Salah satu masalah mendesak adalah pencemaran lingkungan dan terbatasnya sumber energi yang berasal dari organik. Cara yang menjanjikan untuk memecahkan masalah ini adalah dengan menggunakan hidrogen sebagai sumber energi. Dalam artikel ini kita akan membahas masalah pembakaran hidrogen, suhu dan kimia dari proses ini.
Apa itu hidrogen?
Sebelum mempertimbangkan pertanyaan tentang berapa suhu pembakaran hidrogen, perlu diingat apa zat ini.
Hidrogen adalah unsur kimia paling ringan, hanya terdiri dari satu proton dan satu elektron. Dalam kondisi normal (tekanan 1 atm., suhu 0 oC) ia hadir dalam keadaan gas. Molekulnya (H2) dibentuk oleh 2 atom unsur kimia ini. Hidrogen adalah unsur paling melimpah ke-3 di planet kita, dan unsur ke-1 di Alam Semesta (sekitar 90% dari semua materi).
Gas hidrogen (H2)tidak berbau, tidak berasa dan tidak berwarna. Ini tidak beracun, namun, ketika kandungannya di udara atmosfer beberapa persen, maka seseorang dapat mengalami mati lemas karena kekurangan oksigen.
Sangat menarik untuk dicatat bahwa meskipun dari sudut pandang kimia, semua molekul H2 identik, sifat fisiknya agak berbeda. Ini semua tentang orientasi spin elektron (mereka bertanggung jawab atas munculnya momen magnetik), yang bisa paralel dan antiparalel, molekul seperti itu disebut orto- dan parahidrogen, masing-masing.
Reaksi kimia pembakaran
Mempertimbangkan pertanyaan tentang suhu pembakaran hidrogen dengan oksigen, kami menyajikan reaksi kimia yang menjelaskan proses ini: 2H2 + O2=> 2H2O. Artinya, 3 molekul berpartisipasi dalam reaksi (dua hidrogen dan satu oksigen), dan produknya adalah dua molekul air. Reaksi ini menggambarkan pembakaran dari sudut pandang kimia, dan dapat dinilai bahwa setelah melewatinya, hanya air murni yang tersisa, yang tidak mencemari lingkungan, seperti yang terjadi selama pembakaran bahan bakar fosil (bensin, alkohol).
Di sisi lain, reaksi ini eksotermik, yaitu selain air, ia melepaskan beberapa panas yang dapat digunakan untuk menggerakkan mobil dan roket, serta untuk mentransfernya ke sumber energi lain, seperti sebagai listrik.
Mekanisme proses pembakaran hidrogen
Dijelaskan sebelumnyaparagraf reaksi kimia diketahui oleh siswa sekolah menengah mana pun, tetapi itu adalah gambaran yang sangat kasar tentang proses yang terjadi dalam kenyataan. Perhatikan bahwa hingga pertengahan abad terakhir, umat manusia tidak mengetahui bagaimana hidrogen terbakar di udara, dan pada tahun 1956 Penghargaan Nobel dalam Kimia diberikan untuk studinya.
Bahkan, jika molekul O2 dan H2 bertabrakan, tidak akan terjadi reaksi. Kedua molekul ini cukup stabil. Agar pembakaran terjadi dan air terbentuk, radikal bebas harus ada. Khususnya, atom H, O dan gugus OH. Berikut ini adalah urutan reaksi yang sebenarnya terjadi ketika hidrogen dibakar:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Apa yang Anda lihat dari reaksi ini? Ketika hidrogen terbakar, air terbentuk, ya, itu benar, tetapi itu hanya terjadi ketika sekelompok dua atom OH bertemu dengan molekul H2. Selain itu, semua reaksi terjadi dengan pembentukan radikal bebas, yang berarti bahwa proses pembakaran mandiri dimulai.
Jadi kunci untuk memulai reaksi ini adalah pembentukan radikal. Mereka muncul jika Anda membawa korek api ke campuran oksigen-hidrogen, atau jika Anda memanaskan campuran ini di atas suhu tertentu.
