Гремучий газ формула химическая

Водород считается одним из наиболее перспективных топлив как эффективный и экологически чистый энергоноситель. С практической точки зрения горение водорода связано с его использованием в энергетических установках и топливных элементах и безопасностью соответствующих технологических процессов и устройств [1] . Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя), что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив (для метана — около 50 МДж/кг).

Смеси водорода с кислородом или воздухом взрывоопасны и называются гремучим газом (название происходит от knallgas, нем. knall — громкий хлопок, резкий звук выстрела или взрыва). При зажигании искрой или другим источником смесь водорода с воздухом небольшого объёма сгорает чрезвычайно быстро, с громким хлопком, что субъективно воспринимается как взрыв. В физике горения такой процесс считается медленным горением, или дефлаграцией, однако гремучий газ способен и к детонации, при этом действие взрыва оказывается существенно более сильным.

Наиболее опасны околостехиометрические смеси, где на один моль кислорода приходится два моля водорода, то есть, с учётом того, что в воздухе соотношение кислорода и азота по объёму составляет примерно 1:3,76, объёмное соотношение водорода с воздухом в гремучем газе в стехиометрическом соотношении составляет 2:4,76 ≈ 0,4. Однако гремучий газ способен гореть в широком диапазоне концентраций водорода, от 4 — 9 объёмных процентов в бедных смесях до 75% в богатых смесях, приблизительно в этих же пределах он способен и детонировать [2] .

Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении и температуре 510 °C. При комнатной температуре в отсутствие источников зажигания (искра, открытое пламя) гремучий газ может храниться неограниченно долго, однако он способен взорваться от самого слабого источника, так как для инициирования взрыва достаточно искры с энергией 17 микроджоулей [3] . С учётом того, что водород обладает способностью проникать через стенки сосудов, в которых он хранится, например, диффундировать сквозь металлические стенки газового баллона, и не обладает никаким запахом, при работе с ним следует быть чрезвычайно осторожным.

Содержание

Получение [ править | править код ]

В 1766 г. водород получил Генри Кавендиш в реакции металла с кислотой: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂ (газ). В лабораторных условиях гремучий газ можно получить электролизом воды в реакции H₂O → H₂ + 0,5 O₂.

Применение [ править | править код ]

В XIX веке для освещения в театрах использовался так называемый друммондов свет, где свечение получалось с помощью пламени кислород-водородной смеси, направленного непосредственно на цилиндр из негашёной извести, которая может нагреваться до высоких температур (белого каления) без расплавления. В пламени кислород-водородной смеси достигается высокая температура, и также в XIX веке это нашло применение в паяльных лампах для плавления тугоплавких материалов, резки и сварки металлов. Однако все эти попытки применения гремучего газа были ограничены тем, что он очень опасен в обращении, и были найдены более безопасные варианты решения этих задач.

В настоящее время водород считается перспективным топливом для водородной энергетики. При горении водорода образуется чистая вода, поэтому этот процесс считается экологически чистым. Основные проблемы связаны с тем, что затраты на производство, хранение и транспортировку водорода к месту его непосредственного применения слишком высоки, и при учёте всей совокупности факторов водород пока не может конкурировать с традиционными углеводородными топливами.

Кинетическая схема горения водорода [ править | править код ]

Горение водорода формально выражается глобальной реакцией H₂ + 0,5 O₂ → H₂O. Однако эта глобальная реакция не позволяет описать разветвлённые цепные реакции, протекающие в смесях водорода с кислородом или воздухом. В реакциях участвуют восемь компонентов: H₂, O₂, H, O, OH, HO₂, H₂O, H₂O₂. Подробная кинетическая схема химических реакций между этими молекулами и атомами включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси. При наличии в системе соединений азота или углерода число компонентов и элементарных реакций существенно увеличивается.

В силу того, что механизм горения водорода является одним из наиболее простых по сравнению с прочими газообразными топливами, такими как синтез-газ или углеводородные топлива, а кинетические схемы горения углеводородных топлив включают в себя все компоненты и элементарные реакции из механизма горения водорода, он изучается чрезвычайно интенсивно многими группами исследователей [4] [5] [6] . Однако, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, этот механизм до сих пор изучен не полностью.

