Реакція горіння водню в кисні. Температура горіння водню: опис і умови реакції, застосування в техніці
Однією з актуальних проблем є забруднення навколишнього середовища і обмеженість енергетичних ресурсів органічного походження. Багатообіцяючим способом вирішення цих проблем є використання водню в якості джерела енергії. У статті розглянемо питання горіння водню, температуру і хімію цього процесу.
Що таке водень?
Перш ніж розглядати питання, яка температура згоряння водню, необхідно згадати, що собою являє ця речовина.
Водень - це найлегший хімічний елемент, що складається всього з одного протона і одного електрона. При нормальних умовах (тиск 1 атм., Температура 0 o C) він присутній в газоподібному стані. Його молекула (H 2) утворена 2 атомами цього хімічного елемента. Водень є 3-м за поширеністю елементом на нашій планеті, і 1-м у Всесвіті (близько 90% всієї матерії).
Водневий газ (H 2) не має запаху, смаку і кольору. Він не токсичний, однак, коли зміст його в атмосферному повітрі становить кілька відсотків, то людина може відчувати задуху, через брак кисню.
Цікаво відзначити, що хоча з хімічної точки зору все молекула H 2 ідентичні, фізичні властивості їх дещо відрізняються. Справа все в орієнтації спінів електронів (вони відповідальні за появу магнітного моменту), які можуть бути паралельними і антипаралельними, таку молекулу називають орто- і параводорода, відповідно.
Хімічна реакція горіння
Розглядаючи питання, температури горіння водню з киснем, наведемо хімічну реакцію, яка описує цей процес: 2H 2 + O 2 \u003d\u003e 2H 2 O. Тобто в реакції беруть участь 3 молекули (дві водню і одна кисню), а продуктом є дві молекули води . Ця реакція описує горіння з хімічної точки зору, і з нею можна судити, що після її проходження залишається тільки чиста вода, яка не забруднює навколишнє середовище, як це відбувається при згорянні органічного палива (бензину, спирту).
З іншого боку, ця реакція є екзотермічної, тобто крім води вона виділяє деякий кількості тепла, яке можна використовувати для приведення в рух машин і ракет, а також для його перекладу в інші джерела енергії, наприклад, в електрику.
Механізм процесу горіння водню
Описана в попередньому пункті хімічна реакція відома кожному школяреві старших класів, проте вона є дуже грубим описом того процесу, який відбувається в дійсності. Відзначимо, що до середини минулого століття людство не знало, як відбувається горіння водню в повітрі, а в 1956 році за її вивчення була присуджена Нобелівська премія з хімії.
Насправді, якщо зіштовхнути молекули O 2 і H 2, то ніякої реакції не відбудеться. Обидві молекули є досить стійкими. Щоб горіння відбувалося, і утворювалася вода, необхідно існування вільних радикалів. Зокрема, атомів H, O і груп OH. Нижче наводиться послідовність реакцій, які відбуваються в дійсності при горінні водню:
- H + O 2 \u003d\u003e OH + O;
- OH + H 2 \u003d\u003e H 2 O + H;
- O + H 2 \u003d OH + H.
Що видно з цих реакцій? При горінні водню утворюється вода, так, вірно, але відбувається це тільки, коли група з двох атомів OH зустрічається з молекулою H 2. Крім того, всі реакції відбуваються з утворенням вільних радикалів, це означає, що запускається процес самопідтримки горіння.
Таким чином, ключовий момент в запуску цієї реакції полягає в утворенні радикалів. Вони з'являються, якщо піднести до кисень-водневої суміші запалений сірник, або якщо нагріти цю суміш вище певної температури.
