Um dos problemas urgentes é a poluição ambiental e os recursos energéticos limitados de origem orgânica. Uma maneira promissora de resolver esses problemas é usar o hidrogênio como fonte de energia. No artigo, consideraremos a questão da combustão do hidrogênio, a temperatura e a química desse processo.
O que é hidrogênio?
Antes de considerar a questão de qual é a temperatura de combustão do hidrogênio, é necessário lembrar o que é essa substância.
O hidrogênio é o elemento químico mais leve, consistindo de apenas um próton e um elétron. Em condições normais (pressão 1 atm., temperatura 0 oC) está presente no estado gasoso. Sua molécula (H2) é formada por 2 átomos desse elemento químico. O hidrogênio é o 3º elemento mais abundante em nosso planeta e o 1º no Universo (cerca de 90% de toda a matéria).
Gás hidrogênio (H2)inodoro, insípido e incolor. Não é tóxico, no entanto, quando seu conteúdo no ar atmosférico é de alguns por cento, uma pessoa pode sofrer asfixia devido à f alta de oxigênio.
É curioso notar que embora do ponto de vista químico todas as moléculas de H2 sejam idênticas, suas propriedades físicas são um pouco diferentes. Trata-se da orientação dos spins do elétron (responsáveis pelo aparecimento de um momento magnético), que pode ser paralelo e antiparalelo, tal molécula é chamada de orto- e para-hidrogênio, respectivamente.
Reação química de combustão
Considerando a questão da temperatura de combustão do hidrogênio com o oxigênio, apresentamos uma reação química que descreve este processo: 2H2 + O2=> 2H2O. Ou seja, 3 moléculas participam da reação (duas de hidrogênio e uma de oxigênio), e o produto são duas moléculas de água. Essa reação descreve a combustão do ponto de vista químico, e pode-se julgar que após sua passagem, resta apenas água pura, que não polui o meio ambiente, como ocorre durante a combustão de combustíveis fósseis (gasolina, álcool).
Por outro lado, essa reação é exotérmica, ou seja, além da água, libera um pouco de calor que pode ser usado para movimentar carros e foguetes, além de transferi-lo para outras fontes de energia, como como eletricidade.
Mecanismo do processo de combustão do hidrogênio
Descrito no anteriorparágrafo reação química é conhecido por qualquer estudante do ensino médio, mas é uma descrição muito grosseira do processo que ocorre na realidade. Observe que até meados do século passado, a humanidade não sabia como o hidrogênio queima no ar, e em 1956 o Prêmio Nobel de Química foi concedido por seu estudo.
De fato, se as moléculas O2 e H2 colidem, nenhuma reação ocorrerá. Ambas as moléculas são bastante estáveis. Para que ocorra a combustão e a formação de água, os radicais livres devem existir. Em particular, átomos de H, O e grupos OH. A seguir está uma sequência de reações que realmente ocorrem quando o hidrogênio é queimado:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
O que você vê dessas reações? Quando o hidrogênio queima, forma-se água, sim, isso mesmo, mas isso só acontece quando um grupo de dois átomos de OH encontra uma molécula de H2. Além disso, todas as reações ocorrem com a formação de radicais livres, o que significa que se inicia o processo de combustão autossustentável.
Então a chave para iniciar essa reação é a formação de radicais. Eles aparecem se você levar um fósforo aceso para uma mistura de oxigênio-hidrogênio, ou se você aquecer essa mistura acima de uma certa temperatura.
Iniciando a reação
Como observado, existem duas maneiras de fazer isso:
- Com a ajuda de uma faísca que deve fornecer apenas 0,02 mJ de calor. Este é um valor de energia muito pequeno, para comparação, digamos que o valor semelhante para uma mistura de gasolina seja 0,24 mJ e para metano - 0,29 mJ. À medida que a pressão diminui, a energia de iniciação da reação aumenta. Então, a 2 kPa, já é 0,56 mJ. De qualquer forma, esses valores são muito pequenos, então a mistura hidrogênio-oxigênio é considerada altamente inflamável.
- Com a ajuda da temperatura. Ou seja, a mistura oxigênio-hidrogênio pode simplesmente ser aquecida e, acima de uma certa temperatura, ela se inflamará. Quando isso acontece depende da pressão e da porcentagem de gases. Em uma ampla faixa de concentrações à pressão atmosférica, a reação de combustão espontânea ocorre em temperaturas acima de 773-850 K, ou seja, acima de 500-577 oC. São valores bastante elevados em comparação com uma mistura de gasolina, que começa a inflamar-se espontaneamente já a temperaturas inferiores a 300 oC.
Porcentagem de gases na mistura combustível
Falando sobre a temperatura de combustão do hidrogênio no ar, deve-se notar que nem toda mistura desses gases entrará no processo em consideração. Foi estabelecido experimentalmente que, se a quantidade de oxigênio for inferior a 6% em volume, ou se a quantidade de hidrogênio for inferior a 4% em volume, nenhuma reação ocorrerá. No entanto, os limites da existência de uma mistura combustível são bastante amplos. Para o ar, a porcentagem de hidrogênio pode variar de 4,1% a 74,8%. Observe que o valor superior corresponde apenas ao mínimo necessário para oxigênio.