Критические явления при воспламенении [ править | править код ]

При комнатной температуре стехиометрическая смесь водорода и кислорода может храниться в закрытом сосуде неограниченно долго. Однако при повышении температуры сосуда выше некоторого критического значения, зависящего от давления, смесь воспламеняется и сгорает чрезвычайно быстро, со вспышкой или взрывом. Это явление нашло своё объяснение в теории цепных реакций, за которую Н. Н. Семёнов и Сирил Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии по химии 1956 года.

Кривая зависимости между критическими давлением и температурой, при которых происходит самовоспламенение смеси, имеет характерную Z-образную форму, как показано на рисунке. Нижняя, средняя и верхняя ветви этой кривой называются соответственно первым, вторым и третьим пределами воспламенения. Если рассматриваются только первые два предела, то кривая имеет форму полуострова, и традиционно этот рисунок называется полуостровом воспламенения.

Спорные теории [ править | править код ]

В 1960-е года американский инженер Уильям Роудс (William Rhodes) якобы открыл «новую форму» воды, коммерциализированную Юллом Брауном (Yull Brown), болгарским физиком, эмигрировавшим в Австралию. «Брауновский газ», то есть фактически смесь кислорода и водорода, получаемая в аппарате электролиза воды, объявлялся способным очищать радиоактивные отходы, гореть как топливо, расслаблять мышцы и стимулировать проращивание семян [8] . Впоследствии итальянский физик Руджеро Сантилли (en:Ruggero Santilli) выдвинул гипотезу, утверждающую существование новой формы воды в виде «газа HHO», то есть химической структуры вида (H × H — O), где «×» представляет гипотетическую магнекулярную связь, а «—» — обычную ковалентную связь. Статья Сантилли, опубликованная в авторитетном реферируемом журнале International Journal of Hydrogen Energy [9] , вызвала жёсткую критику со стороны коллег, назвавших утверждения Сантилли псевдонаучными [10] , однако некоторые другие учёные выступили в поддержку Сантилли [11] [12] .

Уйти от сжигания ископаемых углеводородов и получить дешевый альтернативный источник энергии – было и остается мечтой многих предприимчивых людей. Да и кто из домовладельцев не хотел бы получить подобный источник в свое распоряжение, чтобы с минимальными затратами обогревать свое жилище? Один из таких источников – так называемый газ Брауна, получаемый из обыкновенной воды. Но как его добыть и насколько он дешев – вопросы, ответы на которые можно найти в данном материале.

Немного теории

Необходимо отметить, что резонансное разложение воды в газ Брауна – отнюдь не миф, а реальный химический процесс, призванный выделять газообразное горючее из воды. Этот газ получил свое имя в честь изобретателя, который первым попытался вывести эту технологию за рамки экспериментов. Другое название, бытующее в интернете – гремучий газ (гипотетическая формула ННО).

Горючий газ Брауна – это не что иное, как смесь свободного водорода и кислорода, выделяемого из воды путем электролитической реакции.

Вода, чью химическую формулу (Н2О) знают даже дети, — это водород, который полностью окислен. По отдельности данные химические элементы весьма активны, водород хорошо горит и считается энергоносителем, а кислород поддерживает горение. Вот почему расщепить воду, чья цена – копейки, на столь полезные составляющие стало очень популярной идеей.

В результате трудами разных людей на свет появился генератор для получения газа – электролизер. Глубоко не вдаваясь в тонкости процесса, отметим, что вышеозначенный аппарат методом электролиза выделяет из воды газ Брауна, а точнее, смесь кислорода с водородом. Для этого через погруженные в емкость с водой электроды пропускается ток оптимальной частоты. Полученный газ скапливается под водяным затвором и при достижении определенного давления выходит по трубке наружу и может быть использован в разных целях.

Целесообразность получения газа Брауна

Генераторы газа Брауна, чей принцип работы описан выше, нашли свое практическое применение в 2 сферах:

• производство водородного топлива для автомобилей;
• газопламенные работы (сварка и пайка металлов).

Ездить с электролизером на борту автомобиль не может, поскольку ему требуется внешний источник электроэнергии. Штатной батареи хватает ненадолго, потому что на получение газа Брауна необходимо израсходовать больше энергии, чем отдает само топливо при сжигании. Поэтому компании, всерьез разрабатывающие тему водородного горючего на авто, внедрили схему заправки машин топливом, полученным из отдельного генератора.

