К Зелёной Пар↔Водородной Энергии

Ким С. Г., д.х.н., академик ЕАЕН, академик МАФО,

Мамбетерзина Г.К., к.х.н., академик ЕАЕН,

Ким Д., климатолог

Аннотация

Приводятся естественнонаучные основания технического освоения экологически и экономически эффективных (Э&ЭЭ) технологий производства тепла и электричества на Зелёном H₂O пар↔Водороде

Ключевые слова: климатическая катастрофа, электролиз в микрочастицах водяного пара, зелёный пар↔водород.

To Green Steam↔Hydrogen Energy

Kim S. G., Doctor of Chemical Sciences, Academician of EANS, IAFE, Mambeterzina G.K., PhD (chemical sciences), Academician of EANS, Kim D., Climatologist

Abstract

The natural scientific grounds for the technical development of environmentally and economically efficient (E&EE) technologies for the production of heat and electricity on green H₂O steam↔Hydrogen are given.

Key words: climate catastrophe, electrolysis in water vapor micro particles, green steam↔hydrogen.

Физико-химические основы электролиза в микрочастицах водяного пара

Атмосферный воздух состоит в основном из азота и кислорода: N₂ (~79,5% об.) и O₂  (~ 19,5% об.). Сравнительно небольшое количество (~ 1% об.) приходится на влажность воздуха, т.е. на молекулы воды. В грозу обычно дуют ветры, часто очень сильные. Относительные движения туч и их слоёв, к тому же при обязательном присутствии так называемых природных аэроионов (O₂) ̅ , приводят к эмиссии электронов, что ведёт к возникновению разности потенциалов, как между тучами и их слоями, так и между тучами и Землёй. Напряжённости возникающих при этом электрических полей очень высоки: тысячи, десятки тысяч и более В/см. Полярные молекулы атмосферного воздуха при таких высоких напряжённостях «выстраиваются» вдоль силовых линий электрических полей, как между тучами, так и между ними и «землёй» («водой» луж, рек, болот, озёр, морей, океанов).

Молекулы воды полярны, т.е. являются электрическими диполями. Молекулы же азота и кислорода не являются электрическими диполями. Следовательно, ориентируются и выстраиваются вдоль силовых линий электрических полей в грозовых тучах только молекулы воды. В ходе выстраивания молекул воды вдоль электрических силовых линий 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 по две поступательные и по две вращательные степени свободы. Очевидно, энергии утраченных поступательных и вращательных степеней свободы молекул воды должны перейти куда-то.

Вероятнее всего, в оставшиеся одну поступательную, одну вращательную и во внутренние колебательные степени свободы, т.е. должны аккумулироваться молекулами воды. Это – первый возможный механизм аккумулирования энергии.

Процесс собирания молекул в одномерно твёрдоподобные «водяные нити» подобен природному процессу трёхмерной конденсации молекул воды в капли или снежинки. Конденсация обычно протекает с выделением конденсационной или адсорбционной энергии. Очевидно, выделяемая энергия куда-то должна перейти. Перейти выделяемая энергия может и в пределах «водяных нитей». 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 из молекул воды». Но твёрдое (ледовое) состояние воды осуществляется, как известно, при более низких температурах, чем температуры при грозах.

Следовательно, чтобы существовать в состоянии твёрдоподобного «линейного льда», эти структуры должны освободиться от излишней энергии и передать её другим окружающим молекулам, например, соседним молекулам, которые аккумулируют полученную энергию. Это – третий возможный механизм аккумулирования энергии.

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

Важно то, что молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости могут существовать не только в форме одиночных молекул, но и в ассоциированных формах из нескольких или нескольких десятков, сотен, тысяч и более молекул, в виде микрочастиц. Иными словами, полярные молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости структурируются в микрочастицы. Это явление логично называть «электростимулированным микроструктурированием в парогазовой среде».

При высоких напряжённостях электрического поля в подвижных грозовых тучах происходит эмиссия электронов из «катодных» (отрицательно заряженных) областей. Двигаясь под воздействием электрического поля, они сталкиваются с молекулами газовой среды атмосферы, «прилипают» к ним и ионизируют их.

