Что будет если нагреть водород
Что взрывается сильнее – чистый водород, кислород или гремучий газ? (видеоэксперимент)
Взрыв водорода vs взрыва кислорода: какой газ выигрывает по силе взрыва?
В чем разница между взрывом водорода и взрывом кислорода, и есть ли она вообще? Давайте взглянем на последовательный поджиг трех шаров и посмотрим на разницу в мощности (при просмотре уменьшите звук):
Разница очевидна, не правда ли?
Кислород, принимая участие в процессе множества взрывов, приобрел репутацию «плохого парня». Некоторые люди даже думают, что кислород взрывоопасен. Как мы можем увидеть из представленного эксперимента, без кислорода хоть и не может произойти необходимый химический процесс для взрыва, сам по себе газ не несет в себе взрывоопасности. По сути, он не более чем дополнение, аксессуар для большого ба-бах!
Горение – суть удаление кислорода из области, окружающей горящий объект, и добавление его к тому материалу, который сжигается. Пожар не может начаться без кислорода. Но сам кислород совершенно безвреден в «химии» пожара. Когда джентльмен с горелкой на длинной ручке перемещается от одного шара к другому, он демонстрирует взрывную способность водорода, кислорода, а также смеси водорода и кислорода, так называемого «гремучего газа», если соблюдена пропорциональность.
Кислород с точки зрения взрыва является настоящим разочарованием (красный шарик). Без инициирующего вещества сам по себе газ под восьмым порядковым номером в таблице Менделеева не способен сделать ничего, кроме не очень громкого «БАХ!». Ну прям ничуть не больше, чем в том случае, если вы в шарик булавкой ткнете. Горения кислорода не происходит.
Поэтому, если поджечь спичку, кислород вокруг нее не воспламенится, он лишь будет поддерживать горение в непосредственном соприкосновении с горящим объектом.
Это легко объяснимо, просто в этом миксе газов необходимые элементы уже смешаны и ждут своего часа: водород, воспламеняемый при помощи кислорода.
Этот гремучий газ стал одной из самых больших головных болей инженеров проектирующих водородные автомобили. При аварии и разгерметизации баллона с водородом, газ может смешаться в необходимой пропорции, и будет достаточно небольшой искры для очень мощного взрыва. В связи с этим на водородных автомобилях ставятся специальные ячейки для хранения опасного газа.
Кстати, водород и кислород, соединяясь, образуют всем известную Н2О. Этот эксперимент использует огонь, чтобы создать воду. Потрясающе!
Температура горения водорода: описание и условия реакции, применение в технике
Одной из актуальных проблем является загрязнение окружающей среды и ограниченность энергетических ресурсов органического происхождения. Многообещающим способом решения этих проблем является использование водорода в качестве источника энергии. В статье рассмотрим вопрос горения водорода, температуру и химию этого процесса.
Что такое водород?
Прежде чем рассматривать вопрос, какая температура сгорания водорода, необходимо вспомнить, что собой представляет это вещество.
Вам будет интересно: Эрвин Роммель, немецкий генерал-фельдмаршал: биография, семья, военная карьера, причина смерти
Водород — это самый легкий химический элемент, состоящий всего из одного протона и одного электрона. При нормальных условиях (давление 1 атм., температура 0 oC) он присутствует в газообразном состоянии. Его молекула (H2) образована 2 атомами этого химического элемента. Водород является 3-м по распространенности элементом на нашей планете, и 1-м во Вселенной (около 90 % всей материи).
Вам будет интересно: Чтение вслух: польза для взрослых и детей. Тексты для развития речи и дикции
Водородный газ (H2) не имеет запаха, вкуса и цвета. Он не токсичен, однако, когда содержание его в атмосферном воздухе составляет несколько процентов, то человек может испытывать удушье, по причине недостатка кислорода.
Любопытно отметить, что хотя с химической точки зрения все молекула H2 идентичны, физические свойства их несколько отличаются. Дело все в ориентации спинов электронов (они ответственны за появление магнитного момента), которые могут быть параллельными и антипараллельными, такую молекулу называют орто- и параводородом, соответственно.
Химическая реакция горения
Рассматривая вопрос, температуры горения водорода с кислородом, приведем химическую реакцию, которая описывает этот процесс: 2H2 + O2 => 2H2O. То есть в реакции участвуют 3 молекулы (две водорода и одна кислорода), а продуктом являются две молекулы воды. Эта реакция описывает горение с химической точки зрения, и по ней можно судить, что после ее прохождения остается только чистая вода, которая не загрязняет окружающую среду, как это происходит при сгорании органического топлива (бензина, спирта).
Вам будет интересно: Кемерово: история города, основание, интересные факты, фото
С другой стороны, эта реакция является экзотермической, то есть помимо воды она выделяет некоторое количества тепла, которое можно использовать для приведения в движение машин и ракет, а также для его перевода в другие источники энергии, например, в электричество.
