Передмова
До того, що кисень у природі генерується механізмом фотосинтезу, давно звикли. Стверджують, що в природі генерується ауд 300 мільярдів тонн кисню на рік. Але для генерації такої кількості кисню фотосинтезом щорічно потрібно 412 мільярдів тонн вуглекислого газу.
Є відомості про те, що викидається в атмосферу виробничою діяльністю людства вуглекислий газ не перевищує 30 мільярдів тонн, і становить лише 10% всього надходження вуглекислого газу в атмосферу. Отже, весь вуглекислий газ, що надходить на рік в атмосферу, не перевищує 300 мільярдів тонн.
Звідки ж беруться ще 112 мільярдів тонн вуглекислого газу на рік для фотосинтетичної генерації 300 мільярдів тонн кисню на рік? Дефіцит величезний, 37,33%. Отже, повинні бути і якісь інші процеси генерації кисню. І продуктивність цих процесів повинна бути порівнянною з продуктивністю фотосинтезу. Робота присвячена виявленню не пов'язаних з фотосинтезом процесів генерації кисню і з'ясуванню перспектив їх корисного застосування.
Електростимульоване наноструктурування в газовому середовищі
Організуємо газову суміш з повітря і молекул води: N2 (ауд 79,5% об.), O2 (ауд 19,5% об.) і H2O (ауд 1% об.), розмістимо в такому газовому середовищі два паралельних плоских електрода і на один з них (катод) подамо постійну високу (до 100 кВ) напругу, а інший (анод) заземлимо.
Напруженість електричного поля дуже висока, до 5 000 В/см. Якщо в міжелектродному просторі є полярні молекули, то при таких напруженостях електричного поля ці молекули «вибудовуються» вздовж силових ліній електричного поля від катода до анода (землі).
Явище «вибудовування» (орієнтації) полярних молекул добре відоме для твердих тел. Наприклад, операція поляризації п'єзокерамічних пластин проводиться при охолодженні нагрітих до декількох сотень градусів Цельсія п'єзокерамічних пластин з одночасним додатком електричного поля напруженістю в кілька тисяч В/см.
Молекули води полярні, тобто мають дипольні моменти. Молекули ж азоту і кисню не мають дипольних моментів. Отже, в даному газовому середовищі орієнтуються і шикуються вздовж силових ліній тільки молекули води. Під час вибудовування молекул води вздовж електричних силових ліній від катода до аноду неполярні молекули газового середовища витісняються з ліній вибудовування молекул води, і в ідеалі можуть здійснитися ланцюжки з молекул тільки води.
Це означає, що відбувається концентрація (в ідеалі до 100%) молекул води у «водяних нитках». У цих «водяних нитках» молекули води втрачають дві поступальні і дві обертальні ступені свободи. Очевидно, енергії відповідних поступальних і обертальних ступенів свободи повинні перейти кудись, наприклад, в одну поступальну та одну обертальну ступені свободи або у внутрішні коливальні ступені свободи, тобто повинні акумулюватися молекулами води. Це - перший можливий механізм акумулювання енергії.
Процес збирання молекул в одномірно твердоподібні «водяні нитки» подібний природному процесу конденсації молекул води у водяні краплі. Останній, як відомо, відбувається з виділенням конденсаційної або адсорбційної енергії. Очевидно, енергія кудись повинна перейти. Перейти і перерозподілятися може і в самій «водяній нитці». Це - другий можливий механізм акумулювання енергії.
Сконцентровані і вибудувані в нитки молекули води представляють фактично «лінійні тверді» стану води, тобто стану своєрідного «лінійного льоду». Але твердий (льодовий) стан води здійснюється, як відомо, при набагато нижчих температурах, ніж температури розглянутого газоподібного стану. Отже, щоб існувати в стані твердоподібного «лінійного льоду», ця структура повинна звільнитися від зайвої енергії і передати її іншим навколишнім молекулам, наприклад, сусіднім молекулам, які, очевидно акумулюють отриману енергію. Це - третій можливий механізм акумулювання енергії.
