জরুরি সমস্যাগুলির মধ্যে একটি হল পরিবেশ দূষণ এবং জৈব উত্সের সীমিত শক্তি সংস্থান৷ এই সমস্যাগুলি সমাধান করার একটি প্রতিশ্রুতিবদ্ধ উপায় হল একটি শক্তির উত্স হিসাবে হাইড্রোজেন ব্যবহার করা। নিবন্ধে আমরা হাইড্রোজেন দহন, এই প্রক্রিয়ার তাপমাত্রা এবং রসায়নের বিষয়টি বিবেচনা করব।
হাইড্রোজেন কি?
হাইড্রোজেনের জ্বলন তাপমাত্রা কী এই প্রশ্নটি বিবেচনা করার আগে, এই পদার্থটি কী তা মনে রাখা দরকার।
হাইড্রোজেন হল সবচেয়ে হালকা রাসায়নিক উপাদান, যা শুধুমাত্র একটি প্রোটন এবং একটি ইলেক্ট্রন নিয়ে গঠিত। স্বাভাবিক অবস্থায় (চাপ 1 atm., তাপমাত্রা 0 oC) এটি গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে। এর অণু (H2) এই রাসায়নিক উপাদানটির 2টি পরমাণু দ্বারা গঠিত। হাইড্রোজেন হল আমাদের গ্রহের 3য় সর্বাধিক প্রচুর উপাদান এবং মহাবিশ্বের 1ম (সমস্ত পদার্থের প্রায় 90%)।
হাইড্রোজেন গ্যাস (H2)গন্ধহীন, স্বাদহীন এবং বর্ণহীন। তবে এটি বিষাক্ত নয়, যখন বায়ুমণ্ডলীয় বাতাসে এর উপাদান কয়েক শতাংশ হয়, তখন অক্সিজেনের অভাবে একজন ব্যক্তির দমবন্ধ হতে পারে।
এটি লক্ষ্য করা কৌতূহলী যে যদিও রাসায়নিক দৃষ্টিকোণ থেকে, সমস্ত H2 অণু অভিন্ন, তাদের ভৌত বৈশিষ্ট্য কিছুটা আলাদা। এটি সবই ইলেক্ট্রন স্পিনগুলির অভিযোজন সম্পর্কে (এগুলি একটি চৌম্বকীয় মুহুর্তের উপস্থিতির জন্য দায়ী), যা সমান্তরাল এবং সমান্তরাল হতে পারে, এই ধরনের একটি অণুকে যথাক্রমে অর্থো- এবং প্যারাহাইড্রোজেন বলা হয়৷
দহন রাসায়নিক বিক্রিয়া
অক্সিজেনের সাথে হাইড্রোজেনের জ্বলন তাপমাত্রার প্রশ্নটি বিবেচনা করে, আমরা একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া উপস্থাপন করি যা এই প্রক্রিয়াটিকে বর্ণনা করে: 2H2 + O2=> 2H2O. অর্থাৎ, 3টি অণু বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে (দুটি হাইড্রোজেন এবং একটি অক্সিজেন), এবং পণ্যটি দুটি জলের অণু। এই প্রতিক্রিয়াটি রাসায়নিক দৃষ্টিকোণ থেকে দহনকে বর্ণনা করে, এবং এটি বিচার করা যেতে পারে যে এর উত্তরণের পরে, শুধুমাত্র বিশুদ্ধ জল অবশিষ্ট থাকে, যা পরিবেশকে দূষিত করে না, যেমনটি জীবাশ্ম জ্বালানী (পেট্রল, অ্যালকোহল) দহনের সময় ঘটে।
অন্যদিকে, এই প্রতিক্রিয়াটি এক্সোথার্মিক, অর্থাৎ, জল ছাড়াও, এটি কিছু তাপ নির্গত করে যা গাড়ি এবং রকেট চালানোর পাশাপাশি শক্তির অন্যান্য উত্সগুলিতে স্থানান্তর করতে ব্যবহার করা যেতে পারে, যেমন বিদ্যুৎ হিসাবে।
হাইড্রোজেন দহন প্রক্রিয়ার প্রক্রিয়া