Механизм процесса горения водорода
Описанная в предыдущем пункте химическая реакция известна любому школьнику старших классов, однако она является очень грубым описанием того процесса, который происходит в действительности. Отметим, что до середины прошлого века человечество не знало, как происходит горение водорода в воздухе, а в 1956 году за ее изучение была присуждена Нобелевская премия по химии.
В действительности, если столкнуть молекулы O2 и H2, то никакой реакции не произойдет. Обе молекулы являются достаточно устойчивыми. Чтобы горение происходило, и образовывалась вода, необходимо существование свободных радикалов. В частности, атомов H, O и групп OH. Ниже приводится последовательность реакций, которые происходят в действительности при горении водорода:
Что видно из этих реакций? При горении водорода образуется вода, да, верно, но происходит это только, когда группа из двух атомов OH встречается с молекулой H2. Кроме того, все реакции происходят с образованием свободных радикалов, это означает, что запускается процесс самоподдержания горения.
Таким образом, ключевой момент в запуске этой реакции заключается в образовании радикалов. Они появляются, если поднести к кислород-водородной смеси горящую спичку, либо если нагреть эту смесь выше определенной температуры.
Инициация реакции
Как было отмечено, сделать это можно двумя способами:
Процентное содержание газов в горючей смеси
Вам будет интересно: Методика преподавания математики в школе: особенности и рекомендации
Говоря о температуре горения водорода в воздухе, следует отметить, что не всякая смесь этих газов будет вступать в рассматриваемый процесс. Экспериментально установлено, что если количество кислорода меньше 6% по объему, либо если количество водорода меньше 4% по объему, то никакой реакции не будет. Тем не менее, пределы существования горючей смеси являются достаточно широкими. Для воздуха процентное содержание водорода может составлять от 4,1 % до 74,8 %. Отметим, что верхнее значение как раз соответствует необходимому минимуму по кислороду.
Если же рассматривается чистая кислород-водородная смесь, то здесь пределы еще шире: 4,1-94 %.
Уменьшение давления газов приводит к сокращению указанных пределов (нижняя граница поднимается, верхняя — опускается).
Также важно понимать, что в процессе горения водорода в воздухе (кислороде), возникающие продукты реакции (вода) приводят к уменьшению концентрации реагентов, что может привести к прекращению химического процесса.
Безопасность горения
Это важная характеристика воспламеняющейся смеси, поскольку она позволяет судить о том, происходит реакция спокойно, и можно ее контролировать, либо процесс имеет взрывной характер. От чего зависит скорость горения? Конечно же, от концентрации реагентов, от давления, а также от количества энергии «затравки».
К большому сожалению, водород в широком интервале концентраций способен к взрывному горению. В литературе приводятся следующие цифры: 18,5-59 % водорода в воздушной смеси. Причем на краях этого предела в результате детонации выделяется наибольшее количество энергии на единицу объема.
Отмеченный характер горения представляет большую проблему для использования этой реакции в качестве контролируемого источника энергии.
Температура реакции горения
Теперь мы подошли непосредственно к ответу на вопрос, какая низшая температура сгорания водорода. Она составляет 2321 К или 2048 oC для смеси с 19,6 % H2. То есть температура горения водорода в воздухе выше 2000 oC (для других концентраций она может достигать 2500 oC), и в сравнении с бензиновой смесью — это огромная цифра (для бензина около 800 oC). Если сжигать водород в чистом кислороде, то температура пламени будет еще выше (до 2800 oC).
Столь высокая температура пламени представляет еще одну проблему в использовании этой реакции в качестве источника энергии, поскольку не существует в настоящее время сплавов, которые могли бы работать длительное время в таких экстремальных условиях.
Конечно, эта проблема решается, если использовать хорошо продуманную систему охлаждения камеры, где происходит горение водорода.
Количество выделяемой теплоты
В рамках вопроса температуры горения водорода любопытно также привести данные о количестве энергии, которая выделяется во время этой реакции. Для разных условий и составов горючей смеси получили значения от 119 МДж/кг до 141 МДж/кг. Чтобы понять, насколько это много, отметим, что аналогичное значение для бензиновой смеси составляет около 40 МДж/кг.
Энергетический выход водородной смеси намного выше, чем для бензина, что является огромным плюсом для ее применения в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Однако, и здесь не все так просто. Все дело в плотности водорода, она слишком низка при атмосферном давлении. Так, 1 м3 этого газа весит всего 90 грамм. Если сжечь этот 1 м3 H2, то выделится около 10-11 МДж теплоты, что уже в 4 раза меньше, чем при сжигании 1 кг бензина (чуть больше 1 литра).