Memulai reaksi
Seperti disebutkan, ada dua cara untuk melakukan ini:
- Dengan bantuan percikan yang seharusnya hanya memberikan 0,02 mJ panas. Ini adalah nilai energi yang sangat kecil, sebagai perbandingan, katakanlah nilai yang sama untuk campuran bensin adalah 0,24 mJ, dan untuk metana - 0,29 mJ. Ketika tekanan berkurang, energi inisiasi reaksi meningkat. Jadi, pada 2 kPa sudah 0,56 mJ. Bagaimanapun, ini adalah nilai yang sangat kecil, sehingga campuran hidrogen-oksigen dianggap sangat mudah terbakar.
- Dengan bantuan suhu. Artinya, campuran oksigen-hidrogen dapat dengan mudah dipanaskan, dan di atas suhu tertentu ia akan menyala sendiri. Kapan ini terjadi tergantung pada tekanan dan persentase gas. Dalam berbagai konsentrasi pada tekanan atmosfer, reaksi pembakaran spontan terjadi pada suhu di atas 773-850 K, yaitu di atas 500-577 oC. Ini adalah nilai yang cukup tinggi dibandingkan dengan campuran bensin, yang mulai menyala secara spontan pada suhu di bawah 300 oC.
Persentase gas dalam campuran yang mudah terbakar
Berbicara tentang suhu pembakaran hidrogen di udara, perlu dicatat bahwa tidak setiap campuran gas-gas ini akan masuk ke dalam proses yang sedang dipertimbangkan. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa jika jumlah oksigen kurang dari 6% volume, atau jika jumlah hidrogen kurang dari 4% volume, maka tidak ada reaksi yang akan terjadi. Namun, batas keberadaan campuran yang mudah terbakar cukup lebar. Untuk udara, persentase hidrogen dapat berkisar dari 4,1% hingga 74,8%. Perhatikan bahwa nilai atas hanya sesuai dengan minimum yang dibutuhkan untuk oksigen.
Jikapertimbangkan campuran oksigen-hidrogen murni, maka batasnya bahkan lebih luas di sini: 4, 1-94%.
Mengurangi tekanan gas menyebabkan pengurangan batas yang ditentukan (batas bawah naik, batas atas turun).
Penting juga untuk dipahami bahwa selama pembakaran hidrogen di udara (oksigen), produk reaksi yang dihasilkan (air) menyebabkan penurunan konsentrasi reagen, yang dapat menyebabkan penghentian proses kimia.
Keamanan pembakaran
Ini adalah karakteristik penting dari campuran yang mudah terbakar, karena memungkinkan Anda untuk menilai apakah reaksinya tenang dan dapat dikendalikan, atau prosesnya eksplosif. Apa yang menentukan laju pembakaran? Tentu saja, pada konsentrasi reagen, pada tekanan, dan juga pada jumlah energi "benih".
Sayangnya, hidrogen dalam berbagai konsentrasi mampu melakukan pembakaran yang eksplosif. Angka-angka berikut diberikan dalam literatur: 18,5-59% hidrogen dalam campuran udara. Selain itu, di tepi batas ini, sebagai akibat dari ledakan, jumlah energi terbesar per satuan volume dilepaskan.
Sifat pembakaran yang ditandai menimbulkan masalah besar untuk menggunakan reaksi ini sebagai sumber energi yang terkontrol.
Suhu reaksi pembakaran
Sekarang kita langsung ke jawaban atas pertanyaan, berapa suhu terendah pembakaran hidrogen. Ini adalah 2321 K atau 2048 oC untuk campuran dengan 19,6% H2. Artinya, suhu pembakaran hidrogen di udara lebih tinggi2000 oC (untuk konsentrasi lain bisa mencapai 2500 oC), dan dibandingkan dengan campuran bensin, ini adalah angka yang sangat besar (untuk bensin sekitar 800 oC). Jika Anda membakar hidrogen dalam oksigen murni, suhu nyala akan lebih tinggi (hingga 2800 oC).