Со сваркой и пайкой металлов дело обстоит лучше, водородные горелки используются на многих производствах Западной Европы. Так как температура горения газа Брауна (2235 °C) ниже, чем ацетилена (2620 °C), а продуктом сжигания является водяной пар, то многие мероприятия по экологической безопасности стали излишними. Промышленные генераторы газа, что при этом используются, весьма дороги, поскольку для повышения эффективности в них применяются катализаторы из редких элементов, в том числе платины.

Менеджеры одной из британских производственных компаний подсчитали, что общая стоимость выделения и использования газа Брауна равняется затратам на закупку и доставку ацетилена. Только сжигание водорода безопаснее и экологичнее. Другое дело, что на его получение расходуется электроэнергия, добытая путем сжигания тех же углеводородов.

На данный момент отопление газом Брауна крайне неэффективно, потому что энергии на производство горючего затрачивается больше, нежели получается при его сгорании. Существующие электролизеры пока что не в состоянии обеспечить высокий выход топлива при малых затратах. Чтобы в этом убедиться, стоит посмотреть видео:

На второй минуте отснятого материала четко видны показания приборов генератора при работающей водородной горелке. Напряжение – 250 В, сила тока – 14 А, соответственно, потребляемая мощность аппарата составляет 250 х 14 = 3500 Вт или 3.5 кВт. А теперь вопрос: сможет ли такой факел нагреть воду для обогрева комнаты площадью хотя бы 30 м2? Даже визуально заметно, что нет. А простой электрокотел мощностью 3.5 кВт легко обогреет помещение до 40 м2.

Вывод: Горючий газ Брауна в домашних условиях не может сравниться по отоплению с обычными электрическими нагревателями. Слишком много уходит энергии на его выделение из воды, а значит, использовать его для обогрева – нецелесообразно. Самостоятельным получением водорода можно заниматься как хобби либо в качестве эксперимента.

Как получить водород в домашних условиях?

На просторах интернета легко можно отыскать чертежи и схемы самых разнообразных самодельных установок, позволяющих выделять из воды газ Брауна. Если отфильтровать информационный мусор, относящийся к этой теме, то выяснится, что у себя дома вы сможете получить водород двумя путями. Первый – это приобрести готовый электролизер, таковые уже имеются в продаже. Одна беда – цена их слишком высока, а величина КПД неизвестна.

Покупая водородный генератор, надо понимать, что он не станет для вас панацеей в плане отопления. Цена оборудования и потребляемой электроэнергии получится выше, чем простой электрический нагрев воды, так что об окупаемости речи не идет.

Можно в качестве эксперимента сделать генератор газа Брауна своими руками, позволяющий выделить небольшое количество горючего. Использовать его для обогрева здания вряд ли получится, а вот на питание небольшой горелки для плавления металла вполне может хватить. Для начала надо изготовить электролизер, представляющий собой емкость с водой, куда погружены электроды. Чем больше площадь поверхности электродов, тем выше производительность установки. Подойдут стальные пластины произвольного размера, прикрепленные к основанию из диэлектрика. Рабочая схема аппарата показана на рисунке:

Электроды опускаются в герметично закрытую емкость с водой, куда для улучшения реакции добавлена обычная соль. Через крышку выводится трубка для газа, идущая во второй сосуд, являющийся водяным затвором, он наполняется водой на 2/3.

Вторая трубка, выходящая из этой емкости, подключается к горелке. Напряжение на электроды лучше подавать с помощью автотрансформатора, контролируя его величину мультиметром. Как собрать мини-генератор газа Брауна своими руками, показано на видео:

Внимание! Если вам удалось добиться сколько-нибудь значительной производительности установки, горелку к трубке следует подключать через обратный клапан, чтобы избежать обратного удара и взрыва.

Заключение

На данный момент не существует недорогого и одновременно высокоэффективного оборудования для получения газа Брауна из воды. Пока первенство в отоплении остается за углеводородами, но технологии продолжают совершенствоваться и не исключено, что скоро водородные генераторы станут достойно конкурировать с традиционными источниками тепловой энергии.

Грем у чий газ, смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода. При поджигании гремучий газ сильно взрывается, в присутствии губчатой платины горит спокойнее; реакция 2H₂+O₂=2H₂O+ +572,5 кдж (136,74 ккал) позволяет получать высокие температуры (около 2800°C). Поэтому пламя гремучего газа служит для плавки кварца, платины и др., а также газовой сварки и резки металлов.