В експериментах було встановлено, що при подачі високої напруги температура газового середовища падала на 20 - 30 градусів Цельсія. Очевидно, тепло або теплова енергія кудись забирається і, звичайно ж, зберігається. Це - четвертий можливий механізм акумулювання енергії.
Впорядковуючій дії електричного поля протидіє розупорядковуючий тепловий хаотичний рух молекул газового середовища. Утворення довгих безперервних одномірних «водяних ниток» між катодом і анодом практично неможливо. Якби такі нитки й утворювалися б, то тепловий рух молекул розірвав би їх на малі ланцюжки.
Тут важливо лише те, що молекули води в електричному полі високої напруженості можуть існувати не тільки у формі одиночних молекул, але і в асоційованій формі з декількох або декількох десятків і більше молекул, тобто у вигляді наночастинок. Іншими словами, полярні молекули води в електричному полі високої напруженості наноструктуруються. Це явище не що інше, як електростимульоване наноструктурування в газовому середовищі.
Якщо на катоді створити умови для електронної емісії, наприклад, сформувавши гострі вершини і ребра виступів, то при високих напруженостях електричного поля відбувається автоелектронна емісія. Електрони, що вилетіли з катода, рухаючись під впливом електричного поля до анода, стикаються з молекулами газового середовища, «прилипають» до них і іонізують їх.
Найімовірніше «прилипають» до молекулів з максимальною позитивною спорідненістю до електрону. Такими молекулами в газовому середовищі виявляються молекули кисню. Цікаво відзначити, що і в природі цілюще морське (і лісове, і гірське) повітря містить аероіони саме у вигляді негативно заряджених іонів молекул кисню (O2) -.
Отже, електрон (e) прилипає до молекули кисню, і перетворює її на іон кисню за схемою:
O2 + e → (O2)— (1)
При цьому виділяється + 83.9 кДж/моль. Знаком (+) позначатимемо енергію, що виділяється (віддавається), а знаком (-) - яку поглинають.
Такі іони в газовому середовищі при атмосферному тиску, коли відстань між молекулами становить ауд 3,5 нм, є центрами сильного електрополевого впливу на полярні молекули, в даному випадку на молекули води. Очевидно, електричні диполі молекул води будуть притягуватися до іону (O2) - позитивними сторонами (кінцями).
І не тільки одиночні молекули, а й згадані вище наночастинки з декількох або декількох десятків і більше молекул води. Для певності нехай до іона (O2) - притягуються і приліпляються як одиночні молекули, так і наночастинки з молекул води, в цілому нехай 34 молекул води:
(O2)— + 34 H2O → (O2)— • 34 H2O (2)
У 34 асоційованих молекулах води, очевидно, акумульована відповідна адсорбційна або конденсаційна енергія 34 40,7 кДж/моль = + 1383,8 кДж/моль. У центрі наночастинки розташовується іон (O2) -, який може зазнати розпаду під впливом надлишкової енергії наночастинки:
(O2)— • 34 H2O → (O + O + e) + 34 H2O (3)
Енергетичні витрати на цю реакцію становлять: - 493,6 кДж/моль на розрив хімічного зв'язку O - O і - 83.9 кДж/моль на відрив електрону. Всього -577,5 кДж/моль. Однак, звільнився всередині наночастинки електрон не може залишитися вільним, і прилипає до іншої ближньої і вигідної частинки відповідно до прагнення системи до мінімізації енергії. Такою часткою виявляється атом кисню:
(O + O + e) • 34 H2O → (O + O—) • 34 H2O (4)