পূর্বে বর্ণিতঅনুচ্ছেদ রাসায়নিক বিক্রিয়া যে কোনো উচ্চ বিদ্যালয়ের শিক্ষার্থীর কাছে পরিচিত, তবে এটি বাস্তবে ঘটে যাওয়া প্রক্রিয়াটির একটি খুব মোটামুটি বর্ণনা। উল্লেখ্য যে গত শতাব্দীর মাঝামাঝি পর্যন্ত, মানবজাতি জানত না যে কীভাবে বাতাসে হাইড্রোজেন জ্বলে এবং 1956 সালে রসায়নে নোবেল পুরস্কার দেওয়া হয়েছিল তার গবেষণার জন্য।
আসলে, O2 এবং H2 অণুর সংঘর্ষ হলে কোন প্রতিক্রিয়া হবে না। উভয় অণু বেশ স্থিতিশীল। দহন ঘটতে এবং জল গঠনের জন্য, মুক্ত র্যাডিকেল থাকতে হবে। বিশেষ করে, H, O পরমাণু এবং OH গ্রুপ। নিম্নলিখিত প্রতিক্রিয়াগুলির একটি ক্রম যা আসলে ঘটে যখন হাইড্রোজেন পোড়ানো হয়:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
এই প্রতিক্রিয়াগুলি থেকে আপনি কী দেখতে পাচ্ছেন? যখন হাইড্রোজেন জ্বলে, জল তৈরি হয়, হ্যাঁ, এটা ঠিক, কিন্তু এটি তখনই ঘটে যখন দুটি OH পরমাণুর একটি গ্রুপ H2 অণুর সাথে মিলিত হয়। উপরন্তু, সমস্ত প্রতিক্রিয়া ফ্রি র্যাডিক্যালের গঠনের সাথে ঘটে, যার অর্থ স্ব-স্থির দহনের প্রক্রিয়া শুরু হয়।
সুতরাং এই প্রতিক্রিয়া শুরু করার মূল চাবিকাঠি হল র্যাডিকাল গঠন। যদি আপনি একটি অক্সিজেন-হাইড্রোজেন মিশ্রণে জ্বলন্ত মিল আনেন, বা আপনি যদি এই মিশ্রণটিকে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রার উপরে গরম করেন তবে তারা উপস্থিত হয়।
প্রতিক্রিয়া শুরু করা
উল্লেখ্য হিসাবে, এটি করার দুটি উপায় রয়েছে:
- একটি স্পার্কের সাহায্যে যা শুধুমাত্র 0 প্রদান করবে,02 mJ তাপ। এটি একটি খুব ছোট শক্তি মান, তুলনা করার জন্য, আসুন বলি যে একটি পেট্রল মিশ্রণের অনুরূপ মান হল 0.24 mJ, এবং মিথেনের জন্য - 0.29 mJ। চাপ কমার সাথে সাথে প্রতিক্রিয়া সূচনা শক্তি বৃদ্ধি পায়। সুতরাং, 2 kPa এ, এটি ইতিমধ্যে 0.56 mJ। যাই হোক না কেন, এগুলো খুবই ছোট মান, তাই হাইড্রোজেন-অক্সিজেন মিশ্রণকে অত্যন্ত দাহ্য বলে মনে করা হয়।
- তাপমাত্রার সাহায্যে। অর্থাৎ, অক্সিজেন-হাইড্রোজেন মিশ্রণটি কেবল উত্তপ্ত হতে পারে এবং একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রার উপরে এটি নিজেই জ্বলে উঠবে। কখন এটি ঘটে তা গ্যাসের চাপ এবং শতাংশের উপর নির্ভর করে। বায়ুমণ্ডলীয় চাপে ঘনত্বের বিস্তৃত পরিসরে, স্বতঃস্ফূর্ত দহন প্রতিক্রিয়া 773-850 K এর উপরে, অর্থাৎ 500-577 oC এর উপরে তাপমাত্রায় ঘটে। একটি পেট্রল মিশ্রণের তুলনায় এগুলি বেশ উচ্চ মান, যা ইতিমধ্যেই 300 এর নিচে তাপমাত্রায় স্বতঃস্ফূর্তভাবে জ্বলতে শুরু করে oC.
