक होगा (2800 oC).
इस तरह की उच्च लौ तापमान इस प्रतिक्रिया को ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करने में एक और समस्या प्रस्तुत करता है, क्योंकि वर्तमान में ऐसी कोई मिश्र धातु नहीं है जो ऐसी चरम स्थितियों में लंबे समय तक काम कर सके।
बेशक, हाइड्रोजन दहन होने वाले कक्ष के लिए एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए शीतलन प्रणाली का उपयोग करके इस समस्या का समाधान किया जाता है।
मुक्त गर्मी की मात्रा
हाइड्रोजन के दहन तापमान के प्रश्न के भाग के रूप में, इस प्रतिक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा की मात्रा पर डेटा प्रदान करना भी दिलचस्प है। दहनशील मिश्रण की विभिन्न स्थितियों और रचनाओं के लिए, 119 MJ/kg से 141 MJ/kg तक के मान प्राप्त किए गए थे। यह समझने के लिए कि यह कितना है, हम ध्यान दें कि गैसोलीन मिश्रण के लिए एक समान मूल्य लगभग 40 एमजे / किग्रा है।
हाइड्रोजन मिश्रण की ऊर्जा उपज गैसोलीन की तुलना में बहुत अधिक है, जो आंतरिक दहन इंजन के लिए ईंधन के रूप में इसके उपयोग के लिए एक बड़ा प्लस है। हालाँकि, यहाँ भी सब कुछ इतना सरल नहीं है। यह सब हाइड्रोजन के घनत्व के बारे में है, यह वायुमंडलीय दबाव में बहुत कम है। तो, इस गैस का 1 m3 वजन केवल 90 ग्राम है। यदि आप इसे 1 m3 H2 जलाते हैं, तो लगभग 10-11 MJ ऊष्मा निकल जाएगी, जो पहले से 4 गुना कम है। 1 किलो पेट्रोल जलाना (सिर्फ 1 लीटर से अधिक)।
दिए गए आंकड़े बताते हैं कि हाइड्रोजन दहन प्रतिक्रिया का उपयोग करने के लिए, यह सीखना आवश्यक है कि इस गैस को उच्च दबाव वाले सिलेंडर में कैसे स्टोर किया जाए, जो पहले से ही प्रौद्योगिकी और सुरक्षा दोनों के मामले में अतिरिक्त कठिनाइयां पैदा करता है।
प्रौद्योगिकी में हाइड्रोजन दहनशील मिश्रण का उपयोग: समस्याएं
यह तुरंत कहा जाना चाहिए कि वर्तमान में मानव गतिविधि के कुछ क्षेत्रों में हाइड्रोजन दहनशील मिश्रण का उपयोग पहले से ही किया जा रहा है। उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष रॉकेट के लिए अतिरिक्त ईंधन के रूप में, विद्युत ऊर्जा पैदा करने के स्रोतों के साथ-साथ आधुनिक कारों के प्रायोगिक मॉडल में। हालाँकि, इस अनुप्रयोग का पैमाना जीवाश्म ईंधन की तुलना में छोटा है और आमतौर पर प्रकृति में प्रयोगात्मक है। इसका कारण न केवल दहन प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने में कठिनाई है, बल्कि H2 के भंडारण, परिवहन और निष्कर्षण में भी कठिनाई है।
पृथ्वी पर हाइड्रोजन व्यावहारिक रूप से अपने शुद्ध रूप में मौजूद नहीं है, इसलिए इसे विभिन्न यौगिकों से प्राप्त किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, पानी से। यह वर्तमान में एक काफी लोकप्रिय तरीका है, जो H2O के माध्यम से विद्युत प्रवाह को पारित करके किया जाता है। पूरी समस्या यह है कि यह H2 को जलाने से जितनी ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है, उससे अधिक ऊर्जा की खपत करता है।
एक और महत्वपूर्ण समस्या हाइड्रोजन के परिवहन और भंडारण की है। तथ्य यह है कि यह गैस, अपने अणुओं के छोटे आकार के कारण, किसी से भी "उड़ने" में सक्षम हैकंटेनर। इसके अलावा, मिश्र धातुओं की धातु की जाली में प्रवेश करने से उनका क्षरण होता है। इसलिए, H2 को स्टोर करने का सबसे कारगर तरीका कार्बन परमाणुओं का उपयोग करना है जो "मायावी" गैस को मजबूती से बांध सकते हैं।
इस प्रकार, कम या ज्यादा बड़े पैमाने पर ईंधन के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग तभी संभव है जब इसका उपयोग बिजली के "भंडारण" के रूप में किया जाता है (उदाहरण के लिए, पानी के इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके हवा और सौर ऊर्जा को हाइड्रोजन में परिवर्तित करना), या यदि आप सीखते हैं कि H2 अंतरिक्ष से (जहाँ बहुत अधिक है) पृथ्वी पर पहुँचाएँ।