ініціація реакції
Як було відзначено, зробити це можна двома способами:
- За допомогою іскри, яка повинна надати всього 0,02 мДж теплоти. Це дуже маленьке значення енергії, для порівняння скажемо, що аналогічне значення для бензинової суміші становить 0,24 мДж, а для метанової - 0,29 мДж. Зі зменшенням тиску енергія ініціації реакції зростає. Так, при 2 кПа вона становить вже 0,56 мДж. У будь-якому випадку, це дуже маленькі значення, тому водень-киснева суміш вважається легкозаймистою.
- За допомогою температури. Тобто кисень-водневу суміш можна просто нагрівати, і вище деякої температури вона сама запалиться. Коли це станеться, залежить від тиску і процентного співвідношення газів. В широкому інтервалі концентрацій при атмосферному тиску реакція самозаймання відбувається при температурах вище 773-850 К, тобто вище 500-577 o C. Це досить високі значення в порівнянні з бензиновою сумішшю, яка починає самозайматися вже при температурах нижче 300 o C.
Процентний вміст газів у горючій суміші
Говорячи про температуру горіння водню в повітрі, слід зазначити, що не всяка суміш цих газів буде вступати в даний процес. Експериментально встановлено, що якщо кількість кисню менше 6% за обсягом, або якщо кількість водню менше 4% за обсягом, то ніякої реакції не буде. Проте, межі існування горючої суміші є досить широкими. Для повітря процентний вміст водню може становити від 4,1% до 74,8%. Відзначимо, що верхнє значення як раз відповідає необхідному мінімуму за киснем.
Якщо ж розглядається чистий кисень-воднева суміш, то тут межі ще ширше: 4,1-94%.
Зменшення тиску газів призводить до скорочення зазначених меж (нижня межа піднімається, верхня - опускається).
Також важливо розуміти, що в процесі горіння водню в повітрі (кисні), що виникають продукти реакції (вода) призводять до зменшення концентрації реагентів, що може привести до припинення хімічного процесу.
Безпека горіння
Це важлива характеристика займистою суміші, оскільки вона дозволяє судити про те, відбувається реакція спокійно, і можна її контролювати, або процес має вибуховий характер. Від чого залежить швидкість горіння? Звичайно ж, від концентрації реагентів, від тиску, а також від кількості енергії "затравки".
На превеликий жаль, водень в широкому інтервалі концентрацій здатний до вибухового горіння. В літературі наводяться такі цифри: 18,5-59% водню в повітряної суміші. Причому на краях цієї межі в результаті детонації виділяється найбільша кількість енергії на одиницю об'єму.
Зазначений характер горіння становить велику проблему для використання цієї реакції в якості контрольованого джерела енергії.
Температура реакції горіння
Тепер ми підійшли безпосередньо до відповіді на питання, яка нижча температура згоряння водню. Вона становить 2321 К або 2048 o C для суміші з 19,6% H 2. Тобто температура горіння водню в повітрі вище 2000 o C (для інших концентрацій вона може досягає 2500 o C), і в порівнянні з бензиновою сумішшю - це величезна цифра (для бензину близько 800 o C). Якщо спалювати водень в чистому кисні, то температура полум'я буде ще вище (до 2800 o C).
Настільки висока температура полум'я являє ще одну проблему в використанні цієї реакції в якості джерела енергії, оскільки не існує в даний час сплавів, які могли б працювати тривалий час в таких екстремальних умовах.
Звичайно, ця проблема вирішується, якщо використовувати добре продуману систему охолодження камери, де відбувається горіння водню.
Кількість виділеної теплоти
В рамках питання температури горіння водню цікаво також навести дані про кількість енергії, яка виділяється під час цієї реакції. Для різних умов і складів горючої суміші отримали значення від 119 МДж / кг до 141 МДж / кг. Щоб зрозуміти, наскільки це багато, відзначимо, що аналогічне значення для бензинової суміші становить близько 40 МДж / кг.