দাহ্য মিশ্রণে গ্যাসের শতাংশ
বাতাসে হাইড্রোজেন দহনের তাপমাত্রা সম্পর্কে বলতে গেলে, এটি লক্ষ করা উচিত যে এই গ্যাসগুলির প্রতিটি মিশ্রণ বিবেচনাধীন প্রক্রিয়ায় প্রবেশ করবে না। এটি পরীক্ষামূলকভাবে প্রতিষ্ঠিত হয়েছে যে যদি অক্সিজেনের পরিমাণ আয়তনের ভিত্তিতে 6% এর কম হয়, বা হাইড্রোজেনের পরিমাণ আয়তনের ভিত্তিতে 4% এর কম হয় তবে কোন প্রতিক্রিয়া হবে না। যাইহোক, একটি দাহ্য মিশ্রণের অস্তিত্বের সীমা বেশ প্রশস্ত। বাতাসের জন্য, হাইড্রোজেনের শতাংশ 4.1% থেকে 74.8% পর্যন্ত হতে পারে। মনে রাখবেন যে উপরের মান অক্সিজেনের জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতমের সাথে মিলে যায়।
যদিএকটি বিশুদ্ধ অক্সিজেন-হাইড্রোজেন মিশ্রণ বিবেচনা করুন, তাহলে সীমা এখানে আরও বিস্তৃত: 4, 1-94%।
গ্যাসের চাপ কমানোর ফলে নির্দিষ্ট সীমা কমে যায় (নিম্ন সীমা বেড়ে যায়, উপরেরটি পড়ে)।
এটাও বোঝা গুরুত্বপূর্ণ যে বাতাসে হাইড্রোজেন (অক্সিজেন) দহনের সময়, ফলস্বরূপ প্রতিক্রিয়া পণ্য (জল) বিকারকগুলির ঘনত্ব হ্রাসের দিকে নিয়ে যায়, যা রাসায়নিক প্রক্রিয়ার সমাপ্তির দিকে নিয়ে যেতে পারে।.
দহন নিরাপত্তা
এটি একটি দাহ্য মিশ্রণের একটি গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য, কারণ এটি আপনাকে প্রতিক্রিয়াটি শান্ত এবং নিয়ন্ত্রণ করা যায় কিনা বা প্রক্রিয়াটি বিস্ফোরক কিনা তা বিচার করতে দেয়। জ্বলন হার নির্ধারণ করে কি? অবশ্যই, বিকারকগুলির ঘনত্বের উপর, চাপের উপর এবং "বীজের" শক্তির পরিমাণের উপরও।
দুর্ভাগ্যবশত, বিস্তৃত ঘনত্বের হাইড্রোজেন বিস্ফোরক দহন করতে সক্ষম। নিম্নলিখিত পরিসংখ্যান সাহিত্যে দেওয়া হয়েছে: বাতাসের মিশ্রণে 18.5-59% হাইড্রোজেন। অধিকন্তু, এই সীমার প্রান্তে, বিস্ফোরণের ফলে, প্রতি ইউনিট আয়তনে সর্বাধিক পরিমাণ শক্তি নির্গত হয়৷
দহনের চিহ্নিত প্রকৃতি এই প্রতিক্রিয়াটিকে শক্তির নিয়ন্ত্রিত উত্স হিসাবে ব্যবহার করার জন্য একটি বড় সমস্যা উপস্থাপন করে৷
দহন প্রতিক্রিয়া তাপমাত্রা
এখন আমরা সরাসরি প্রশ্নের উত্তরে আসি, হাইড্রোজেন দহনের সর্বনিম্ন তাপমাত্রা কত? 19.6% H2 সহ একটি মিশ্রণের জন্য এটি 2321 K বা 2048 oC। অর্থাৎ বাতাসে হাইড্রোজেনের দহন তাপমাত্রা বেশি2000 oC (অন্যান্য ঘনত্বের জন্য এটি 2500 oC এ পৌঁছাতে পারে), এবং একটি পেট্রলের মিশ্রণের তুলনায়, এটি একটি বিশাল পরিসংখ্যান (পেট্রলের জন্য) প্রায় 800 oC)। আপনি যদি বিশুদ্ধ অক্সিজেনে হাইড্রোজেন পোড়ান, তাহলে শিখার তাপমাত্রা আরও বেশি হবে (2800 oC)।
এই ধরনের উচ্চ শিখা তাপমাত্রা এই প্রতিক্রিয়াটিকে শক্তির উত্স হিসাবে ব্যবহার করার ক্ষেত্রে আরেকটি সমস্যা উপস্থাপন করে, যেহেতু বর্তমানে এমন কোনও সংকর ধাতু নেই যা এইরকম চরম পরিস্থিতিতে দীর্ঘ সময় ধরে কাজ করতে পারে।
অবশ্যই, হাইড্রোজেন দহন ঘটে এমন চেম্বারের জন্য একটি ভাল-পরিকল্পিত কুলিং সিস্টেম ব্যবহার করে এই সমস্যাটি সমাধান করা হয়৷
নিঃসৃত তাপের পরিমাণ
হাইড্রোজেনের জ্বলন তাপমাত্রার প্রশ্নের অংশ হিসাবে, এই প্রতিক্রিয়ার সময় যে পরিমাণ শক্তি নির্গত হয় তার ডেটা সরবরাহ করাও আকর্ষণীয়। দাহ্য মিশ্রণের বিভিন্ন অবস্থা এবং রচনার জন্য, 119 MJ/kg থেকে 141 MJ/kg পর্যন্ত মান পাওয়া গেছে। এটি কতটা তা বোঝার জন্য, আমরা লক্ষ্য করি যে একটি পেট্রল মিশ্রণের জন্য অনুরূপ মান প্রায় 40 MJ / kg।
একটি হাইড্রোজেন মিশ্রণের শক্তির ফলন পেট্রোলের তুলনায় অনেক বেশি, যা অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনগুলির জ্বালানী হিসাবে ব্যবহারের জন্য একটি বিশাল প্লাস। যাইহোক, এখানে সবকিছু এত সহজ নয়। এটি হাইড্রোজেনের ঘনত্ব সম্পর্কে, এটি বায়ুমণ্ডলীয় চাপে খুব কম। সুতরাং, এই গ্যাসের 1 m3 ওজন মাত্র 90 গ্রাম। আপনি যদি এই 1 m3 H2 পোড়ান, তাহলে প্রায় 10-11 MJ তাপ নির্গত হবে, যা ইতিমধ্যেই যখন থেকে 4 গুণ কম 1 কেজি পেট্রল পোড়ানো (মাত্র 1 লিটারের বেশি)।
প্রদত্ত পরিসংখ্যানগুলি নির্দেশ করে যে হাইড্রোজেন দহন বিক্রিয়া ব্যবহার করার জন্য, এই গ্যাসকে উচ্চ-চাপের সিলিন্ডারে কীভাবে সংরক্ষণ করতে হয় তা শিখতে হবে, যা ইতিমধ্যে প্রযুক্তি এবং নিরাপত্তা উভয় ক্ষেত্রেই অতিরিক্ত অসুবিধা সৃষ্টি করে৷
প্রযুক্তিতে হাইড্রোজেন দাহ্য মিশ্রণের ব্যবহার: সমস্যা
এটা এখনই বলতে হবে যে বর্তমানে হাইড্রোজেন দাহ্য মিশ্রণ ইতিমধ্যেই মানুষের কার্যকলাপের কিছু ক্ষেত্রে ব্যবহার করা হয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, মহাকাশ রকেটের জন্য একটি অতিরিক্ত জ্বালানী হিসাবে, বৈদ্যুতিক শক্তি উৎপাদনের উত্স হিসাবে, সেইসাথে আধুনিক গাড়ির পরীক্ষামূলক মডেলগুলিতে। যাইহোক, জীবাশ্ম জ্বালানির তুলনায় এই প্রয়োগের স্কেল ক্ষুদ্র এবং প্রকৃতিতে সাধারণত পরীক্ষামূলক। এর কারণ শুধুমাত্র দহন প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণে অসুবিধাই নয়, H2.
পৃথিবীতে হাইড্রোজেন কার্যত তার বিশুদ্ধ আকারে বিদ্যমান নেই, তাই এটি বিভিন্ন যৌগ থেকে প্রাপ্ত করা আবশ্যক। উদাহরণস্বরূপ, জল থেকে। এটি বর্তমানে একটি মোটামুটি জনপ্রিয় পদ্ধতি, যেটি H2O এর মধ্য দিয়ে বৈদ্যুতিক প্রবাহের মাধ্যমে সঞ্চালিত হয়। পুরো সমস্যা হল যে এটি H2.
আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ সমস্যা হল হাইড্রোজেন পরিবহন এবং সংরক্ষণ। আসল বিষয়টি হ'ল এই গ্যাস, এর অণুগুলির ছোট আকারের কারণে, যে কোনও থেকে "উড়তে" সক্ষম।পাত্রে উপরন্তু, alloys এর ধাতু জালি মধ্যে পেয়ে, এটি তাদের embrittlement কারণ. অতএব, H2 সঞ্চয় করার সবচেয়ে কার্যকর উপায় হল কার্বন পরমাণু ব্যবহার করা যা দৃঢ়ভাবে "অধরা" গ্যাসকে আবদ্ধ করতে পারে।
এইভাবে, কম-বেশি বৃহৎ পরিসরে জ্বালানি হিসেবে হাইড্রোজেনের ব্যবহার তখনই সম্ভব যদি এটিকে বিদ্যুতের "স্টোরেজ" হিসেবে ব্যবহার করা হয় (উদাহরণস্বরূপ, পানির তড়িৎ বিশ্লেষণ ব্যবহার করে বায়ু ও সৌরশক্তিকে হাইড্রোজেনে রূপান্তর করা), অথবা যদি আপনি শিখেন H2 মহাকাশ থেকে (যেখানে এটি অনেক আছে) পৃথিবীতে পৌঁছে দিতে।