Вероятнее всего электроны «прилипают» к молекулам с максимальным положительным сродством к электрону. Такими молекулами в атмосфере оказываются молекулы кислорода. Интересно отметить, что в природе целительный морской (и лесной, и горный) воздух содержит, так называемые аэроионы, именно в виде отрицательно заряженных ионов молекул кислорода (O₂) ̅ . По-видимому, природные аэроионы возникают в воздушных средах с повышенной влажностью. В самом деле, и морской, и лесной, и горный воздух обладают более высокой влажностью, чем воздух в степях, тем более в безводных песчаных и каменистых пустынях.

Итак, электрон (e) «прилипает» к молекуле кислорода, и превращает её в аэроион двухатомной молекулы кислорода по реакции:

O₂ + e → (O₂) ̅    (1)

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

Такие ионы при атмосферном давлении, когда расстояния между молекулами очень малы (микрометры, нанометры), 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 микрочастицы из нескольких или нескольких десятков, сотен… и более молекул воды. Для определённости пусть к иону (O₂) ̅ притягиваются и прилепляются как одиночные молекулы, так и микрочастицы из молекул воды, в общей сложности, пусть, 34 молекулы воды:

(O₂) ̅ + 34 H₂O → (O₂) ̅  • 34 H₂O (2)

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

(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. В сумме – 577,5 кДж/моль. Однако, освободившийся внутри микрочастицы электрон не может оставаться свободным, и прилипает к другой ближней и энергетически выгодной частице в соответствии с всеобщим стремлением термодинамических систем к минимуму энергии. Такими частицами оказываются атомы кислорода, к одному из которых «прилепляется» электрон, превращая его в соответствующий ион:

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

Образование иона O ̅  осуществляется энергетическим сопровождением +224,68 кДж/моль (энергия сродства электрона к атому кислорода). Свободный атом кислорода химически очень активен и быстро (тут же в центре микрочастицы) вступает в химическую реакцию с ближней молекулой воды в микрочастице с образованием молекулы перекиси водорода H₂O₂:

(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 твёрдоподобной микрочастицы 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 по отношению к себе подобным и соединяются в соответствующие стабильные двухатомные молекулы с энергетическим эффектом: +493,6 + 432,1 = +925,7 кДж/моль, и, как неполярные молекулы, покидают микрочастицу водяного пара:

(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 микрочастицы высвобождаются одна нейтральная молекула кислорода и одна нейтральная молекула водорода.

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

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

На это расходуется – 498,7 кДж/моль. Ионы кислорода (O ̅ ) и водорода (H⁺) соединяются в электронейтральный гидроксил OH:

С энергетическим эффектом + 427,8 кДж/моль.

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

(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 микрочастице 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 стабильные двухатомные 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 микрочастица вернулась к состоянию (2) с той лишь разницей, что вместо 34 молекул воды в микрочастице содержится 32 молекулы воды. По реакции (15) образуется одна молекула H₂ и одна молекула O₂. В реакции (16) молекула O₂ превращается в аэроион (O₂) ̅ и остаётся только одна молекула водорода H₂.

Вместе с молекулами H₂ и O₂ от реакций (9) и (10) общее их количество составит стехиометрические значения (2H₂ и O₂) для реакции возгорания водорода с образованием двух молекул воды. Заряженная микрочастица завершает некий цикл процессов, и на этом может прекратить своё существование в случае разрядки аэроиона (O₂) ̅ на «положительном электроде» — положительно заряженной туче, громоотводе или «Земле». Но, если разрядки не происходит, может начаться следующий цикл процессов, подобных (3) – (16).

Материально-энергетический баланс в микроэлектролизе водяного пара

Перед началом следующего цикла процессов проведём материально-энергетический баланс процессов (1) – (16). Почему именно 34 молекулы воды из других возможных чисел молекул воды в микрочастице? Это связано с энергетическим обеспечением всех процессов в цикле.

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 недостаточно для всех энергозатратных процессов следующего цикла. Величина энергетической недостаточности составляет приблизительно +438 кДж/моль. Этот недостаток может восполниться присоединением к микрочастице водяного пара в общей сложности ещё 11-ти молекул воды. Тогда:

(O₂) ̅   • 32 H₂O + 11 H₂O → [(O₂) ̅ • 43 H₂O] (17)

Результатом второго цикла по аналогии с процессами (2) – (16), 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 микрочастица не разряжается, то начнётся третий цикл. Если и далее не происходит разрядки, то заряженная микрочастица может расти до размеров в сотни, тысячи, … молекул воды.