Енергетичний вихід водневої суміші набагато вище, ніж для бензину, що є величезним плюсом для її застосування в якості палива для двигунів внутрішнього згоряння. Однак, і тут не все так просто. Вся справа в щільності водню, вона занадто низька при атмосферному тиску. Так, 1 м 3 цього газу важить всього 90 грам. Якщо спалити цей 1 м 3 H 2, то виділиться близько 10-11 МДж теплоти, що вже в 4 рази менше, ніж при спалюванні 1 кг бензину (трохи більше 1 літра).
Наведені цифри говорять про те, що для використання реакції горіння водню необхідно навчитися зберігати цей газ в балонах з високим тиском, що створює вже додаткові складності, як в технологічному питанні, так і з точки зору безпеки.
Застосування водневої горючої суміші в техніці: проблеми
Відразу необхідно сказати, що в даний час воднева горюча суміш вже використовується в деяких сферах людської діяльності. Наприклад, в якості додаткового палива для космічних ракет, як джерела для вироблення електричної енергії, а також в експериментальних моделях сучасних автомобілів. Однак масштаби цього застосування є мізерними, в порівнянні з такими для органічного палива і, як правило, носять експериментальних характер. Причиною цього є не тільки труднощі в контролі самої реакції горіння, але також в зберіганні, транспортуванні та видобутку H 2.
Водень на Землі практично не існує в чистому вигляді, тому його необхідно отримувати з різних з'єднань. Наприклад, з води. Це досить популярний спосіб в даний час, який здійснюється за допомогою пропускання електричного струму через H 2 O. Вся проблема полягає в тому, що при цьому витрачається більше енергії, ніж потім можна отримати шляхом спалювання H 2.
Ще одна важлива проблема - транспортування і зберігання водню. Справа в тому, що цей газ, з огляду на маленьких розмірів його молекул, здатний "вилітати" з будь-яких контейнерів. Крім того, потрапляючи в металеву решітку сплавів, він викликає їх охрупчивание. Тому найбільш ефективним способом зберігання H 2 є використання атомів вуглецю, здатних міцно зв'язувати "невловимий" газ.
Таким чином, застосування водню як палива в більш-менш широких масштабах можливо, тільки якщо його використовувати в якості "збереження" електрики (наприклад, переводити вітрову і сонячну енергію в водень за допомогою електролізу води), або якщо навчитися доставляти H 2 з космосу (де його дуже багато) на Землю.
Чим проклинати темряву,
краще запалити хоча б
одну маленьку свічку.
Конфуцій
На початку
Перші спроби зрозуміти механізм горіння пов'язані з іменами англійця Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазьє і російського Михайла Васильовича Ломоносова. Виявилося, що при горінні речовина нікуди не «зникає», як наївно вважали колись, а перетворюється в інші речовини, в основному газоподібні і тому невидимі. Лавуазьє в 1774 році вперше показав, що при горінні з повітря йде приблизно п'ята його частина. Протягом XIX століття вчені детально досліджували фізичні і хімічні процеси, які супроводжують горіння. Необхідність таких робіт була викликана перш за все пожежами та вибухами в шахтах.
Але тільки в останній чверті ХХ століття були виявлені основні хімічні реакції, що супроводжують горіння, і по сей день в хімії полум'я залишилося чимало темних плям. Їх досліджують найсучаснішими методами в багатьох лабораторіях. У цих досліджень кілька цілей. З одного боку, треба оптимізувати процеси горіння в топках ТЕЦ і в циліндрах двигунів внутрішнього згоряння, запобігти вибухове горіння (детонацію) при стисканні в циліндрі автомобіля повітряно-бензинової суміші. З іншого боку, необхідно зменшити кількість шкідливих речовин, що утворюються в процесі горіння, і одночасно - шукати більш ефективні засоби гасіння вогню.