Suhu nyala yang begitu tinggi menghadirkan masalah lain dalam menggunakan reaksi ini sebagai sumber energi, karena saat ini tidak ada paduan yang dapat bekerja untuk waktu yang lama dalam kondisi ekstrem seperti itu.
Tentu saja, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan sistem pendingin yang dirancang dengan baik untuk ruang tempat terjadinya pembakaran hidrogen.
Jumlah panas yang dilepaskan
Sebagai bagian dari pertanyaan tentang suhu pembakaran hidrogen, menarik juga untuk memberikan data tentang jumlah energi yang dilepaskan selama reaksi ini. Untuk kondisi dan komposisi yang berbeda dari campuran yang mudah terbakar, diperoleh nilai dari 119 MJ/kg hingga 141 MJ/kg. Untuk memahami berapa banyak ini, kami mencatat bahwa nilai yang sama untuk campuran bensin adalah sekitar 40 MJ / kg.
Penghasilan energi campuran hidrogen jauh lebih tinggi daripada bensin, yang merupakan nilai tambah yang besar untuk penggunaannya sebagai bahan bakar untuk mesin pembakaran internal. Namun, tidak semuanya begitu sederhana di sini juga. Ini semua tentang densitas hidrogen, terlalu rendah pada tekanan atmosfer. Jadi, 1 m3 gas ini beratnya hanya 90 gram. Jika Anda membakar 1 m3 H2 ini, maka sekitar 10-11 MJ panas akan dilepaskan, yang sudah 4 kali lebih sedikit daripada saat membakar 1 kg bensin (lebih dari 1 liter).
Angka yang diberikan menunjukkan bahwa untuk menggunakan reaksi pembakaran hidrogen, perlu mempelajari cara menyimpan gas ini dalam silinder bertekanan tinggi, yang telah menimbulkan kesulitan tambahan, baik dari segi teknologi maupun keamanan.
Penggunaan campuran hidrogen yang mudah terbakar dalam teknologi: masalah
Harus segera dikatakan bahwa saat ini campuran hidrogen yang mudah terbakar sudah digunakan di beberapa bidang aktivitas manusia. Misalnya, sebagai bahan bakar tambahan untuk roket luar angkasa, sebagai sumber pembangkit energi listrik, serta dalam model eksperimental mobil modern. Namun, skala aplikasi ini sangat kecil dibandingkan dengan bahan bakar fosil dan umumnya bersifat eksperimental. Alasan untuk ini tidak hanya sulitnya mengendalikan reaksi pembakaran itu sendiri, tetapi juga dalam penyimpanan, transportasi dan ekstraksi H2.
Hidrogen di Bumi praktis tidak ada dalam bentuk murni, sehingga harus diperoleh dari berbagai senyawa. Misalnya dari air. Ini adalah metode yang cukup populer saat ini, yang dilakukan dengan melewatkan arus listrik melalui H2O. Masalahnya adalah ini menghabiskan lebih banyak energi daripada yang dapat diperoleh dengan membakar H2.
Masalah penting lainnya adalah transportasi dan penyimpanan hidrogen. Faktanya adalah bahwa gas ini, karena ukuran molekulnya yang kecil, dapat "terbang" dari mana sajakontainer. Selain itu, masuk ke kisi logam paduan, itu menyebabkan penggetasannya. Oleh karena itu, cara yang paling efisien untuk menyimpan H2 adalah dengan menggunakan atom karbon yang dapat mengikat gas "elusif" dengan kuat.
Dengan demikian, penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar dalam skala yang kurang lebih besar hanya dimungkinkan jika digunakan sebagai "penyimpanan" listrik (misalnya, mengubah energi angin dan matahari menjadi hidrogen menggunakan elektrolisis air), atau jika Anda belajar mengirimkan H2 dari luar angkasa (yang jumlahnya banyak) ke Bumi.
