În primul rând, determinăm cantitatea de hidrogen care poate fi obținută de la 1 kg de aluminiu în diferite reacții chimice și valoarea sa energetică.
Pentru a produce hidrogen din aluminiu, se poate folosi proprietatea aluminiului pentru a interacționa cu acizi neconcentrați:
și în anumite condiții și cu apă
Masa molară a aluminiului M = 27 g / mol, care este de 0,027 kg / mol.
Masa molară de hidrogen constând din doi atomi este de 2 g / mol, ceea ce reprezintă 0,002 kg / mol.
Masa molară a apei este de 18 g / mol.
În toate aceste reacții, din cele două molecule de aluminiu, se produc trei molecule de hidrogen.
Prin urmare, în reacție, din fiecare 0,054 kg de aluminiu, se obțin 0,006 kg de hidrogen. În a doua reacție de aluminiu cu apă, 0,054 kg de apă este, de asemenea, implicată pentru a produce Al2O3. În prima reacție, cantitatea de apă care produce 2AL (OH) 3 va participa de două ori mai mult. Calculele simple arată că, pentru reacțiile chimice care implică 1 kg de aluminiu și cel puțin 1 kg de apă, se obțin 0,111 kg de hidrogen, volumul cărora în condiții normale va fi de 1,24 m 3.
Acum calculați valoarea energetică a hidrogenului produs.
Căldura de ardere a hidrogenului este de 120 MJ / kg. Pentru cantitatea de hidrogen obținută, cantitatea de energie în timpul arderii va fi de 13,32 MJ, care după conversia la mai multe unități vizuale de măsurare va fi de 3,7 kWh. energie.
În cazul în care căldura de ardere a benzinei este de 46 MJ / kg, atunci pentru a înlocui energia hidrogenului, obținută din 1 kg de aluminiu, va fi nevoie de 0,296 kg de benzină sau de aproximativ o treime dintr-un litru.
Dacă comparați aluminiul și alți reactanți implicați în reacție, atât în greutate, cât și la cost cu benzină, atunci energia din aluminiu pierde în mod clar benzină și alți combustibili tradiționali. Să comparăm, de asemenea, costurile de energie pentru obținerea aluminiului cu puterea de hidrogen obținută din aluminiu.
In industrie, aluminiul este produs prin electroliza soluției de alumină Al2 O3 în criolit topit Na3 AlF6 cu adaos de AIF3 și CaF2, la o temperatură de 960 ° C și un curent de câteva mii de amperi. Pentru topirea 1 kg de aluminiu se consumă 20 kWh. energie electrică.
Astfel, consumul de energie pentru producția de aluminiu este de 5,4 ori mai mare decât poate fi obținut din hidrogen. În ciuda faptului că aluminiul, ca și hidrogenul, este unul dintre cele mai răspândite elemente chimice de pe planetă, acesta nu poate fi folosit ca sursă de energie fără a trebui mai întâi să cheltuiască mai multă energie asupra producției sale.
Atunci când se discută despre utilizarea aluminiului ca purtător de energie, nu sunt întotdeauna luate în considerare posibilitățile tehnologice de utilizare a aluminiului. Însuși procesul de reacție chimică a producției de hidrogen din aluminiu are anumite caracteristici. Aluminiu se referă la elementele reactive și ocupă un loc între magneziu și zinc în funcție de activitate. În condiții normale, reacția cu apă nu se produce datorită filmului puternic de oxid de azot Al2O3. care protejează aluminiul de oxidarea ulterioară. Pentru ca aluminiul să interacționeze cu apa în condiții normale, este necesar să se îndepărteze filmul de oxid fără acces la aer, de exemplu sub un strat de mercur, mai degrabă o substanță otrăvitoare. Dar chiar și atunci rata de reacție este scăzută. Pentru a distruge pelicula de oxid să reacționeze aluminiu cu apă, la o presiune necesară pentru alimentarea cu apă sub formă de vapori la o temperatură de 300-350 0 C. La încălzirea vaporilor necesită timp și energie și pentru a menține vehiculul într-un blocaj de trafic în pregătire „sub abur“. Prin urmare, este mai convenabil să se utilizeze alcalii sau acid.