Існують два види полум'я. Паливо і окислювач (найчастіше кисень) можуть примусово або мимовільно підводитися до зони горіння порізно і змішуватися вже в полум'ї. А можуть змішуватися заздалегідь - такі суміші здатні горіти або навіть вибухати під час відсутності повітря, як, наприклад, пороху, піротехнічні суміші для феєрверків, ракетні палива. Горіння може відбуватися як за участю кисню, що надходить в зону горіння з повітрям, так і за допомогою кисню, укладеного в речовині-окислювачі. Одне з таких речовин - бертолетова сіль (хлорат калію KClO 3); ця речовина легко віддає кисень. Сильний окислювач - азотна кислота HNO 3: в чистому вигляді вона запалює багато органічних речовин. Нітрати, солі азотної кислоти (наприклад, у вигляді добрива - калійної або аміачної селітри), легко спалахують, якщо змішані з горючими речовинами. Ще один потужний окислювач, тетраоксид азоту N 2 O 4 - компонент ракетного палива. Кисень можуть замінити і такі сильні окислювачі, як, наприклад, хлор, в якому горять багато речовин, або фтор. Чистий фтор - один з найсильніших окислювачів, в його струмені горить вода.
Ланцюгова реакція
Основи теорії горіння і розповсюдження полум'я були закладені в кінці 20-х років минулого століття. В результаті цих досліджень були відкриті розгалужені ланцюгові реакції. За це відкриття вітчизняний физикохимик Микола Миколайович Семенов і англійський дослідник Сиріл Хиншельвуд були в 1956 році удостоєні Нобелівської премії з хімії. Простіші нерозгалужені ланцюгові реакції відкрив ще в 1913 році німецький хімік Макс Боденштейн на прикладі реакції водню з хлором. Сумарно реакція виражається простим рівнянням H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl. Насправді вона йде за участю дуже активних осколків молекул - так званих вільних радикалів. Під дією світла в ультрафіолетовій та синій областях спектра або при високій температурі молекули хлору розпадаються на атоми, які і починають довгу (іноді до мільйона ланок) ланцюжок перетворень; кожне з цих перетворень називається елементарної реакцією:
Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl і т. Д.
На кожній стадії (ланці реакції) відбувається зникнення одного активного центру (атома водню або хлору) і одночасно з'являється новий активний центр, який продовжує ланцюг. Ланцюги обриваються, коли зустрічаються дві активні частки, наприклад Cl + Cl → Cl 2. Кожна ланцюг поширюється дуже швидко, тому, якщо генерувати «початкові» активні частинки з високою швидкістю, реакція піде так швидко, що може призвести до вибуху.
Н. Н. Семенов і Хиншельвуд виявили, що реакції горіння парів фосфору і водню йдуть інакше: найменша іскра або відкрите полум'я можуть викликати вибух навіть при кімнатній температурі. Ці реакції - розгалужено-ланцюгові: активні частинки в ході реакції «розмножуються», тобто при зникненні однієї активної частки з'являються дві або три. Наприклад, в суміші водню і кисню, яка може спокійно зберігатися сотні років, якщо немає зовнішніх впливів, поява по тій або іншій причині активних атомів водню запускає такий процес:
H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.
Таким чином, за незначний проміжок часу одна активна частка (атом H) перетворюється в три (атом водню і два гідроксильних радикала OH), які запускають вже три ланцюги замість однієї. В результаті число ланцюгів лавиноподібно зростає, що моментально призводить до вибуху суміші водню і кисню, оскільки в цій реакції виділяється багато теплової енергії. Атоми кисню присутні в полум'ї і при горінні інших речовин. Їх можна виявити, якщо направити струмінь стисненого повітря поперек верхньої частини полум'я пальника. При цьому в повітрі виявиться характерний запах озону - це атоми кисню «прилипли» до молекул кисню з утворенням молекул озону: О + О 2 \u003d О 3, які і були винесені з полум'я холодним повітрям.
