stringtranslate.com

Кислородистый водород

Электролитическая ячейка девятнадцатого века для получения оксиводорода

Кислородно-водородная смесь представляет собой смесь газов водорода (H 2 ) и кислорода (O 2 ). Эта газовая смесь используется в горелках для обработки огнеупорных материалов и была первой [1] газовой смесью, используемой для сварки . Теоретически, соотношение водорода и кислорода 2:1 достаточно для достижения максимальной эффективности; на практике необходимо соотношение 4:1 или 5:1, чтобы избежать окислительного пламени . [2]

Эту смесь также можно назвать Knallgas (скандинавское и немецкое Knallgas ; букв. « газ взрыва » ), хотя некоторые авторы определяют knallgas как общий термин для смеси топлива с точным количеством кислорода, необходимым для полного сгорания, таким образом, 2:1 окси-водород будет называться «водород-газ взрыва». [3] 

«Газ Брауна» и HHO — термины для обозначения оксигидрогена, возникшие в псевдонауке , хотя предпочтительнее использовать обозначение x H 2 + y O 2 , поскольку HHO означает H 2 O .

Характеристики

Кислородно-водородный газ воспламеняется при достижении температуры самовоспламенения . Для стехиометрической смеси в воздухе при нормальном атмосферном давлении самовоспламенение происходит при температуре около 570 °C (1065 °F). [4] Минимальная энергия, необходимая для воспламенения такой смеси при более низких температурах с помощью искры, составляет около 20 микроджоулей . [4] При стандартной температуре и давлении кислородно-водородный газ может гореть, если его объемное содержание водорода составляет от 4% до 95%. [5] [4]

При воспламенении газовая смесь преобразуется в водяной пар и выделяет энергию , которая поддерживает реакцию: 241,8 кДж энергии ( LHV ) на каждый моль сгоревшего H2 . Количество выделяемой тепловой энергии не зависит от режима горения, но температура пламени меняется . [6] Максимальная температура около 2800 °C (5100 °F) достигается при точной стехиометрической смеси , примерно на 700 °C (1300 °F) горячее, чем пламя водорода в воздухе. [7] [8] [9] Когда любой из газов смешивается сверх этого соотношения или смешивается с инертным газом, таким как азот, тепло должно распространиться по большему количеству вещества, и температура пламени будет ниже. [6]

Кислородно-водородный газ взрывоопасен и может детонировать при воспламенении, выделяя большое количество энергии. Это часто демонстрируется в классных помещениях, где учителя наполняют баллон газом из-за легкого доступа водорода и кислорода. [10]

Производство методом электролиза

Чистую стехиометрическую смесь можно получить электролизом воды , при котором для диссоциации молекул воды используется электрический ток :

Электролиз : 2H2O → 2H2 + O2
Горение : 2H2 + O2 → 2H2O​

Уильям Николсон был первым, кто разложил воду таким образом в 1800 году. Теоретически, входная энергия замкнутой системы всегда равна выходной энергии, как гласит первый закон термодинамики . Однако на практике ни одна система не является идеально закрытой, и энергия, необходимая для получения оксигидрогена, всегда превышает энергию, выделяемую при его сжигании, даже при максимальной практической эффективности, как следует из второго закона термодинамики (см. Электролиз воды#Эффективность ).

Приложения

Limelights использовали кислородно-водородное пламя в качестве высокотемпературного источника тепла.

Освещение

Было описано много форм кислородно-водородных ламп , например, « лимлайт» , в котором использовалось кислородно-водородное пламя для нагревания куска негашеной извести до белого каления . [11] Из-за взрывоопасности кислородно-водородных ламп «лимлайт» был заменен электрическим освещением .

Водородная паяльная трубка

Кислородно-водородная горелка девятнадцатого века с меховым приводом, включающая два различных типа пламегасителя

Основы кислородно-водородной паяльной трубки были заложены Карлом Вильгельмом Шееле и Джозефом Пристли примерно в последней четверти восемнадцатого века. Сама кислородно-водородная паяльная трубка была разработана французом Бошаром-де-Сароном, английским минералогом Эдвардом Даниэлем Кларком и американским химиком Робертом Хэром в конце 18-го и начале 19-го веков. [12] Она производила пламя, достаточно горячее, чтобы плавить такие огнеупорные материалы, как платина , фарфор , огнеупорный кирпич и корунд , и была ценным инструментом в нескольких областях науки. [13] Она используется в процессе Вернейля для производства синтетического корунда. [14]

Кислородно-водородная горелка

Кислородно -водородная горелка (также известная как водородная горелка ) — это кислородно-газовая горелка , которая сжигает водород ( топливо ) с кислородом ( окислитель ). Она используется для резки и сварки [15] металлов , стекол и термопластиков . [11]

Из-за конкуренции со стороны дуговой сварки и других кислородно-топливных горелок , таких как ацетиленовый резак, кислородно-водородный резак сегодня используется редко, но он остается предпочтительным инструментом для резки в некоторых узкоспециализированных областях применения.

Когда-то при обработке платины использовался кислород-водород , поскольку в то время только он мог гореть достаточно жарко, чтобы расплавить металл при температуре 1768,3 °C (3214,9 °F). [6] Эти методы были заменены электродуговой печью .

Псевдонаучные заявления

Кислородно-водородный газ ассоциируется с различными преувеличенными утверждениями. [16] [17] [18] Его часто называют «газом Брауна» или «газом HHO», термин, популяризированный физиком-экспериментатором [19] Руджеро Сантилли , который утверждал, что его газ HHO, полученный с помощью специального аппарата, является «новой формой воды» с новыми свойствами, основанными на его теории «магнетиков». [18]

Было сделано много других псевдонаучных заявлений о оксигидрогене, например, о его способности нейтрализовать радиоактивные отходы, помогать растениям прорастать и т. д. [18]

Кислородно-водородный газ часто упоминается в связи с транспортными средствами, которые, как утверждается, используют воду в качестве топлива . Наиболее распространенным и решающим контраргументом против производства этого газа на борту для использования в качестве топлива или топливной добавки является то, что для расщепления молекул воды всегда требуется больше энергии, чем возвращается при сжигании полученного газа. [17] [20] Кроме того, объем газа, который может быть произведен для потребления по требованию посредством электролиза, очень мал по сравнению с объемом, потребляемым двигателем внутреннего сгорания. [21]

В статье в журнале Popular Mechanics за 2008 год сообщалось, что кислородно-водородный газ не увеличивает экономию топлива в автомобилях . [22]

Автомобили, работающие на «водном топливе», не следует путать с автомобилями, работающими на водороде , в которых водород производится в другом месте и используется в качестве топлива или в которых он используется в качестве добавки к топливу .

Ссылки

  1. ↑ Говард Монро Рэймонд (1916), «Кислородно-водородная сварка», Modern Shop Practice, том 1 , Американское техническое общество, архивировано с оригинала 6 марта 2011 г.
  2. ^ Виалл, Итан (1921). Газовая горелка и термитная сварка. McGraw-Hill. стр. 10. Архивировано из оригинала 3 августа 2016 г.
  3. ↑ W. Dittmar, «Упражнения по количественному химическому анализу», 1887, стр. 189 Архивировано 27 июня 2014 г. в Wayback Machine
  4. ^ abc O'Connor, Ken. "Hydrogen" (PDF) . NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual . Архивировано из оригинала (PDF) 2 февраля 2013 г.
  5. ^ Moyle, Morton; Morrison, Richard; Churchill, Stuart (март 1960). «Характеристики детонации смесей водорода и кислорода» (PDF) . Журнал AIChE . 6 (1): 92–96. Bibcode :1960AIChE...6...92M. doi :10.1002/aic.690060118. hdl : 2027.42/37308 .
  6. ^ abc Chisholm, Hugh , ed. (1911). "Кислородоводородное пламя"  . Encyclopaedia Britannica . Vol. 20 (11th ed.). Cambridge University Press. p. 424.
  7. ^ Calvert, James B. (21 апреля 2008 г.). «Водород». Денверский университет . Архивировано из оригинала 18 апреля 2009 г. Получено 23 апреля 2009 г. Пламя горелки из смеси воздуха и водорода достигает 2045 °C, тогда как пламя из смеси кислорода и водорода достигает 2660 °C.
  8. ^ "Адиабатическая температура пламени". The Engineering Toolbox . Архивировано из оригинала 28 января 2008 г. Получено 23 апреля 2009 г.«Кислород как окислитель: 3473 К, воздух как окислитель: 2483 К»
  9. ^ "Температура синего пламени". Архивировано из оригинала 16 марта 2008 г. Получено 5 апреля 2008 г.«Водород в воздухе: 2400 К, Водород в кислороде: 3080 К»
  10. ^ Вернон, Джулия (август 2011 г.). Акустическая характеристика взрывающихся водородно-кислородных баллонов (диссертация) . Получено 15 августа 2024 г.
  11. ^ ab Tilden, William Augustus (1926). Химические открытия и изобретения в двадцатом веке. Adamant Media Corporation. стр. 80. ISBN 978-0-543-91646-4.
  12. ^ Хофманн, AW (1875). «Отчет о развитии химического искусства за последние десять лет». Chemical News . Производственные химики.
  13. ^ Гриффин, Джон Джозеф (1827). Практический трактат об использовании паяльной трубки в химическом и минеральном анализе. Глазго: R. Griffin & co.
  14. ^ "Процесс Вернейля". Encyclopaedia Britannica . 22 октября 2013 г. Получено 11 июля 2018 г.
  15. ^ PN Rao (2001), "24.4 Водородно-кислородная сварка", Технология производства: литейное производство, формовка и сварка (2-е изд.), Tata McGraw-Hill Education, стр. 373–374, ISBN 978-0-07-463180-5, архивировано из оригинала 27 июня 2014 г.
  16. ^ "Eagle Research Institute - Brown's Gas - Myth-concepts". Архивировано из оригинала 18 апреля 2019 г. Получено 11 июля 2018 г.
  17. ^ ab Ball, Philip (10 сентября 2007 г.). "Горящая вода и другие мифы". News@nature . Springer Nature. doi : 10.1038/news070910-13 . ISSN  1744-7933. S2CID  129704116.
  18. ^ abc Ball, Philip (2006). «Ядерные отходы привлекают внимание звезд». News@nature . doi :10.1038/news060731-13. ISSN  1744-7933. S2CID  121246705.
  19. ↑ Weimar, Carrie (7 мая 2007 г.). «Отверженный мейнстримом, ученый подает в суд». St. Petersburg Times . Получено 3 февраля 2011 г.
  20. ^ Шадевальд, Р. Дж. (2008). Их собственные миры: краткая история ошибочных идей: креационизм, теория плоской Земли, энергетические аферы и дело Великовского. Xlibris US. ISBN 978-1-4628-1003-1. Получено 11 июля 2018 г. .
  21. ^ Симпсон, Брюс (май 2008 г.). «Доказательство того, что HHO — это мошенничество». Aardvark Daily . Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 г. Получено 12 февраля 2012 г.
  22. ↑ Автомобили на водном топливе: водородный электролизер не может увеличить расход топлива. Архивировано 20 марта 2015 г., Wayback Machine , Майк Аллен, 7 августа 2008 г., Popularmechanics.com