Хамгийн тулгамдсан асуудлын нэг бол байгаль орчны бохирдол, органик гаралтай эрчим хүчний нөөцийн хязгаарлагдмал байдал юм. Эдгээр асуудлыг шийдэх ирээдүйтэй арга бол устөрөгчийг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашиглах явдал юм. Нийтлэлд бид устөрөгчийн шаталт, энэ процессын температур, химийн асуудлыг авч үзэх болно.
Устөрөгч гэж юу вэ?
Устөрөгчийн шаталтын температур гэж юу вэ гэсэн асуултыг авч үзэхийн өмнө энэ бодис гэж юу болохыг санах хэрэгтэй.
Устөрөгч нь зөвхөн нэг протон, нэг электроноос бүрддэг хамгийн хөнгөн химийн элемент юм. Хэвийн нөхцөлд (даралт 1 атм., температур 0 oC) хийн төлөвт байдаг. Түүний молекул (H2) нь энэ химийн элементийн 2 атомаас бүрддэг. Устөрөгч нь манай гаригийн хамгийн элбэг 3-р элемент бөгөөд орчлон ертөнцийн 1-рт ордог (бүх бодисын 90% орчим).
Устөрөгчийн хий (H2)үнэргүй, амтгүй, өнгөгүй. Энэ нь хортой биш ч атмосферийн агаар дахь агууламж хэдхэн хувь байвал хүчилтөрөгчийн дутагдлаас болж хүн амьсгал боогддог.
Хэдийгээр химийн үүднээс авч үзвэл бүх H2 молекулууд ижил боловч физик шинж чанараараа арай өөр байдгийг тэмдэглэх нь сонин юм. Энэ нь электрон эргэлтүүдийн чиг баримжаа (тэдгээр нь соронзон моментийн харагдах байдлыг хариуцдаг) тухай бөгөөд энэ нь параллель ба эсрэг параллель байж болно, ийм молекулыг тус тусад нь орто- ба параустөрөгч гэж нэрлэдэг.
Химийн шаталтын урвал
Хүчилтөрөгчтэй устөрөгчийг шатаах температурын тухай асуултыг авч үзвэл энэ үйл явцыг тодорхойлсон химийн урвалыг танилцуулж байна: 2H2 + O2=> 2H2O. Өөрөөр хэлбэл, 3 молекул урвалд оролцдог (хоёр устөрөгч, нэг хүчилтөрөгч), бүтээгдэхүүн нь хоёр усны молекул юм. Энэхүү урвал нь шаталтыг химийн үүднээс тайлбарладаг бөгөөд шаталтыг өнгөрсний дараа чулуужсан түлш (бензин, спирт) шатаах үед тохиолддог шиг байгаль орчныг бохирдуулдаггүй цэвэр ус л үлддэг гэж дүгнэж болно.
Нөгөөтэйгүүр, энэ урвал нь экзотермик шинж чанартай, өөрөөр хэлбэл уснаас гадна машин, пуужин жолоодоход ашиглаж болох дулааныг ялгаруулж, бусад эрчим хүчний эх үүсвэрт шилжүүлэх боломжтой. цахилгаанаар.
Устөрөгчийн шаталтын процессын механизм
Өмнөх хэсэгт тайлбарласандогол мөрний химийн урвалыг ахлах сургуулийн аль ч сурагч мэддэг боловч энэ нь бодит байдалд тохиолддог үйл явцын маш бүдүүлэг дүрслэл юм. Өнгөрсөн зууны дунд үе хүртэл хүн төрөлхтөн устөрөгч агаарт хэрхэн шатдагийг мэддэггүй байсан бөгөөд 1956 онд үүнийг судалсных нь төлөө Химийн салбарын Нобелийн шагналыг хүртэж байсныг анхаарна уу.
Үнэндээ хэрэв O2 ба H2 молекулууд мөргөлдвөл ямар ч хариу үйлдэл гарахгүй. Хоёр молекул хоёулаа нэлээд тогтвортой байдаг. Шатаж, ус үүсэхийн тулд чөлөөт радикалууд байх ёстой. Ялангуяа H, O атом ба OH бүлгүүд. Дараах нь устөрөгчийг шатаах үед тохиолддог урвалуудын дараалал юм:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
Та эдгээр хариу үйлдлээс юу харж байна вэ? Устөрөгчийг шатаах үед ус үүсдэг, тийм ээ, энэ нь зөв, гэхдээ энэ нь зөвхөн хоёр OH атомын бүлэг нь H2 молекултай уулзах үед л тохиолддог. Түүнчлэн чөлөөт радикал үүсэх үед бүх урвал явагддаг бөгөөд энэ нь өөрөө өөрийгөө тэтгэх шаталтын процесс эхэлдэг гэсэн үг юм.
Тиймээс энэ урвалыг эхлүүлэх гол зүйл бол радикал үүсэх явдал юм. Хүчилтөрөгч-устөрөгчийн холимогт шатаж буй шүдэнз авчрах эсвэл энэ хольцыг тодорхой температураас дээш халаахад тэдгээр нь гарч ирнэ.
