Наноструктурирование в паро-газовой среде (к генерации кислорода и водорода)

Предисловие

К тому, что кислород в природе генерируется механизмом фотосинтеза, давно привыкли. Утверждают, что в природе генерируется ~300 миллиардов тонн кислорода в год. Но для генерации такого количества кислорода фотосинтезом ежегодно требуется 412 миллиардов тонн углекислого газа.

Имеются сведения о том, что выбрасываемый в атмосферу производственной деятельностью человечества углекислый газ не превышает 30 миллиардов тонн, и составляет лишь 10% всего поступления углекислого газа в атмосферу. Следовательно, весь поступающий в год в атмосферу углекислый газ не превышает 300 миллиардов тонн.

Откуда же берутся ещё 112 миллиардов тонн углекислого газа в год для фотосинтетической генерации 300 миллиардов тонн кислорода в год? Дефицит огромный, 37,33%. Следовательно, должны быть и какие-то другие процессы генерации кислорода. И производительность этих процессов должна быть сопоставимой с производительностью фотосинтеза. Работа посвящена выявлению не связанных с фотосинтезом процессов генерации кислорода и выяснению перспектив их полезного применения.

Электростимулированное наноструктурирование в газовой среде

Организуем газовую смесь из воздуха и молекул воды: N₂ (~79,5% об.), O₂ (~19,5% об.) и H₂O (~ 1% об.), разместим в такой газовой среде два параллельных плоских электрода и на один из них (катод) подадим постоянное высокое (до 100 кВ) напряжение, а другой (анод) заземлим.

Напряжённость электрического поля очень высокая, до 5 000 В/см. Если в межэлектродном пространстве имеются полярные молекулы, то при таких напряжённостях электрического поля эти молекулы «выстраиваются» вдоль силовых линий электрического поля от катода к аноду (земле).

Явление «выстраивания» (ориентации) полярных молекул хорошо известно для твёрдых тел. Например, операция поляризации пьезокерамических пластин производится при охлаждении нагретых до нескольких сотен градусов Цельсия пьезокерамических пластин с одновременным приложением электрического поля напряжённостью в несколько тысяч В/см.

Молекулы воды полярны, т.е. обладают дипольными моментами. Молекулы же азота и кислорода не обладают дипольными моментами. Следовательно, в данной газовой среде ориентируются и выстраиваются вдоль силовых линий только молекулы воды. В ходе выстраивания молекул воды вдоль электрических силовых линий от катода до анода неполярные молекулы газовой среды вытесняются из линий выстраивания молекул воды, и в идеале могут осуществиться цепочки из молекул только воды.

Это означает, что происходит концентрация (в идеале до 100%) молекул воды в «водяных нитях». В этих «водяных нитях» молекулы воды утрачивают две поступательные и две вращательные степени свободы. Очевидно, энергии соответствующих поступательных и вращательных степеней свободы должны перейти куда-то, например, в оставшиеся одну поступательную и одну вращательную степени свободы или во внутренние колебательные степени свободы, т.е. должны аккумулироваться молекулами воды. Это – первый возможный механизм аккумулирования энергии.

Процесс собирания молекул в одномерно твёрдообразные «водяные нити» подобен природному процессу конденсации молекул воды в водяные капли. Последний, как известно, происходит с выделением конденсационной или адсорбционной энергии. Очевидно, выделяемая энергия куда-то должна перейти. Перейти и перераспределяться может и в самой «водяной нити». Это – второй возможный механизм аккумулирования энергии.

Сконцентрированные и выстроенные в нити молекулы воды представляют фактически «линейные твёрдые» состояния воды, т.е. состояния своеобразного «линейного льда». Но твёрдое (ледовое) состояние воды осуществляется, как известно, при гораздо более низких температурах, чем температуры рассматриваемого газообразного состояния. Следовательно, чтобы существовать в состоянии твёрдоподобного «линейного льда», эта структура должна освободиться от излишней энергии и передать её другим окружающим молекулам, например, соседним молекулам, которые, очевидно аккумулируют полученную энергию. Это – третий возможный механизм аккумулирования энергии.

В экспериментах было установлено, что при подаче высокого напряжения температура газовой среды падала на 20 – 30 градусов Цельсия. Очевидно, тепло или тепловая энергия куда-то забирается и, конечно же, сохраняется. Это – четвёртый возможный механизм аккумулирования энергии.

Упорядочивающему действию электрического поля противодействует разупорядочивающее тепловое хаотическое движение молекул газовой среды. Образование длинных непрерывных одномерных «водяных нитей» между катодом и анодом практически невозможно. Если бы такие нити и образовывались бы, то тепловое движение молекул разорвало бы их на малые цепочки.

Здесь важно лишь то, что молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости могут существовать не только в форме одиночных молекул, но и в ассоциированной форме из нескольких или нескольких десятков и более молекул, т.е. в виде наночастиц. Иными словами, полярные молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости наноструктурируются. Это явление не что иное, как электростимулированное наноструктурирование в газовой среде.