Можливість вибуху суміші кисню (або повітря) з багатьма горючими газами - воднем, чадним газом, метаном, ацетиленом - залежить від умов, в основному від температури, складу і тиску суміші. Так, якщо в результаті витоку побутового газу на кухні (він складається в основному з метану) його вміст у повітрі перевищить 5%, то суміш вибухне від полум'я сірника або запальнички і навіть від маленької іскри, що проскочила в вимикачі при запалюванні світла. Вибуху не буде, якщо ланцюга обриваються швидше, ніж встигають розгалужуватись. Саме тому була безпечною лампа для шахтарів, яку англійський хімік Хемфрі Деві розробив в 1816 році, нічого не знаючи про хімії полум'я. У цій лампі відкритий вогонь був відгороджений від зовнішньої атмосфери (яка могла виявитися вибухонебезпечною) частою металевою сіткою. На поверхні металу активні частинки ефективно зникають, перетворюючись в стабільні молекули, і тому не можуть проникнути в зовнішнє середовище.
Повний механізм розгалужено-ланцюгових реакцій дуже складний і може включати більше сотні елементарних реакцій. До розгалужено-ланцюговим відносяться багато реакції окислення і горіння неорганічних і органічних сполук. Такий же буде і реакція поділу ядер важких елементів, наприклад плутонію або урану, під впливом нейтронів, які виступають аналогами активних частинок в хімічних реакціях. Проникаючи в ядро \u200b\u200bважкого елементу, нейтрони викликають його розподіл, що супроводжується виділенням дуже великої енергії; одночасно з ядра вилітають нові нейтрони, які викликають поділ сусідніх ядер. Хімічні та ядерні розгалужено-ланцюгові процеси описуються подібними математичними моделями.
Що треба для початку
Щоб почалося горіння, потрібно виконати ряд умов. Перш за все, температура горючої речовини повинна перевищувати якесь граничне значення, яке називається температурою займання. Знаменитий роман Рея Бредбері «451 градус за Фаренгейтом» названий так тому, що приблизно при цій температурі (233 ° C) загоряється папір. Це «температура займання», вище якої тверде паливо виділяє горючі пари або газоподібні продукти розкладання в кількості, достатній для їх стійкого горіння. Приблизно така ж температура займання і у сухий соснової деревини.
Температура полум'я залежить від природи горючої речовини і від умов горіння. Так, температура в полум'я метану на повітрі досягає 1900 ° C, а при горінні в кисні - 2700 ° C. Ще більш гаряче полум'я дають при згорянні в чистому кисні водень (2800 ° C) і ацетилен (3000 ° C). Недарма полум'я ацетиленового пальника легко ріже майже будь-який метал. Найбільшу ж високу температуру, близько 5000 ° C (вона зафіксована в Книзі рекордів Гіннесса), дає при згорянні в кисні легкокипящая рідина - субнітрід вуглецю З 4 N 2 (ця речовина має будову діціаноацетілена NC-C \u003d C-CN). А за деякими відомостями, при горінні його в атмосфері озону температура може доходити до 5700 ° C. Якщо ж цю рідину підпалити на повітрі, вона згорить червоним коптящим полум'ям з зелено-фіолетового облямівкою. З іншого боку, відомі і холодні пламена. Так, наприклад, горять при низькому тиску пари фосфору. Порівняно холодну полум'я виходить і при окисленні в певних умовах сірковуглецю і легких вуглеводнів; наприклад, пропан дає холодну полум'я при зниженому тиску і температурі від 260-320 ° C.