Харилцаа эхлүүлж байна
Тэмдэглэсэнчлэн үүнийг хийх хоёр арга бий:
- Зөвхөн 0-г өгөх ёстой очны тусламжтайгаар,02 мЖ дулаан. Энэ бол маш бага эрчим хүчний үнэ цэнэ, харьцуулахын тулд бензиний хольцын ижил төстэй утга нь 0.24 мЖ, метан 0.29 мЖ байна гэж үзье. Даралт буурах тусам урвал эхлэх энерги нэмэгддэг. Тиймээс 2 кПа үед энэ нь аль хэдийн 0.56 мЖ байна. Ямар ч тохиолдолд эдгээр нь маш бага утгууд тул устөрөгч-хүчилтөрөгчийн хольц нь маш шатамхай гэж тооцогддог.
- Температурын тусламжтайгаар. Өөрөөр хэлбэл, хүчилтөрөгч-устөрөгчийн хольцыг зүгээр л халааж болох бөгөөд тодорхой температураас дээш бол өөрөө гал авалцах болно. Хэзээ энэ нь хийн даралт, хувь хэмжээнээс хамаарна. Агаар мандлын даралтын өргөн хүрээний концентрацид аяндаа шатах урвал нь 773-850 К, өөрөөр хэлбэл 500-577 oC-ээс дээш температурт явагддаг. Эдгээр нь 300 хэмээс доош температурт аяндаа асч эхэлдэг бензиний хольцтой харьцуулахад нэлээд өндөр үзүүлэлт юм oC.
Шатах хольц дахь хийн хувь
Агаар дахь устөрөгчийн шаталтын температурын тухай ярихад эдгээр хийн хольц бүр авч үзэх процесст орохгүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Хүчилтөрөгчийн хэмжээ эзэлхүүнээрээ 6%-иас бага, устөрөгчийн хэмжээ эзэлхүүнээрээ 4%-иас бага байвал урвал явагдахгүй гэдгийг туршилтаар тогтоосон. Гэсэн хэдий ч шатамхай хольцын оршин тогтнох хязгаар нь нэлээд өргөн юм. Агаарын хувьд устөрөгчийн хувь хэмжээ 4.1% -аас 74.8% хооронд хэлбэлзэж болно. Дээд утга нь хүчилтөрөгчийн шаардлагатай хамгийн бага хэмжээтэй тохирч байгааг анхаарна уу.
Хэрэвцэвэр хүчилтөрөгч-устөрөгчийн хольцыг авч үзье, тэгвэл энд хязгаар илүү өргөн байна: 4, 1-94%.
Хийн даралтыг бууруулах нь заасан хязгаарыг бууруулахад хүргэдэг (доод хязгаар нь нэмэгдэж, дээд нь буурдаг).
Агаар дахь устөрөгчийг (хүчилтөрөгч) шатаах явцад үүссэн урвалын бүтээгдэхүүн (ус) нь урвалжуудын концентрацийг бууруулж, химийн процессыг зогсооход хүргэдэг гэдгийг ойлгох нь чухал юм..
Шаталтын аюулгүй байдал
Энэ нь шатамхай хольцын чухал шинж чанар бөгөөд учир нь энэ нь хариу үйлдэл нь тайван, удирдаж болох эсэх, эсвэл үйл явц нь тэсэрч дэлбэрэх шинж чанартай эсэхийг дүгнэх боломжийг олгодог. Шаталтын хурдыг юу тодорхойлдог вэ? Мэдээжийн хэрэг, урвалжуудын концентраци, даралт, мөн "үр" -ийн энергийн хэмжээгээр.
Харамсалтай нь өргөн хүрээний агууламжтай устөрөгч нь тэсрэх аюултай. Уран зохиолд дараах тоонуудыг үзүүлэв: агаарын хольц дахь устөрөгчийн 18.5-59%. Түүгээр ч зогсохгүй энэ хязгаарын ирмэг дээр тэсэлгээний үр дүнд нэгж эзэлхүүн дэх хамгийн их энерги ялгардаг.
Шаталтын шинж чанар нь энэхүү урвалыг эрчим хүчний хяналттай эх үүсвэр болгон ашиглахад томоохон асуудал үүсгэдэг.
Шаталтын урвалын температур
Одоо бид устөрөгчийн шаталтын хамгийн бага температур гэж юу вэ гэсэн асуултын хариулт руу шууд орлоо. Энэ нь 19.6% H2 хольцтой бол 2321 K буюу 2048 oC байна. Өөрөөр хэлбэл, агаар дахь устөрөгчийн шаталтын температур илүү өндөр байдаг2000 oC (бусад концентрацийн хувьд энэ нь 2500 oC хүрч болно) бөгөөд бензиний хольцтой харьцуулахад энэ нь маш том үзүүлэлт юм (бензиний хувьд) ойролцоогоор 800 oC). Хэрэв та устөрөгчийг цэвэр хүчилтөрөгчөөр шатаах юм бол галын температур илүү өндөр байх болно (2800 oC хүртэл).