Seconsidere uma mistura de oxigênio-hidrogênio puro, então os limites são ainda maiores aqui: 4, 1-94%.
Reduzir a pressão dos gases leva a uma redução nos limites especificados (o limite inferior aumenta, o superior diminui).
Também é importante entender que durante a combustão do hidrogênio no ar (oxigênio), os produtos resultantes da reação (água) levam a uma diminuição na concentração de reagentes, o que pode levar ao término do processo químico.
Segurança de combustão
Esta é uma característica importante de uma mistura inflamável, pois permite avaliar se a reação é calma e pode ser controlada, ou se o processo é explosivo. O que determina a taxa de queima? Claro, na concentração dos reagentes, na pressão, e também na quantidade de energia da "semente".
Infelizmente, o hidrogênio em uma ampla gama de concentrações é capaz de combustão explosiva. Os seguintes números são dados na literatura: 18,5-59% de hidrogênio na mistura de ar. Além disso, nas bordas desse limite, como resultado da detonação, é liberada a maior quantidade de energia por unidade de volume.
A natureza marcante da combustão apresenta um grande problema para usar esta reação como uma fonte controlada de energia.
Temperatura de reação de combustão
Agora chegamos diretamente à resposta para a pergunta, qual é a temperatura mais baixa de combustão do hidrogênio. É 2321 K ou 2048 oC para uma mistura com 19,6% H2. Ou seja, a temperatura de combustão do hidrogênio no ar é maior2000 oC (para outras concentrações pode chegar a 2500 oC), e comparado a uma mistura de gasolina, este é um número enorme (para gasolina cerca de 800 oC). Se você queimar hidrogênio em oxigênio puro, a temperatura da chama será ainda maior (até 2800 oC).
Tal alta temperatura de chama apresenta outro problema no uso desta reação como fonte de energia, já que atualmente não existem ligas que possam trabalhar por muito tempo em condições tão extremas.
Claro, esse problema é resolvido usando um sistema de refrigeração bem projetado para a câmara onde ocorre a combustão do hidrogênio.
Quantidade de calor liberada
Como parte da questão da temperatura de combustão do hidrogênio, também é interessante fornecer dados sobre a quantidade de energia que é liberada durante essa reação. Para diferentes condições e composições da mistura combustível, foram obtidos valores de 119 MJ/kg a 141 MJ/kg. Para entender o quanto isso é, notamos que um valor semelhante para uma mistura de gasolina é de cerca de 40 MJ/kg.
O rendimento energético de uma mistura de hidrogênio é muito maior do que para a gasolina, o que é uma grande vantagem para seu uso como combustível para motores de combustão interna. No entanto, nem tudo é tão simples aqui também. É tudo sobre a densidade do hidrogênio, é muito baixa à pressão atmosférica. Assim, 1 m3 desse gás pesa apenas 90 gramas. Se você queimar este 1 m3 H2, então cerca de 10-11 MJ de calor serão liberados, o que já é 4 vezes menos do que quando queimando 1 kg de gasolina (pouco mais de 1 litro).
Os números apresentados indicam que, para utilizar a reação de combustão do hidrogênio, é necessário aprender a armazenar esse gás em cilindros de alta pressão, o que já cria dificuldades adicionais, tanto em termos de tecnologia quanto de segurança.
O uso de uma mistura combustível de hidrogênio em tecnologia: problemas
Deve-se dizer desde já que atualmente a mistura combustível de hidrogênio já é utilizada em algumas áreas da atividade humana. Por exemplo, como combustível adicional para foguetes espaciais, como fontes para geração de energia elétrica, bem como em modelos experimentais de carros modernos. No entanto, a escala desta aplicação é minúscula em comparação com a dos combustíveis fósseis e é geralmente de natureza experimental. A razão para isso não é apenas a dificuldade em controlar a própria reação de combustão, mas também no armazenamento, transporte e extração de H2.
O hidrogênio na Terra praticamente não existe em sua forma pura, por isso deve ser obtido a partir de vários compostos. Por exemplo, da água. Este é um método bastante popular no momento, que é realizado passando uma corrente elétrica através de H2O. O problema é que isso consome mais energia do que pode ser obtido queimando H2.
Outro problema importante é o transporte e armazenamento de hidrogênio. O fato é que esse gás, devido ao pequeno tamanho de suas moléculas, é capaz de "voar" de qualquercontainers. Além disso, entrando na rede metálica das ligas, causa sua fragilização. Portanto, a maneira mais eficiente de armazenar H2 é usar átomos de carbono que podem ligar firmemente o gás "elusivo".
Assim, o uso do hidrogênio como combustível em maior ou menor escala só é possível se for usado como "armazenamento" de eletricidade (por exemplo, convertendo energia eólica e solar em hidrogênio usando eletrólise da água), ou se você aprender a entregar H2 do espaço (onde há muito) para a Terra.