Приведенные цифры говорят о том, что для использования реакции горения водорода необходимо научиться хранить этот газ в баллонах с высоким давлением, что создает уже дополнительные сложности, как в технологическом вопросе, так и с точки зрения безопасности.
Применение водородной горючей смеси в технике: проблемы
Сразу необходимо сказать, что в настоящее время водородная горючая смесь уже используется в некоторых сферах человеческой деятельности. Например, в качестве дополнительного топлива для космических ракет, в качестве источников для выработки электрической энергии, а также в экспериментальных моделях современных автомобилей. Однако масштабы этого применения являются мизерными, по сравнению с таковыми для органического топлива и, как правило, носят экспериментальных характер. Причиной этому являются не только трудности в контроле самой реакции горения, но также в хранении, транспортировке и добыче H2.
Водород на Земле практически не существует в чистом виде, поэтому его необходимо получать из различных соединений. Например, из воды. Это достаточно популярный способ в настоящее время, который осуществляется с помощью пропускания электрического тока через H2O. Вся проблема заключается в том, что при этом расходуется больше энергии, чем потом можно получить путем сжигания H2.
Еще одна важная проблема — транспортировка и хранение водорода. Дело в том, что этот газ, ввиду маленьких размеров его молекул, способен «вылетать» из любых контейнеров. Кроме того, попадая в металлическую решетку сплавов, он вызывает их охрупчивание. Поэтому наиболее эффективным способом хранения H2 является использование атомов углерода, способных прочно связывать «неуловимый» газ.
Таким образом, применение водорода в качестве топлива в более-менее широких масштабах возможно, только если его использовать в качестве «сохранения» электричества (например, переводить ветровую и солнечную энергию в водород с помощью электролиза воды), либо если научиться доставлять H2 из космоса (где его очень много) на Землю.
Экологические проблемы сжигания водорода
Все мы знаем формулу Н2О. Некоторые еще знают, что при сжигании водорода выделяется энергия (около 140 МДж/кг). Особо упоротые еще знают, что водород производят на водородных станциях, а кислород на кислородных станциях.
Еще кто-то слышал, что это самое экологичное топливо, так как выхлоп целиком состоит из водяного пара Н2О.
На этом «знания» заканчиваются.
Про то, что водяной пар — это главный парниковый газ я писал тут:
https://smart-lab.ru/blog/659641.php
Теперь перейдем непосредственно к самому процессу сжигания.
Приблизительно процесс описывается формулой 2H2 + O2 = 2H2O + E
Проблема в том, что при сжигании водорода используют не чистый водород, а атмосферный воздух.
атмосферный воздух состоит из азота на 78%, кислорода на 21 % — кислород. 1% приходится на другие газы, включая ныне нелюбимый всеми СО2.
Так что же происходит?
Всё дело в том, что при температуре горения более 600 оС, а особенно после 1500оС начинается реакция азота и кислорода: 
тепловой эффект реакции −180,9 кДж
NO не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином, подобно угарному газу переводя его в форму, не способную переносить кислород.
При комнатной температуре и атмосферном давлении происходит окисление NO кислородом воздуха: 
Оксид азота (IV) NO2 (диоксид азота; двуокись азота) в высоких концентрациях раздражает лёгкие и может привести к серьёзным последствиям для здоровья. NO2 соединяется с водой, хорошо растворяется в жире и может проникать в капилляры лёгких, где он вызывает воспаление и астматические процессы. Концентрация NO2 свыше 200 ppm считается летальной, но уже при концентрации свыше 60 ppm могут возникать неприятные ощущения и жжение в лёгких. Долговременное воздействие более низких концентраций может вызывать головную боль, проблемы с пищеварением, кашель и лёгочные заболевания.
В клинике острого отравления оксидами азота различают четыре периода: латентный, нарастания отёка лёгких, стабилизации и обратного развития[3]. В скрытом периоде мнимого благополучия, который может продолжаться 4—12 часов, больного может беспокоить конъюнктивит, ринит и фарингит за счёт раздражения слизистых оболочек, проявляющиеся кашлем, слезотечением, общим недомоганием, однако его общее состояние в целом удовлетворительное. Затем состояние больного ухудшается: по мере развития отёка лёгких появляется влажный кашель со слизистой или кровянистой мокрота, одышка, цианоз, тахикардия, субфебрильное или фебрильное повышение температуры. Возникает чувство страха, психомоторное возбуждение и судороги. В отсутствие квалифицированной медицинской помощи это может привести к летальному исходу.
Токсичность! Оксид азота (II) — ядовитый газ с удушающим действием.
Ответствен за смог!
Смог — это чрезмерное загрязнение воздуха вредными веществами, выделенными в результате работы промышленных производств, транспортом и теплопроизводящими установками при определённых погодных условиях. Выбросы NOx считаются одной из основных причин образования фотохимического смога: 
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%BE%D0%B3
Но это мелочи!