Таким образом, из каждых 45 молекул водяного пара реакциями (10) и (18) соответственно образовываются: 2H₂ + O₂ и 2H₂ + O₂, в сумме 4H₂ и 2O₂. Молекулы водорода полностью сгорают в молниях, превращаясь в молекулы водяного пара в грозовых тучах. 4 из 45 молекул воды расщепляются в горючие 4 молекулы водорода и 2 молекулы кислорода. Это составляет почти 10% оборотных молекул воды грозовых туч, и энергия от возгорания образующегося водорода значительна. В грозовой молнии весь образовавшийся водород полностью сгорает с обратным превращением в водяной пар. Это циклически повторяется, и в молниях температуры могут достигать более 27 000 градусов Цельсия (Википедия).

Автономное Пар↔Водородное переносное отопление жилых, офисных, производственных и публичных помещений

В реальных жилых, офисных, производственных и публичных помещениях нагревать радиатор обогрева до 27 000 и более градусов Цельсия совершенно нет никакой необходимости. Более того, это чрезвычайно взрывоопасно, пожароопасно, …, катастрофично. Достаточно нагрева воздуха в помещениях до комфортных 20 градусов Цельсия от радиатора(ов).

Для этого следует нагревать поступающий в паровой(ые) радиатор(ы) пар с температурой 50 градусов Цельсия из парогенератора (можно ненадолго включить электрический чайник) лишь до 60-70 градусов Цельсия. Далее эта температура будет поддерживаться возгоранием водорода, получаемого из пара, который циркулирует в последовательно замкнутой системе: паровой микроэлектролизёр → радиатор (радиаторы) → паровой микроэлектролизёр.

На вход радиатора(ов) подаётся нагретый возгоранием водорода (мини-молниями) в паро-водородном микроэлектролизере пар с температурой до 70º С. Этот нагретый пар охлаждается в радиаторе (нагревает воздух в помещении до 20ºС) до ~50ºС и подаётся на вход паро-водородного микроэлектролизёра. Стартовый пар с температурой (50-60) ºС подаётся только 1раз. Далее происходит «круговорот» этого пара в паро-водородном отопителе из закольцованных паро-водородного микроэлектролизёра водяного пара и радиатора(ов).

К спасительной Пар↔Водородной Энергетике

Установлено (Википедия), что температуры в грозовых молниях варьируются в интервале [16649 ‒ 27 760] ºС. Даже при таких высоких температурах атомы воды не исчезают совсем, и после погасания молнии снова образуют молекулы воды. Очевидно, и в паро-водородном микроэлектролизёре водяного пара после погасания мини-молнии снова образуется водяной пар, но с более высокой температурой.

Поскольку в микроэлектролизёре водяного пара реализуется циклический процесс, сопровождающийся циклическим повышением температуры пара, то можно достичь и необходимых для вращения турбины электрогенератора температур и давления пара. Это открывает перспективу реализации теплоэлектроэнергетики на зелёном водороде.

Кроме того, открывается возможность разработок и транспортных двигателей на микроэлектролизёрах водяного пара, потребляющих в качестве топлива возобновляемую воду.

Реализация и распространение (Э&ЭЭ)-технологий на микроэлектролизе водяного пара позволит отдалить, а далее и удалить точку невозврата Глобального Потепления климата, угрожающего климатической катастрофой с неминуемой гибелью органической и разумной жизни на Земле. И не только на Земле, возможно, и во всей Вселенной.

Водород – фундаментальный и самый распространённый химический элемент во Вселенной. Можно говорить: вещественная Вселенная начинается с водорода. Вода же, в основном в виде льдов, содержится в подавляющем большинстве небесных тел: комет, астероидов, …, сравнительно холодных планет.

К Зелёной Пар↔Водородной энергетике

Зелёная H₂O Пар↔Водородная (Э&ЭЭ)-Энергетика задается, «подсказывается», более того, диктуется самой Природой, самой Вселенной.

С замечаниями и предложениями можно обратиться непосредственно к дхн, академику двух международных АН Киму С.Г. по электронной почте: skim.spectr.nw@gmail.com