Тільки в останній чверті ХХ століття став прояснюватися механізм процесів, що відбуваються в полум'я багатьох горючих речовин. Механізм цей дуже складний. Вихідні молекули зазвичай занадто великі, щоб, реагуючи з киснем, безпосередньо перетворитися на продукти реакції. Так, наприклад, горіння октану, одного з компонентів бензину, виражається рівнянням 2С 8 Н 18 + 25о 2 \u003d 16СО 2 + 18Н 2 О. Проте все 8 атомів вуглецю і 18 атомів водню в молекулі октану ніяк не можуть одночасно з'єднатися з 50 атомами кисню : для цього має розірватися безліч хімічних зв'язків і утворитися безліч нових. Реакція горіння відбувається багатостадійну - так, щоб на кожній стадії розривалося й набиралося лише невелике число хімічних зв'язків, і процес складається з безлічі послідовно протікають елементарних реакцій, сукупність яких і представляєтьсяспостерігачеві як полум'я. Вивчати елементарні реакції складно перш за все тому, що концентрації реакційно-здатних проміжних частинок в полум'ї вкрай малі.
усередині полум'я
Оптичне зондування різних ділянок полум'я за допомогою лазерів дозволило встановити якісний і кількісний склад присутніх там активних частинок - осколків молекул горючої речовини. Виявилося, що навіть в простій на вигляд реакції горіння водню в кисні 2Н 2 + О 2 \u003d 2Н 2 О відбувається більше 20 елементарних реакцій за участю молекул О2, Н 2, О 3, Н 2 О 2, Н 2 О, активних частинок Н, О, ОН, НО 2. Ось, наприклад, що написав про цю реакції англійський хімік Кеннет Бейлі в 1937 році: «Рівняння реакції з'єднання водню з киснем - перше рівняння, з яким знайомиться більшість початківців вивчати хімію. Реакція ця здається їм дуже простий. Але навіть професійні хіміки бувають кілька вражені, побачивши книгу в сотню сторінок під назвою «Реакція кисню з воднем», опубліковану Хіншельвуда і Вільямсоном в 1934 році ». До цього можна додати, що в 1948 році була опублікована значно більша за обсягом монографія А. Б. Налбандяна і В. В. Воєводського під назвою «Механізм окислення і горіння водню».
Сучасні методи дослідження дозволили вивчити окремі стадії подібних процесів, виміряти швидкість, з якою різні активні частинки реагують один з одним і зі стабільними молекулами при різних температурах. Знаючи механізм окремих стадій процесу, можна «зібрати» і весь процес, тобто змоделювати полум'я. Складність такого моделювання полягає не тільки у вивченні всього комплексу елементарних хімічних реакцій, але і в необхідності враховувати процеси дифузії частинок, теплопереносу і конвекційних потоків в полум'я (саме останні влаштовують зачаровує гру мов багаття, що горить).
Звідки все береться
Основне паливо сучасної промисловості - вуглеводні, починаючи від найпростішого, метану, і закінчуючи важкими вуглеводнями, які містяться в мазуті. Полум'я навіть найпростішого вуглеводню - метану може включати до ста елементарних реакцій. При цьому далеко не всі з них вивчені досить докладно. Коли горять важкі вуглеводні, наприклад ті, що містяться в парафіні, їх молекули не можуть досягти зони горіння, залишаючись цілими. Ще на підході до полум'я вони через високу температуру розщеплюються на осколки. При цьому від молекул зазвичай отщепляются групи, що містять два атоми вуглецю, наприклад З 8 Н 18 → З 2 Н 5 + З 6 Н 13. Активні частки з непарним числом атомів вуглецю можуть отщеплять атоми водню, утворюючи з'єднання з подвійними С \u003d С і потрійними С≡С зв'язками. Було виявлено, що в полум'ї такі сполуки можуть вступати в реакції, що не були раніше відомі хімікам, оскільки поза полум'ям вони не йдуть, наприклад С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.
Поступова втрата водню вихідними молекулами призводить до збільшення в них частки вуглецю, поки не утворюються частинки З 2 Н 2, С 2 Н, С 2. Зона синьо-блакитного полум'я зумовлена \u200b\u200bсвіченням в цій зоні порушених частинок З 2 і СН. Якщо доступ кисню в зону горіння обмежений, то ці частки не окислюються, а збираються в агрегати - полимеризуются за схемою С 2 Н + С 2 Н 2 → З 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → З 6 Н 2 + Н і т. д.
В результаті утворюються частинки сажі, що складаються майже виключно з атомів вуглецю. Вони мають форму крихітних кульок діаметром до 0,1 мікрометра, які містять приблизно мільйон атомів вуглецю. Такі частинки при високій температурі дають добре світиться полум'я жовтого кольору. У верхній частині полум'я свічки ці частинки згорають, тому свічка не димить. Якщо ж відбувається подальше злипання цих аерозольних часток, то утворюються більші частки сажі. В результаті полум'я (наприклад, палаючої гуми) дає чорний дим. Такий дим з'являється, якщо в вихідному паливі підвищена частка вуглецю щодо водню. Прикладом можуть служити скипидар - суміш вуглеводнів складу З 10 Н 16 (C n H 2n-4), бензол З 6 Н 6 (C n H 2n-6), інші горючі рідини з недоліком водню - всі вони при горінні коптять. Закіптюжений і яскраво світить полум'я дає палаючий на повітрі ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n-2); колись таке полум'я використовували в ацетиленових ліхтарях, встановлених на велосипедах і автомобілях, в шахтарських лампах. І навпаки: вуглеводні з високим вмістом водню - метан СН 4, етан С 2 Н 6, пропан С 3 Н 8, бутан З 4 Н 10 (загальна формула C n H 2n + 2) - горять при достатньому доступі повітря майже безбарвним полум'ям. Суміш пропану і бутану в вигляді рідини під невеликим тиском знаходиться в запальничках, а також в балонах, які використовують дачники і туристи; такі ж балони встановлені в автомобілях, що працюють на газі. Порівняно недавно було виявлено, що в кіптяви часто присутні кулясті молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю; їх назвали фулеренами, а відкриття цієї нової форми вуглецю було ознаменовано присудженням в 1996 році Нобелівської премії з хімії.
Водню становить приблизно 140 МДж / кг (верхня) або 120 МДж / кг (нижня), що в кілька разів перевищує питому теплоту згоряння вуглеводневих палив (для метану - близько 50 МДж / кг).
Гримучий газ самозаймається при атмосферному тиску і температурі 510 ° C. При кімнатній температурі за відсутності джерел запалювання (іскра, відкрите полум'я) гримучий газ може зберігатися необмежено довго, проте він здатний вибухнути від самого слабкого джерела, так як для ініціювання вибуху досить іскри з енергією 17 мікроджоулів. З урахуванням того, що водень має здатність проникати через стінки судин, в яких він зберігається, наприклад, дифундувати крізь металеві стінки газового балона, і не володіє ніяким запахом, при роботі з ним слід бути надзвичайно обережним.
отримання
Крива залежності між критичними тиском і температурою, при яких відбувається самозаймання суміші, має характерну Z-подібну форму, як показано на малюнку. Нижня, середня і верхня гілки цієї кривої називаються відповідно першим, другим і третім межами займання. Якщо розглядаються тільки перші два межі, то крива має форму півострова, і традиційно цей малюнок називається півостровом займання.
спірні теорії
У 1960-і роки американський інженер Вільям Роудс (William Rhodes) нібито відкрив «нову форму» води, комерціалізовану Юллом Брауном (Yull Brown), болгарським фізиком, який емігрував до Австралії. «Браунський газ», тобто фактично суміш кисню і водню, що отримується в апараті електролізу води, оголошувався здатним очищати радіоактивні відходи, горіти як паливо, розслабляти м'язи і стимулювати пророщування насіння. Згодом італійський фізик Руджеро Сантіллі (en: Ruggero Santilli) висунув гіпотезу, яка стверджує існування нової форми води в вигляді «газу HHO», тобто хімічної структури виду (H × H - O), де «×» представляє гіпотетичну магнекулярную зв'язок, а « - »- звичайну ковалентний зв'язок. Стаття Сантіллі, опублікована в авторитетному реферованому журналі International Journal of Hydrogen Energy, викликала жорстку критику з боку колег, які назвали затвердження Сантіллі псевдонауковими, однак деякі інші вчені виступили на підтримку Сантіллі.
