Сұйық сутек: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Сұйық күйде болу үшін H2 33 K-қа дейін салқындатылуы керек. Алайда, атмосфералық қысымда толық сұйық күйде болуы үшін H2 одан да төмен температураға дейін салқындатылуы тиіс. Сұйық сутек алудың әдеттегі әдісі реактивті қозғалтқышқа ұқсас компрессорды қолдану болып табылады. Сұйық сутек әдетте сутекті сақтаудың шоғырланған түрі ретінде қолданылады. Оны сұйық түрінде сақтау, қалыпты температура мен қысымда газ түрінде сақтаудан гөрі аз орын алады. Дегенмен, сұйықтық тығыздығы басқа көпте қолданылатын отындарға қарағанда өте төмен. Сұйытылғаннан кейін, оны жылу оқшаулағыш контейнерлерде біраз уақытқа дейін сұйық күйде сақтауға болады. Сутегінің екі спиндік изомері бар; бөлме температурасындағы сутек көбінесе ортосутектен тұрады, ал сұйық сутек 99,79% парасутектен және 0,21% ортосутектен тұрады.

Тарих

1885 жылы Зигмунт Флоренти Вроблевский сутегінің температурасын ; сындық қысымын ; және қайнау температурасын деп жариялады. 1898 жылы Джеймс Дьюар сутегін регенеративті салқындату әдісімен және оның өнертабысы – вакуумдік колбаны пайдаланып сұйытты. Сұйық сутегінің тұрақты изомерлік түрі, парасутегі, алғаш рет 1929 жылы Пол Хартек пен Карл Фридрих Бонхоффер жасады.

Сутегінің спиндік изомерлері

Дигидроген молекуласындағы екі ядро спиннің екі түрлі күйін қабылдауы мүмкін. Екі ядролық спині антипараллель болатын парасутек, екі спині параллель болатын ортосутекке қарағанда тұрақтырақ. Бөлме температурасында газ тәрізді сутек көбінесе жылу энергиясының әсерінен ортоизомер түрінде болады, бірақ ортоға қаныққан қоспа төмен температурада сұйытылғанда ғана метастабильді болады. Ол параизомерге айналу үшін экзотермиялық реакцияға ұшырайды, бұл кезде бөлінетін жылу энергиясы сұйықтықтың қайнауына себеп болуы мүмкін.

Қолданылуы

Сұйық сутек – ракеталық қолдану үшін кең таралған сұйық ракеталық отын. Оны NASA және АҚШ Әуе күштері пайдаланады, олардың жеке сыйымдылығы 3,8 миллион литрге (1 миллион АҚШ галлоны) дейін жететін көптеген сұйық сутек резервуарларын пайдаланады. Сұйық сутекпен жұмыс істейтін көптеген зымыран қозғалтқыштарында, ол алдымен тұмсықты және басқа да бөліктерді, әдетте сұйық оттегімен араластырмас бұрын салқындатады, содан кейін суды, аздаған мөлшерде озон мен сутек пероксидімен бірге өндіру үшін жағады. Практикалық H2–O2 зымыран қозғалтқыштары отынға бай режимде жұмыс істейді, сондықтан шығарылатын газдарда жанылмаған сутек болады. Бұл жану камерасы мен тұмсықтың тозуын азайтады. Сонымен қатар, ол шығарылатын газдардың молекулалық салмағын төмендетеді, бұл толық емес жануға қарамастан, нақты импульстің артуына мүмкіндік береді. Сұйық сутекті ішкі жану қозғалтқышының немесе отын жасушасының отыны ретінде қолдануға болады. Әртүрлі суасты кемелері, соның ішінде 212-ші және 214-ші типтегі суасты кемелері, сондай-ақ DeepC, BMW H2R сияқты сутегімен жұмыс істейтін концептуалды көліктер жасалды. Оның ұқсастығына байланысты, құрылысшылар кейде сұйытылған табиғи газ (СЖГ) жүйелері үшін жасалған жабдықты өзгертіп, бөлісе алады. Сұйық сутек авиациядағы көміртегі шығарылымсыз отын ретінде зерттеліп жатыр. Көлемдік энергия тығыздығы төмен болғандықтан, жану үшін қажетті сутек көлемі үлкен. Егер тікелей инъекция қолданылмаса, газды ығыстыру әсері де максималды тыныс алуды шектеп, сорғылау шығындарын арттырады. Сұйық сутек нейтрондарды шашырату үшін пайдаланылатын нейтрондарды салқындату үшін де қолданылады. Нейтрондар мен сутек ядроларының массалары шамалас болғандықтан, әрбір өзара әрекеттесуде кинетикалық энергия алмасуы максималды (эластикалық соқтығысу). Соңында, көптеген көпіршік камераларындағы тәжірибелерде қыздырылған сұйық сутек қолданылды. Бірінші термоядролық бомба, Ivy Mike, ядролық синтез үшін сұйық дейтерийді, сонымен қатар сутек-2 деп те аталатынды пайдаланды.

Қасиеттері

Таза оттегі ортасында сутегінің жану өнімдері тек су буынан ғана тұрады. Дегенмен, жоғары жану температурасы және атмосфералық азоттың болуы N≡N байланыстарын үзуге алып келіп, қажетті газдарды тазарту жүргізілмесе, улы NOx газдарының пайда болуына себеп болуы мүмкін. Су көбінесе қоршаған ортаға зиянсыз деп есептеліп, оны жасайтын қозғалтқыш "нөлдік эмиссиялы" деп қарастырылады. Алайда, авиацияда атмосфераға шығарылатын су буы жаһандық жылынуға әсер етеді (CO2-ге қарағанда аз дәрежеде). Сұйық сутегінің меншікті энергиясы бензин, табиғи газ немесе дизель отынынан әлдеқайда жоғары. Сұйық сутегінің тығыздығы 20 К температурада 70,85 г/л, ал салыстырмалы тығыздығы 0,07 ғана. Меншікті энергиясы басқа отын түрлерінен екі еседен астам болғанымен, бұл оған өте төмен көлемдік энергия тығыздығын береді, бірнеше есеге төмен. Сұйық сутегіні сақтау үшін криогенді технологиялар, мысалы, арнайы жылу оқшаулағыш контейнерлер және барлық криогенді отынға тән арнайы тасымалдау шаралары қажет. Бұл сұйық оттегіні сақтауға ұқсас, бірақ одан да қиын. Жылу оқшауланған контейнерлерді қолданғанның өзінде мұндай төмен температураны ұстап тұру қиын, және сутегі біртіндеп (көбінесе күніне 1% шамасында) буланып кетеді.

Қауіпсіздік

Салқын температурасының салдарынан сұйық сутек суықтан күйік тудыру қаупін төндіреді. Сутек өзі биологиялық тұрғыдан бейтарап, ал адам денсаулығына қатысты қаупі – ауамен қосылғанда оттегінің орнын басып, тұншығуға және өте жоғары тұтанатындығына, сондай-ақ ауамен араласқанда жарылуға қабілеттілігіне байланысты. Сұйық сутектің тұтанатын қасиетіне байланысты, қасақана тұтандыру мақсаты болмаса, оны жылудан немесе жалыннан алыс ұстау керек. Сыртқы температурадағы газ тәрізді сутек ауадан жеңіл болса, сұйықтан жақында буланған сутек соншалықты суық болып келеді де, ауадан ауыр болып, ауадан ауыр тұтанатын сутек-ауа қоспаларын құрай алады.