Если на катоде создать условия для электронной эмиссии, например, сформировав острые вершины и рёбра выступов, то при высоких напряжённостях электрического поля происходит автоэлектронная эмиссия. Вылетевшие из катода электроны, двигаясь под воздействием электрического поля к аноду, сталкиваются с молекулами газовой среды, «прилипают» к ним и ионизируют их.

Вероятнее всего «прилипают» к молекулам с максимальным положительным сродством к электрону. Такими молекулами в рассматриваемой газовой среде оказываются молекулы кислорода. Интересно отметить, что и в природе целительный морской (и лесной, и горный) воздух содержит аэроионы именно в виде отрицательно заряженных ионов молекул кислорода (O₂)^—.

Итак, электрон (e) прилипает к молекуле кислорода, и превращает её в ион кислорода по схеме:

O₂ + e → (O₂)^— (1)

При этом выделяется +83.9 кДж/моль. Знаком (+) будем обозначать энергию, выделяемую (отдаваемую), а знаком (-) – поглощаемую.

Такие ионы в газовой среде при атмосферном давлении, когда расстояние между молекулами составляет ~3,5 нм, являются центрами сильного электрополевого воздействия на полярные молекулы, в данном случае на молекулы воды. Очевидно, электрические диполи молекул воды будут притягиваться к иону (O₂)^— положительными сторонами (концами).

И не только одиночные молекулы, но и упомянутые выше наночастицы из нескольких или нескольких десятков и более молекул воды. Для определённости пусть к иону (O₂)^— притягиваются и прилепляются как одиночные молекулы, так и наночастицы из молекул воды, в общей сложности пусть 34 молекул воды:

(O₂)^— + 34 H₂O → (O₂)^— • 34 H₂O (2)

В 34 ассоциированных молекулах воды, очевидно, аккумулирована соответствующая адсорбционная или конденсационная энергия 34 × 40,7 кДж/моль = + 1383,8 кДж/моль. В центре наночастицы располагается ион (O₂)^—, который может подвергнуться распаду под воздействием избыточной энергии наночастицы:

(O₂)^— • 34 H₂O → (O + O + e) + 34 H₂O (3)

Энергетические затраты на эту реакцию составляют: — 493,6 кДж/моль на разрыв химической связи O – O и — 83.9 кДж/моль на отрыв электрона. Всего -577,5 кДж/моль. Однако, освободившийся внутри наночастицы электрон не может остаться свободным, и прилипает к другой ближней и выгодной частице в соответствии со стремлением системы к минимизации энергии. Такой частицей оказывается атом кислорода:

(O + O + e) • 34 H₂O → (O + O^—) • 34 H₂O (4)

Образование иона O^— осуществляется энергетическим сопровождением +224,68 кДж/моль (сродство электрона к атому кислорода). Свободный атом кислорода очень активен и быстро (тут же в центре наночастицы) вступает в химическую реакцию с ближней молекулой воды в наночастице с образованием молекулы перекиси водорода:

(O + O^—) • 34 H₂O → (O + H₂O + O^—) • 33 H₂O (5)

(O + H₂O + O^—) • 33 H₂O → (H₂O₂ + O^—) • 33 H₂O (6)

Образование перекиси водорода сопровождается энергетическим эффектом +187,7 кДж/моль. Молекула H₂O₂ не стабильна и распадается на две частицы OH с поглощением — 217,68 кДж/моль:

(H₂O₂ + O^—) • 33 H₂O → (OH + OH + O^—) • 33 H₂O (7)

В динамичных и напряжённых условиях внутри твёрдообразной наночастицы происходит дальнейший распад образовавшихся частиц на атомы:

(OH + OH + O^—) + 33 H₂O → (O + H + O + H + O^—) • 33 H₂O (8)

На это расходуется удвоенная энергия разрыва химической связи O – H: 2×(- 427,8) = — 855,6 кДж/моль. Но образовавшиеся атомы кислорода и водорода чрезвычайно активны и соединяются в соответствующие стабильные молекулы с энергетическим эффектом: +493,6 + 432,1 = 925,7 кДж/моль, и как неполярные молекулы, покидают наночастицу:

(O + H + O + H + O^—) • 33 H₂O → (O₂ + H₂ + O^—) • 33 H₂O (9)

(O₂ + H₂ + O^—) • 33 H₂O → O₂ + H₂ + [(O^—) • 33 H₂O] (10)

В результате в пространство из наночастицы (9) высвобождаются одна нейтральная молекула кислорода и одна нейтральная молекула водорода.

Оставшийся в наночастице ион кислорода O^— взаимодействует с ближней молекулой воды и, благодаря своему сильному электрическому полю (расстояние менее 1 нм), электролитически диссоциирует её на положительный ион водорода H⁺ и отрицательный ион (OH)^— по схеме:

(O^— + H₂O) • 33 H₂O → [O^— + H⁺ + (OH)^—] • 32 H₂O (11)

На это рассходуется – 498,7 кДж/моль. Ионы кислорода и водорода соединяются в электронейтральный гидроксил OH:

С энергетическим эффектом + 427,8 кДж/моль.

Центральная область наночастицы (OH + OH^— ) весьма своеобразна, состоит из двух одинаковых группировок OH и одного электрона. Но для выполнения роли «слуги двух господ-близнецов» электрон должен время от времени отрываться от каждого из них, что можно выразить:

(OH + OH^— ) • 32 H₂O → (OH + OH + e) • 32 H₂O (13)

Расход энергии составляет -298,3 кДж/моль – энергию сродства к электрону группировки OH. В энергоизбыточной твёрдоподобной наночастице группировки OH распадаются на атомы

(OH + OH + e) • 32 H₂O → (O + H + O + H + e) • 32 H₂O (14)

с энергозатратой 2×(-427,8) = -855,6 кДж/моль. Но образовавшиеся активные атомы кислорода и водорода соединяются в молекулы кислорода и водорода с энергетическим эффектом +493,6 + 432,1 = +925,7 кДж/моль.:

(O + H + O + H + e) • 32 H₂O → (O₂ + H₂ + e) • 32 H₂O (15)

В создавшихся условиях электрон «прилипает» к молекуле кислорода с положительным сродством к электрону (энергия системы уменьшается на +83,9 кДж/моль), а не к молекуле водорода, у которой отрицательное сродство к электрону.

(O₂ + e) • 32 H₂O → (O₂) ^— • 32 H₂O (16)

Заряженная наночастица вернулась к состоянию (2) с той лишь разницей, что вместо 34 молекул воды в наночастице содержится 32 молекулы воды. Но явно видно, что заряженная наночастица завершила некий цикл процессов, и на этом может прекратить своё существование в случае разрядки на аноде. Но может вступить в следующий цикл процессов, подобных (3) – (15), если не достигает анода и разрядки не происходит.

Но перед возможным началом следующего цикла проведём материально-энергетический баланс процессов (1) – (16). Почему были взяты именно 34 молекулы воды из других возможных чисел молекул воды в наночастице? Это было сделано с тем, чтобы все энергетические процессы в цикле были энергетически обеспечены.

Итак, материальный результат цикла состоит в том, что две молекулы воды исчезли и появились две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Энергетический же результат составляет +1029,8 кДж/моль. Этого явно недостаточно для всех энергозатратных процессов следующего цикла. Величина энергетической недостаточности составляет приблизительно +438 кДж/моль. Этот недостаток может восполниться присоединением в общей сложности ещё 11-ти молекул воды. Тогда:

(O₂) ^— • 32 H₂O + 11 H₂O → (O₂)^— • 43 H₂O (17)

Результатом второго цикла, очевидно, также будет расщепление двух молекул воды на две молекулы водорода и одну молекулу кислорода:

(O₂ + e) • 43 H₂O → 2H₂ + O₂ + (O₂)^— • 41 H₂O (18)

Если и после второго цикла заряженная наночастица не достигает анода и не разряжается, то начнётся третий цикл. Если и далее не происходит разрядки, то заряженная наночастица может расти до размеров в сотни, тысячи молекул воды.

В таком случае можно считать, что из 11 молекул воды 2 молекулы распадаются на две молекулы водорода и одну молекулу кислорода, т.е. 22% всех молекул воды в рассматриваемой газовой среде исчезает, превращаясь в водород и кислород. Поскольку 1 моль водорода получается из одного моля молекул воды, то содержание водорода в рассматриваемой газовой смеси будет примерно 0,24 %.об.

Пусть наша газовая смесь пропускается через трубу диаметром 19 см со скоростью 1 м/с. Тогда за 1 час будет обработано 115 000 л газовой смеси, в которой содержится 276 л водорода. Чтобы водорода было 1 куб. м, необходимо обрабатывать газовую смесь электрическим полем высокой напряжённости и пропускать через указанную трубу в течение 4 часов. Электрической энергии при этом потребляется 200 Ватт_•час.

Известно, что для получения 1 куб. м водорода распространённым промышленным электролизом воды потребляется от 3 до 5 кВатт_•час. Пусть 4 кВатт_•час. Тогда в нашем случае электрической энергии требуется в 20 раз меньше.

Примерно во столько же раз будет дешевле и производство водорода с использованием электростимулированного наноструктурирования молекул воды в газовой среде. При использовании процессов электростимулированного наноструктурирования молекул воды для производства дешевого водорода и его использования в качестве топлива рассмотренные процессы могут стать основой экологически безопасной энергетики, эффективной и возобновляемой, т.е. неограниченной. А это — решение энергетической проблемы развития цивилизации.

Выводы

1. В атмосфере Земли кислород обеспечивается не только фотосинтезом, но и электростимуллированной наноструктуризацией молекул воды в электрических полях высокой напряжённости при грозах, сопровождаемых вспышками молний.
2. Образование молекул водорода в газовых средах, содержащих молекулы воды, может одновременно решить экологическую проблему Глобального Потепления климата и энергетическую проблему экологически чистой возобновляемой и неограниченной энергетики. Воды на Земле предостаточно и круговорот воды в природе делает её неограниченным источником водорода.

С предложениями по реальным проектам можно обратиться непосредственно к автору метода, доктору Ким С.Г. по адресу: kimmak2014@yandex.ru