Atunci când aluminiul interacționează cu alcalii sau cu acid, filmul se descompune treptat și rata de reacție crește. Aceasta crește temperatura reactivilor, ceea ce la rândul lor crește rata de evoluție a hidrogenului și crește temperatura chiar mai mult. În alte reacții ale pulberii de aluminiu cu anumiți reactivi, viteza de reacție și temperatură pot fi mari, de exemplu, atunci când termitul arde. Pulberea de aluminiu poate fi o parte a unor amestecuri explozive. Atât eliberarea lentă și rapidă a căldurii în timpul reacțiilor chimice este dificil de utilizat pentru trafic.
Când lucrați, mașina trebuie adesea să accelereze rapid și să încetinească viteza sau să oprească. Creșterea sau scăderea puterii motorului se face prin schimbarea cantității de combustibil primite. Se îndepărtează rapid reactivii din pulberea de aluminiu pentru a regla cu acuratețe rata de reacție chimică este imposibilă. Prin urmare, masina nu poate accelera rapid viteza si dupa oprire pentru un timp, excesul de hidrogen va fi eliberat, creand presiune inutila.
Reacțiile chimice cu eliberare de căldură (exoterme) sunt precedate de reacții endoterme cu absorbție de căldură în prepararea reactivilor. Prin urmare, nu se poate obține energie suplimentară. În realitate, avem pierderi pentru retutarea zgurii, precum și alte pierderi de energie pentru minerit, pregătire, transport de materii prime și pierderi de căldură obișnuite în timpul remiterii și electrolizei aluminiului.
Costurile de energie pentru remorcarea convențională a resturilor de aluminiu reprezintă aproximativ 5% din costul energiei pentru producerea de aluminiu prin electroliză a topiturii materiei prime, astfel încât resturile de aluminiu nu pot fi considerate deșeuri inutile. Dar reactivii obținuți după reacții chimice, reciclați din nou în aluminiu sunt dificili și costisitori.
Acum s-au dezvoltat mai multe variante de aliaje de aluminiu, în care nu se formează un strat de protecție, dar trebuie protejate de acțiunea apei și a aerului, iar costul lor este mai mare decât cel al aluminiului convențional.
Odată cu reacția chimică, mai mult și mai mult din amestec sunt deja consumați reactivi și viteza de reacție încetinește. Cantitatea de hidrogen produsă scade, iar motorul care rulează pe hidrogen, obținut din aluminiu, deja "nu trage". Este necesar să realimentați cu o nouă parte a combustibilului. Cu toate acestea, rezervorul de combustibil rămâne aproape complet și nu un amestec complet nereacționat, de exemplu, pe baza de aluminiu cu acid sau alcalin trebuie îndepărtat din rezervor, și numai atunci este posibil să se adauge noi reactivi. După îndepărtarea reactivilor folosiți și adăugarea unor noi, asigurați o etanșare sigură a orificiului de umplere, deoarece rezervorul va fi sub o anumită presiune.
Energia din aluminiu nu este atât de ecologică. Pentru tranziția autovehiculelor la combustibilul din aluminiu, este necesar să se mărească cantitatea de energie electrică de multe ori pentru a produce aluminiu și un număr suficient de alți reactivi chimici.
Există metode chimice pentru reducerea aluminiului, de exemplu, recuperarea acestuia cu elemente chimice mai active. Aceste și alte reacții similare au fost folosite pentru a obține primele mostre de aluminiu, când costul aluminiului a fost comparabil cu cel al metalelor prețioase. Poate că, pentru a reveni la acele vremuri, nu este necesar.
Articole similare
-
Producerea clorurii de hidrogen din sare de masă - ghidul chimistului 21
-
Mastercard de la Banca de Economii a soiului, caracteristici de utilizare, primire
Trimiteți-le prietenilor: