酸水素

19世紀の酸水素生成用電解槽

酸水素は、水素（H 2）と酸素（O 2 ）の混合ガスです。この混合ガスは耐火材料を加工するためのトーチに使用され、溶接に使用された最初の 混合ガスでした[ 1 ] 。理論上は、水素と酸素の比率が2:1であれば最大効率が得られますが、実際には酸化炎を避けるために4:1または5:1の比率が必要です[ 2 ]。

この混合物はクナルガス（スカンジナビア語とドイツ語ではクナルガス、文字通り「爆発ガス」 ）とも呼ばれるが、一部の研究者はクナルガスを燃料と完全燃焼に必要な正確な量の酸素の混合物の総称と定義しており、したがって2:1の酸水素は「水素クナルガス」と呼ばれる。[ 3 ]

「ブラウンガス」と HHO は疑似科学に由来する酸水素の用語ですが、HHO はH 2 Oを意味するため、x H 2 + y O 2 の方が好まれます。

プロパティ

酸水素は自然発火温度に達すると燃焼します。空気中の化学量論的混合気の場合、通常の大気圧では約570℃（1065℉）で自然発火します。[ 4 ] 標準温度および圧力において、このような混合気を火花で点火するために必要な最小エネルギーは約0.007 mJであり、体積比で約4%から95%の水素を含む場合に燃焼します。[ 5 ] [ 4 ]

点火すると、ガス混合物は水蒸気に変換され、 反応を維持するためのエネルギーを放出します。燃焼したH 2 1モルあたり241.8 kJのエネルギー（LHV ）です。放出される熱エネルギーの量は燃焼モードに依存しませんが、炎の温度は変化します。[ 6 ] 約2,800 °C（5,100 °F）の最高温度は、正確な化学量論的混合物で達成され、空気中の水素炎よりも約700 °C（1,300 °F）高温になります。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] どちらかのガスをこの比率を超えて混合した場合、または窒素などの不活性ガスと混合した場合、熱はより多くの物質に広がる必要があるため、炎の温度が低下します。[ 6 ]

酸水素ガスは爆発性があり、点火すると爆発して大量のエネルギーを放出します。水素と酸素は容易に入手できるため、教師が風船に酸水素ガスを充填するなど、教室で実演されることがよくあります。[ 10 ]

電気分解による生産

正確な化学量論的混合物は、電流を使用して水分子を解離する 水電気分解によって得ることができます。

電気分解：2 H 2 O → 2 H 2 + O 2
燃焼：2H 2 + O 2 → 2H 2 O

ウィリアム・ニコルソンは1800年に初めてこの方法で水を分解しました。理論上は、熱力学第一法則が示すように、閉鎖系への入力エネルギーは常に出力エネルギーと等しくなります。しかし、実際には完全に閉鎖された系は存在せず、熱力学第二法則が示唆するように、たとえ実用的な最大効率であっても、酸水素を生成するために必要なエネルギーは常に燃焼によって放出されるエネルギーを上回ります（水の電気分解#効率を参照）。

アプリケーション

ライムライトは高温熱源として酸水素炎を使用していた

点灯

酸水素ランプには多くの種類があり、例えばライムライトは酸水素炎を使って生石灰を白熱灯に加熱する。[ 11 ]酸水素の爆発性のため、ライムライトは電気照明 に置き換えられた。

酸水素吹き管

19世紀のふいごで作動する酸水素吹管。2種類の逆火防止装置付き。

酸水素吹管の基礎は、18世紀後半の四半世紀頃にカール・ヴィルヘルム・シェーレとヨーゼフ・プリーストリーによって築かれました。酸水素吹管自体は、 18世紀後半から19世紀初頭にかけて、フランス人のボシャール＝ド＝サロン、イギリスの鉱物学者エドワード・ダニエル・クラーク、そしてアメリカの化学者ロバート・ヘアによって開発されました。 [ 12 ]プラチナ、磁器、耐火レンガ、コランダムなどの耐火物を溶かすのに十分な高温の炎を発生させ、科学の様々な分野で貴重な道具となりました。[ 13 ]合成コランダムを製造するベルヌーイ法にも用いられています。 [ 14 ]

酸水素トーチ

酸水素トーチ（水素トーチとも呼ばれる）は、水素（燃料）と酸素（酸化剤）を燃焼させる酸素ガストーチである。金属、ガラス、熱可塑性プラスチックの切断や溶接に用いられる[ 15 ]。[ 11 ]

アーク溶接やアセチレン燃料切断トーチなどの他の酸素燃料トーチとの競合により、酸水素トーチは現在ではほとんど使用されていませんが、一部のニッチな用途では依然として好ましい切断ツールとなっています。

かつて白金の加工には酸水素が使用されていました。当時、白金を1,768.3℃（3,214.9℉）まで溶かすほどの高温で燃焼できるのは酸水素だけだったからです。[ 6 ]これらの技術は電気アーク炉に取って代わられました。

疑似科学的な主張

酸水素ガスについては、様々な誇張された主張がされている。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]これはしばしば「ブラウンのガス」または「HHOガス」と呼ばれ、この用語は異端の物理学者[ 19 ]ルッジェロ・サンティリによって広められた。サンティリは、特殊な装置で生成されたHHOガスは「マグネキュール」という異端の理論に基づいて、新しい特性を持つ「新しい形態の水」であると主張した。[ 18 ]

酸素水素については、放射性廃棄物を中和する能力や植物の発芽を助ける能力など、他の多くの疑似科学的な主張がなされてきました。[ 18 ]

酸水素ガスは、水を燃料として使用すると主張する車両と関連してしばしば言及される。このガスを燃料または燃料添加剤として使用するために車載で生成することに対する最も一般的かつ決定的な反論は、水分子を分解するために必要なエネルギーが、生成されたガスを燃焼させることで回収できるエネルギーよりも常に多いというものである。[ 17 ] [ 20 ]さらに、電気分解によってオンデマンドで消費できるガスの量は、内燃機関によって消費される量と比較して非常に少ない。[ 21 ]

2008年の『ポピュラーメカニクス』誌の記事では、酸水素は自動車の燃費を向上させないと報告されている。[ 22 ]

「水燃料」自動車は、水素を他の場所で生成して燃料として使用したり、燃料強化として使用したりする水素燃料自動車と混同しないでください。

参考文献

  1. ^ Howard Monroe Raymond (1916)、「酸素水素溶接」、Modern Shop Practice第1巻、American Technical Society、2011年3月6日時点のオリジナルよりアーカイブ
  2. ^ Viall, Ethan (1921). Gas Torch and Thermite Welding . McGraw-Hill. p.  10 . 2016年8月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  3. ^ W. Dittmar, "Exercises in quantum chemical analysis", 1887, p. 189 2014年6月27日アーカイブ, Wayback Machine
  4. ^ a bオコナー、ケン. 「水素」(PDF) . NASAグレン研究センター グレン安全マニュアル. 2013年2月2日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  5. ^ Moyle, Morton; Morrison, Richard; Churchill, Stuart (1960年3月). 「水素・酸素混合物のデトネーション特性」(PDF) . AIChE Journal . 6 (1): 92– 96. Bibcode : 1960AIChE...6...92M . doi : 10.1002/aic.690060118 . hdl : 2027.42/37308 .
  6. ^ a b cヒュー・チザム編 (1911). 「酸水素炎」 ブリタニカ百科事典第20巻 (第11版). ケンブリッジ大学出版局. p. 424.
  7. ^ Calvert, James B. (2008年4月21日). 「水素」 .デンバー大学. 2009年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年4月23日閲覧。空気水素トーチの炎は2045℃に達するのに対し、酸水素トーチの炎は2660℃に達する。
  8. ^ 「断熱炎温度」 . The Engineering Toolbox . 2008年1月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年4月23日閲覧。 「酸化剤としての酸素：3473 K、酸化剤としての空気：2483 K」
  9. ^ 「青い炎の温度」。2008年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年4月5日閲覧。 「空気中の水素：2,400 K、酸素中の水素：3,080 K」
  10. ^ Vernon, Julia (2011年8月).爆発する水素酸素バルーンの音響特性評価（論文）. 2024年8月15日閲覧。
  11. ^ a bティルデン、ウィリアム・オーガスタス（1926年）『20世紀における化学の発見と発明』アダマント・メディア・コーポレーション、p. 80、ISBN 978-0-543-91646-4。{{cite book}}:ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）
  12. ^ホフマン、AW (1875). 「過去10年間の化学技術の発展に関する報告書」 .ケミカルニュース. 製造化学者.
  13. ^グリフィン、ジョン・ジョセフ (1827). 『化学分析および鉱物分析における吹管の使用に関する実用的論文』グラスゴー: R. グリフィン社.
  14. ^ 「ベルヌーイ過程」ブリタニカ百科事典2013年10月22日. 2018年7月11日閲覧。
  15. ^ PN Rao (2001)、「24.4 酸水素溶接」、製造技術：鋳造、成形、溶接（第2版）、Tata McGraw-Hill Education、pp.  373– 374、ISBN 978-0-07-463180-5、2014年6月27日時点のオリジナルよりアーカイブ
  16. ^ 「イーグル研究所 - ブラウンのガス - 神話概念」 。 2019年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年7月11日閲覧。
  17. ^ a bボール、フィリップ（2007年9月10日）. 「燃える水とその他の神話」 . News@nature . Springer Nature. doi : 10.1038/news070910-13 . ISSN 1744-7933 . S2CID 129704116 .  
  18. ^ a b cボール、フィリップ (2006). 「核廃棄物が注目を集める」. News@nature . doi : 10.1038/news060731-13 . ISSN 1744-7933 . S2CID 121246705 .  
  19. ^ワイマール、キャリー（2007年5月7日）「主流派に無視され、科学者が訴訟を起こす」セントピーターズバーグ・タイムズ。2011年2月3日閲覧。
  20. ^ Schadewald, RJ (2008). 『彼ら自身の世界：誤った思想の簡潔な歴史：創造論、地球平面説、エネルギー詐欺、そしてヴェリコフスキー事件』 Xlibris US. ISBN 978-1-4628-1003-1. 2018年7月11日閲覧。
  21. ^ Simpson, Bruce (2008年5月). 「HHOが詐欺である証拠」 . Aardvark Daily . 2012年2月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月12日閲覧。
  22. ^水力発電車：水素電解装置改造では燃費は上がらないArchived March 20, 2015, at the Wayback Machine , Mike Allen, August 7, 2008, Popularmechanics.com
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