אחת הבעיות הדחופות היא זיהום סביבתי ומשאבי אנרגיה מוגבלים ממקור אורגני. דרך מבטיחה לפתור את הבעיות הללו היא להשתמש במימן כמקור אנרגיה. במאמר נשקול את נושא שריפת המימן, הטמפרטורה והכימיה של תהליך זה.
מהו מימן?
לפני ששוקלים את השאלה מהי טמפרטורת הבעירה של מימן, יש צורך לזכור מהו החומר הזה.
מימן הוא היסוד הכימי הקל ביותר, המורכב רק מפרטון אחד ואלקטרון אחד. בתנאים רגילים (לחץ 1 atm., טמפרטורה 0 oC) הוא קיים במצב גזי. המולקולה שלו (H2) נוצרת על ידי 2 אטומים של יסוד כימי זה. מימן הוא היסוד השלישי בשכיחותו על הפלנטה שלנו, וה-1 ביקום (כ-90% מכל החומר).
גז מימן (H2)חסר ריח, חסר טעם וצבע. עם זאת, הוא אינו רעיל, כאשר תכולתו באוויר האטמוספרי היא אחוזים בודדים, אז אדם עלול לחוות חנק עקב מחסור בחמצן.
מסקרן לציין שלמרות שמנקודת מבט כימית, כל המולקולות H2 זהות, התכונות הפיזיקליות שלהן שונות במקצת. הכל קשור לכיוון של ספינים של האלקטרונים (הם אחראים להופעת מומנט מגנטי), שיכול להיות מקביל ואנטי-מקביל, מולקולה כזו נקראת אורטו- ופארה-מימן, בהתאמה.
תגובה כימית בעירה
בהתחשב בשאלת טמפרטורת הבעירה של מימן עם חמצן, אנו מציגים תגובה כימית המתארת תהליך זה: 2H2 + O2=> 2H2O. כלומר, בתגובה משתתפות 3 מולקולות (שתיים מימן וחמצן אחד), והתוצר הוא שתי מולקולות מים. תגובה זו מתארת בעירה מנקודת מבט כימית, וניתן לשפוט כי לאחר מעברה נותרו רק מים טהורים, שאינם מזהמים את הסביבה, כפי שמתרחש בזמן שריפה של דלקים מאובנים (בנזין, אלכוהול).
מצד שני, התגובה הזו היא אקסותרמית, כלומר, בנוסף למים, היא משחררת קצת חום שיכול לשמש להנעת מכוניות ורקטות, כמו גם להעביר אותו למקורות אנרגיה אחרים, כגון כחשמל.
מנגנון של תהליך שריפת המימן
תואר בקודםתגובה כימית של פסקה ידועה לכל תלמיד תיכון, אבל זה תיאור גס מאוד של התהליך המתרחש במציאות. שימו לב שעד אמצע המאה הקודמת, האנושות לא ידעה איך מימן בוער באוויר, ובשנת 1956 הוענק פרס נובל בכימיה על מחקרו.
למעשה, אם מולקולות O2 ו-H2 יתנגשו, לא תתרחש תגובה. שתי המולקולות יציבות למדי. כדי שתתרחש בעירה ומים יווצרו, חייבים להתקיים רדיקלים חופשיים. בפרט, אטומי H, O וקבוצות OH. להלן רצף של תגובות המתרחשות למעשה כאשר מימן נשרף:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
מה אתה רואה מהתגובות האלה? כשמימן נשרף נוצרים מים, כן, זה נכון, אבל זה קורה רק כאשר קבוצה של שני אטומי OH פוגשת מולקולת H2. בנוסף, כל התגובות מתרחשות עם היווצרות של רדיקלים חופשיים, מה שאומר שמתחיל תהליך הבעירה המקיימת את עצמה.
אז המפתח לתחילת התגובה הזו הוא היווצרות של רדיקלים. הם מופיעים אם אתה מביא גפרור בוער לתערובת חמצן-מימן, או אם אתה מחמם את התערובת הזו מעל טמפרטורה מסוימת.
תגובה יזומה
כפי שצוין, ישנן שתי דרכים לעשות זאת:
- בעזרת ניצוץ שאמור לספק רק 0,02 מ"ג של חום. זהו ערך אנרגטי קטן מאוד, לשם השוואה, נניח שהערך הדומה לתערובת בנזין הוא 0.24 מ"ג, ולמתאן - 0.29 מ"ג. ככל שהלחץ יורד, אנרגיית התחלת התגובה עולה. אז, ב-2 kPa, זה כבר 0.56 mJ. בכל מקרה, מדובר בערכים מאוד קטנים, ולכן תערובת המימן-חמצן נחשבת לדליקה מאוד.
- בעזרת טמפרטורה. כלומר, ניתן פשוט לחמם את תערובת החמצן-מימן, ומעל טמפרטורה מסוימת היא תתלקח בעצמה. מתי זה קורה תלוי בלחץ ובאחוז הגזים. בטווח רחב של ריכוזים בלחץ אטמוספרי, תגובת הבעירה הספונטנית מתרחשת בטמפרטורות מעל 773-850 K, כלומר מעל 500-577 oC. מדובר בערכים גבוהים למדי בהשוואה לתערובת בנזין, שמתחילה להתלקח באופן ספונטני כבר בטמפרטורות מתחת ל-300 oC.
אחוז הגזים בתערובת הדליקה
אם כבר מדברים על הטמפרטורה של שריפת מימן באוויר, יש לציין שלא כל תערובת של גזים אלו תיכנס לתהליך הנדון. הוכח בניסוי שאם כמות החמצן קטנה מ-6% בנפח, או אם כמות המימן קטנה מ-4% בנפח, אז לא תתרחש תגובה. עם זאת, גבולות קיומה של תערובת בעירה רחבים למדי. עבור אוויר, אחוז המימן יכול לנוע בין 4.1% ל-74.8%. שים לב שהערך העליון פשוט מתאים למינימום הנדרש עבור חמצן.
אםשקול תערובת חמצן-מימן טהורה, אז הגבולות כאן אפילו יותר רחבים: 4, 1-94%.
הפחתת לחץ הגזים מביאה להפחתה בגבולות שצוינו (הגבול התחתון עולה, העליון יורד).
חשוב גם להבין שבמהלך שריפת המימן באוויר (חמצן), תוצרי התגובה המתקבלים (מים) מובילים לירידה בריכוז הריאגנטים, מה שעלול להוביל להפסקת התהליך הכימי.
בטיחות בעירה
זהו מאפיין חשוב של תערובת דליקה, מכיוון שהוא מאפשר לשפוט אם התגובה רגועה וניתנת לשליטה, או שהתהליך הוא נפיץ. מה קובע את קצב השריפה? כמובן, על ריכוז הריאגנטים, על הלחץ, וגם על כמות האנרגיה של ה"זרע".
למרבה הצער, מימן בטווח רחב של ריכוזים מסוגל לבעירה נפיצה. הנתונים הבאים ניתנים בספרות: 18.5-59% מימן בתערובת האוויר. יתרה מכך, בשולי הגבול הזה, כתוצאה מפיצוץ, משתחררת כמות האנרגיה הגדולה ביותר ליחידת נפח.
הטבע המסומן של הבעירה מהווה בעיה גדולה לשימוש בתגובה זו כמקור מבוקר של אנרגיה.
טמפרטורת תגובת בעירה
עכשיו אנחנו מגיעים ישירות לתשובה לשאלה, מהי הטמפרטורה הנמוכה ביותר של שריפת מימן. זה 2321 K או 2048 oC עבור תערובת עם 19.6% H2. כלומר, טמפרטורת הבעירה של מימן באוויר גבוהה יותר2000 oC (עבור ריכוזים אחרים זה יכול להגיע ל-2500 oC), ובהשוואה לתערובת בנזין, זהו נתון עצום (לבנזין בערך 800 oC). אם שורפים מימן בחמצן טהור, טמפרטורת הלהבה תהיה גבוהה עוד יותר (עד 2800 oC).
טמפרטורת להבה כה גבוהה מהווה בעיה נוספת בשימוש בתגובה זו כמקור אנרגיה, מכיוון שכרגע אין סגסוגות שיכולות לעבוד לאורך זמן בתנאים קיצוניים שכאלה.
כמובן, בעיה זו נפתרת על ידי שימוש במערכת קירור מתוכננת היטב עבור החדר שבו מתרחשת שריפת מימן.
כמות החום ששוחררה
כחלק משאלת טמפרטורת הבעירה של מימן, מעניין גם לספק נתונים על כמות האנרגיה המשתחררת במהלך תגובה זו. עבור תנאים והרכבים שונים של התערובת הדליקה, התקבלו ערכים מ-119 MJ/kg עד 141 MJ/kg. כדי להבין כמה זה, נציין שערך דומה לתערובת בנזין הוא כ-40 MJ/kg.
תפוקת האנרגיה של תערובת מימן גבוהה בהרבה מזו של בנזין, וזה יתרון עצום לשימוש בו כדלק למנועי בעירה פנימית. עם זאת, גם כאן לא הכל כל כך פשוט. הכל קשור לצפיפות המימן, הוא נמוך מדי בלחץ אטמוספרי. אז, 1 m3 מהגז הזה שוקל רק 90 גרם. אם תשרוף את ה-1 m3 H2, אז ישתחרר בערך 10-11 MJ של חום, שזה כבר פי 4 פחות מאשר כאשר שריפת 1 ק ג בנזין (מעט יותר מ-1 ליטר).
הנתונים המפורטים מצביעים על כך שכדי להשתמש בתגובת שריפת המימן, יש צורך ללמוד כיצד לאחסן את הגז הזה בגלילים בלחץ גבוה, מה שכבר יוצר קשיים נוספים, הן מבחינה טכנולוגית והן מבחינה בטיחותית.
השימוש בתערובת דליפת מימן בטכנולוגיה: בעיות
יש לומר מיד שכיום כבר נעשה שימוש בתערובת דליפת המימן בחלק מתחומי הפעילות האנושית. למשל, כדלק נוסף לרקטות חלל, כמקורות להפקת אנרגיה חשמלית, וכן בדגמים ניסיוניים של מכוניות מודרניות. עם זאת, קנה המידה של יישום זה הוא זעיר בהשוואה לזה של דלקים מאובנים והוא בדרך כלל ניסיוני באופיו. הסיבה לכך היא לא רק הקושי בשליטה על תגובת הבעירה עצמה, אלא גם באחסון, שינוע וחילוץ של H2.
מימן על פני כדור הארץ כמעט ולא קיים בצורתו הטהורה, ולכן יש להשיגו מתרכובות שונות. למשל ממים. זוהי שיטה פופולרית למדי כיום, המתבצעת על ידי העברת זרם חשמלי דרך H2O. כל הבעיה היא שזה צורך יותר אנרגיה ממה שניתן להשיג על ידי שריפת H2.
בעיה חשובה נוספת היא הובלה ואחסון של מימן. העובדה היא שגז זה, בשל הגודל הקטן של המולקולות שלו, מסוגל "לעוף החוצה" מכלמיכלים. בנוסף, להיכנס לסריג המתכת של סגסוגות, זה גורם להתפרקותם. לכן, הדרך היעילה ביותר לאחסן H2 היא להשתמש באטומי פחמן שיכולים לקשור בחוזקה את הגז ה"חמקמק".
לכן, השימוש במימן כדלק בקנה מידה גדול פחות או יותר אפשרי רק אם הוא משמש כ"מחסן" של חשמל (לדוגמה, המרת אנרגיית רוח ושמש למימן באמצעות אלקטרוליזה של מים), או אם תלמד להעביר את H2 מהחלל (שם יש הרבה ממנו) לכדור הארץ.