Дөлний ийм өндөр температур нь энэ урвалыг эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашиглахад өөр нэг асуудал үүсгэдэг, учир нь ийм эрс тэс нөхцөлд удаан ажиллах хайлш одоогоор байхгүй байна.
Мэдээж устөрөгчийн шаталт явагддаг камерт сайн зохион бүтээсэн хөргөлтийн системийг ашигласнаар энэ асуудлыг шийддэг.
Гарах дулааны хэмжээ
Устөрөгчийн шаталтын температурын тухай асуултын нэг хэсэг болгон энэ урвалын үед ялгардаг энергийн хэмжээний тухай мэдээлэл өгөх нь бас сонирхолтой юм. Шатамхай хольцын янз бүрийн нөхцөл, найрлагад 119 МЖ/кг-аас 141 МЖ/кг хүртэлх утгыг авсан. Энэ нь хэр их байгааг ойлгохын тулд бид бензиний хольцын ижил төстэй үнэ цэнэ нь 40 MJ / кг болохыг анхаарна уу.
Устөрөгчийн хольцын энергийн гарц нь бензинийхээс хамаагүй өндөр байдаг нь дотоод шаталтат хөдөлгүүрт түлш болгон ашиглахад асар том давуу тал юм. Гэсэн хэдий ч энд бүх зүйл тийм ч хялбар биш юм. Энэ нь устөрөгчийн нягтралтай холбоотой бөгөөд энэ нь атмосферийн даралтад хэтэрхий бага байдаг. Тэгэхээр энэ хийн 1 м3 нь ердөө 90 грамм жинтэй. Хэрэв та үүнийг 1 м3 H2 шатаавал ойролцоогоор 10-11 МЖ дулаан ялгарах бөгөөд энэ нь өмнөх үеийнхээс 4 дахин бага байна. 1 кг бензин (1 литр гаруйхан) шатаах.
Өгөгдсөн тоо баримтаас харахад устөрөгчийн шаталтын урвалыг ашиглахын тулд энэхүү хийг өндөр даралтын цилиндрт хэрхэн хадгалах талаар суралцах шаардлагатай байгаа нь технологийн болон аюулгүй байдлын хувьд аль хэдийн нэмэлт хүндрэл учруулдаг.
Устөрөгчийн шатамхай хольцыг технологид ашиглах: асуудал
Одоогоор устөрөгчийн шатамхай хольцыг хүний үйл ажиллагааны зарим салбарт аль хэдийн ашиглаж байгаа гэдгийг шууд хэлэх хэрэгтэй. Жишээлбэл, сансрын пуужингийн нэмэлт түлш, цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх эх үүсвэр, түүнчлэн орчин үеийн автомашины туршилтын загварууд. Гэсэн хэдий ч энэхүү хэрэглээний цар хүрээ нь чулуужсан түлштэй харьцуулахад өчүүхэн бөгөөд ерөнхийдөө туршилтын шинж чанартай байдаг. Үүний шалтгаан нь зөвхөн шаталтын урвалыг өөрөө удирдахад хүндрэлтэй байдаг төдийгүй H2-г хадгалах, тээвэрлэх, олборлох үйл явц юм.
Дэлхий дээрх устөрөгч нь цэвэр хэлбэрээр бараг байдаггүй тул түүнийг янз бүрийн нэгдлүүдээс авах ёстой. Жишээлбэл, уснаас. Энэ нь H2O-ээр цахилгаан гүйдэл дамжуулах замаар хийгддэг одоогийн байдлаар нэлээд алдартай арга юм. Асуудал нь энэ нь H2-г шатаах замаар олж авахаас илүү их энерги зарцуулдагт оршино.
Өөр нэг чухал асуудал бол устөрөгчийг тээвэрлэх, хадгалах явдал юм. Энэ хий нь молекулуудынхаа жижиг хэмжээтэй тул ямар ч газраас "нисч" чаддаг.савнууд. Үүнээс гадна хайлшийн металл торонд орох нь тэдний хэврэгжилтийг үүсгэдэг. Тиймээс H2 хадгалах хамгийн үр дүнтэй арга бол "бартаашгүй" хийг нягт холбож чадах нүүрстөрөгчийн атомуудыг ашиглах явдал юм.
Тиймээс устөрөгчийг их бага хэмжээгээр түлш болгон ашиглах нь зөвхөн цахилгаан эрчим хүчний "хадгалах" (жишээлбэл, салхи, нарны энергийг усны электролиз ашиглан устөрөгч болгон хувиргах) тохиолдолд л боломжтой юм., эсвэл хэрэв та сансраас (маш их байдаг) H2-г дэлхий рүү хүргэж сурвал.