Соединяясь с парами воды в атмосфере, NOx образуют азотную кислоту, и, вместе с оксидами серы, являются причиной образования кислотных дождей.
Лес после кислотного дождя: 
Именно по оксидам азота сильно ударили экологические нормы ЕВРО, начиная с ЕВРО-3: 
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B2%D1%80%D0%BE-6
И так, а что же при сжигании водорода?
Температура более 1500 градусов, что приводит к недопустимо высоким выбросам NOx.
при горении водорода в воздухе достигается температура около 2000°С.
(Кстати, эти любимые всеми клапана EGR в автомобилях как раз и призваны снижать образование оксидов азота)
Особо забавно читать выводы по эксплуатации экспериментальных энергических установок на водороде:
Газовая турбина на водороде
Ключевая технология, необходимая для масштабного использования водорода в газовой электроэнергетике, – водородная турбина. По оценке компании Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), на существующих газотурбинных установках можно увеличить долю водорода до 20% в смеси его с природным газом без существенных изменений в конструкции. MHPS успешно испытала в Японии сверхмощную газовую турбину серии J в работе на топливной смеси из природного газа (70%) и водорода (30%). Испытания были проведены на заводе в Такасаго на парогазовой установке мощностью 700 МВт (КПД – 63% с температурой газов после камеры сгорания ГТУ – 1600°C). Для сжигания топлива использовались горелки с вихревым перемешиванием. Благодаря водороду выбросы CO2 сократились на 10%, а выбросы оксидов азота, по мнению компании, «остались на удовлетворительном уровне».
Т.е. если мы меняем смесь природного газа и водорода на (60%) и (40%), то очевидно что выбросы оксидов азота, даже по мнению компании оказываются уже на каком-то совершенно неприличном уровне!
Кстати, ранее именно из-за оксидов азота был похоронен проект автомобиля на газотурбинном двигателе:
Урок №28. Химические свойства водорода. Применение
Химические свойства водорода
При обычных условиях молекулярный Водород сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами.
Водород вступает в реакции с простыми и сложными веществами:
Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 ↑
— При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ (см. табличку в слайде):
1). С кислородом Водород образует воду:
2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + Q
2). С галогенами Водород образует галогеноводороды, например:
3). С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:
лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях.
4). При нагревании Водород энергично реагирует с серой :
Н 2 + S = H 2 S (сероводород),
значительно труднее с селеном и теллуром.
5). С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:
2Н 2 + С (аморфный) = СН 4 (метан)
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4Н 2 О, и т. д.
Применение водорода
В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью «Водород».
Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
Осуществите превращения по схеме:
Вычислите массу воды, которую можно получить при сжигании 8 г водорода?
Хуже тротила: какими бедами грозит миру водородная энергетика
Андрей Злобин, кандидат технических наук, математик
У водорода есть еще один крупный недостаток, который представляет собой фактор серьезной опасности. Вот что об этом говорится в «Прогнозе развития энергетики мира и России до 2040 года», подготовленном Институтом энергетических исследований Российской Академии наук и аналитическим центром при Правительстве РФ. «Главная проблема современных водородных автомобилей – их высокая пожаро- и взрывоопасность (молекулы водорода способны проникать в структуру металла кузова или бака, просачиваясь из автомобиля наружу, что может привести к детонации)».
И хотя пример приводится из области автомобилестроения, то же самое можно сказать об энергетике, авиации любой другой технике, использующей водород в качестве топлива. Даже сталь является для водорода дырявым решетом, и только ее специальные марки или значительное увеличение толщины металла немного снижают остроту проблемы. Эти лишние металлические тонны делают «игрушки на водороде» крайне опасными и дорогими.
Какие еще нужно привести аргументы, чтобы понять — лоббирование водорода на замену нефти и газу откровенно смахивает на авантюризм. Ну нельзя, образно говоря, отапливать жилища тротилом, ездить, летать или плавать верхом на взрывчатке. Все это очень плохо кончится. Сколько еще Фукусим и Челенджеров должно рвануть, чтобы пришло понимание преждевременности водородной эры? Где гарантии, что нашпиговав страну «водородными минами» мы однажды не получим что-то пострашнее Чернобыля?
Я считаю, что игру в водородную рулетку нужно немедленно прекратить. Научные исследования по линии водорода продолжать можно и нужно. А всерьез рассчитывать на водородную энергетику или транспорт в ближайшие несколько десятилетий — это авантюра. И не надо дуть в уши про «потепление климата». От водорода может «потеплеть» так, что мало не покажется. Думаю, следует величать карбонариями тех, кто излишне ретиво печется о декарбонизации. Пусть начинают декарбонизацию с себя. Россия, полагаю, слушать карбонариев не обязана. Глубоко сомневаюсь, что «тротиловая энергетика» является дорогой к процветанию.