Примітки
- , С. 85,196.
- , С. 311.
- Konnov A. A. Remaining uncertainties in the kinetic mechanism of hydrogen combustion // Combustion and Flame. - Elsevier, 2008. - Vol. 152, № 4. - P. 507-528. - DOI: 10.1016 / j.combustflame.2007.10.024.
- Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion // Journal of Propulsion and Power. - American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. - Vol. 27, № 2. - P. 383-395. - DOI: 10.2514 / 1.48553.
- Burke M. P., Chaos M., Ju Y., Dryer F. L., Klippenstein S. J. Comprehensive H 2 / O 2 kinetic model for high-pressure combustion // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Vol. 44, № 7. - P. 444-474. - DOI: 10.1002 / kin.20603.
- , С. 35.
- Ball, Philip. Nuclear waste gets star attention (англ.) // Nature: journal. - 2006. - ISSN 1744-7933. - DOI: 10.1038 / news060731-13.
- Ruggero Maria Santilli. A new gaseous and combustible form of water (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy: journal. - 2006. - Vol. 31, no. 9. - P. 1113-1128. - DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2005.11.006.
- J. M. Calo.
T \u003d 1.5 × 10 7 K. Для кожної реакції наведено енерговиділення (енергія реакції Q).
Перша реакція в ланцюжку - взаємодія двох ядер водню з утворенням дейтрона, позитрона і нейтрино. Ця реакція відбувається в результаті слабкої взаємодії і є визначальною в швидкості всієї pp-ланцюжка (t \u003d 5.8 х 10 9 років). На другому етапі в результаті взаємодії утворився дейтрона з воднем відбувається утворення ізотопу 3 He з випусканням -кванта. Далі може реалізуватися одна з двох можливостей. З ймовірністю 69% відбувається реакція:
дає потік високоенергічних нейтрино, доступний для реєстрації. Повна енергія (сумарна енергія реакції Q), що виділяється в результаті синтезу ізотопу 4 He з 4 протонів, становить 24.7 МеВ - для ланцюжків ppI, ppIII і 25.7 МеВ для ланцюжка ppII. Утворені при синтезі позитрони анігілюють, збільшуючи енерговиділення для всіх ланцюжків до 26.7 МеВ.
У табл. 8 наведені значення коефіцієнта S ij при E \u003d 0 для деяких реакцій pp - циклу і невизначеності оцінок величин відповідних коефіцієнтів.
Таблиця 8
Значення величин коефіцієнта S ij в реакціях pp-циклу
Значення S ij, МеВ · мб |
|||
p + p → d + e + + ν |
|||
| 3 He + 3 He → 4 He + 2p |
|||
3 He + 4 He → 7 Be + γ |
|||
7 Be + p → 8 B + γ |
Значення S ij і їх невизначеності, наведені в таблиці, дозволяють отримати уявлення про складність розрахунків ядерних реакцій в зірках і точності, досягнутої на сьогоднішній день.
Водневий цикл може починатися також з реакції:
У зірках з масою більшою, ніж у Сонця, pp - ланцюжок не є головним джерелом енергії.
Речовина зірок другого покоління поряд з воднем і гелієм містить більш важкі елементи, які утворюються в реакціях горіння водню і гелію, і, зокрема, азот, вуглець, кисень, неон і інші. Ці елементи відіграють роль каталізаторів в реакціях горіння водню.
Коли температура в центрі зірки наближається до 20 млнK, в зірках починається ланцюжок ядерних реакцій, в ході яких ядра вуглецю відчувають ряд послідовних перетворень, а з водню утворюється гелій. Цей ланцюжок реакцій називається CNO - циклом.