Утворення іона O - здійснюється енергетичним супроводом + 224,68 кДж/моль (спорідненість електрона до атому кисню). Вільний атом кисню дуже активний і швидко (тут же в центрі наночастинки) вступає в хімічну реакцію з ближньою молекулою води в наночастинці з утворенням молекули перекису водню:
(O + O—) • 34 H2O → (O + H2O + O—) • 33 H2O (5)
(O + H2O + O—) • 33 H2O → (H2O2 + O—) • 33 H2O (6)
Утворення перекису водню супроводжується енергетичним ефектом + 187,7 кДж/моль. Молекула H2O2 не стабільна і розпадається на дві частинки OH з поглинанням - 217,68 кДж/моль:
(H2O2 + O—) • 33 H2O → (OH + OH + O—) • 33 H2O (7)
У динамічних і напружених умовах всередині твердоподібної наночастинки відбувається подальший розпад частинок на атоми:
(OH + OH + O—) + 33 H2O → (O + H + O + H + O—) • 33 H2O (8)
На це витрачається подвоєна енергія розриву хімічного зв'язку O - H: 2 (- 427,8) = - 855,6 кДж/моль. Але утворені атоми кисню і водню надзвичайно активні і з'єднуються у відповідні стабільні молекули з енергетичним ефектом: + 493,6 + 432,1 = 925,7 кДж/моль, і як неполярні молекули, залишають наночастинку:
(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 результаті в простір з наночастинки (9) вивільняються одна нейтральна молекула кисню і одна нейтральна молекула водню.
Іон кисню O, що залишився в наночастинці, взаємодіє з ближньою молекулою води і, завдяки своєму сильному електричному полю (відстань менше 1 нм), електролітично дисоцірує її на позитивний іон водню H + і негативний іон (OH) - за схемою:
(O— + H2O) • 33 H2O → [O— + H+ + (OH)—] • 32 H2O (11)
На це сходиться - 498,7 кДж/моль. Іони кисню і водню з'єднуються в електронейтральний гідроксил OH:
[O— + H+ + (OH)—] • 32 H2O → [OH + (OH)—] • 32 H2O (12)
З енергетичним ефектом + 427,8 кДж/моль.
Центральна область наночастинки (OH + OH -) досить своєрідна, складається з двох однакових угруповань OH і одного електрона. Але для виконання ролі «слуги двох доль-близнюків» електрон повинен час від часу відриватися від кожного з них, що можна висловити:
(OH + OH— ) • 32 H2O → (OH + OH + e) • 32 H2O (13)
Витрата енергії становить -298,3 кДж/моль - енергію споріднення до електрону угруповання OH. В енергозбутковій твердоподібній наночастинці угруповання OH розпадаються на атоми
(OH + OH + e) • 32 H2O → (O + H + O + H + e) • 32 H2O (14)
з енерговитратою 2 − (-427,8) = -855,6 кДж/моль. Але активні атоми кисню і водню, що утворилися, з'єднуються в молекули кисню і водню з енергетичним ефектом + 493,6 + 432,1 = + 925,7 кДж/моль.:
(O + H + O + H + e) • 32 H2O → (O2 + H2 + e) • 32 H2O (15)
У створених умовах електрон «прилипає» до молекули кисню з позитивним спорідненням до електрону (енергія системи зменшується на + 83,9 кДж/моль), а не до молекули водню, у якої негативне споріднення до електрону.
(O2 + e) • 32 H2O → (O2) — • 32 H2O (16)
Заряджена наночастинка повернулася до стану (2) з тією лише різницею, що замість 34 молекул води в наночастинці міститься 32 молекули води. Але явно видно, що заряджена наночастинка завершила якийсь цикл процесів, і на цьому може припинити своє існування в разі розрядки на аноді. Але може вступити в наступний цикл процесів, подібних (3) - (15), якщо не досягає анода і розрядки не відбувається.
Але перед можливим початком наступного циклу проведемо матеріально-енергетичний баланс процесів (1) - (16). Чому було взято саме 34 молекули води з інших можливих чисел молекул води в наночастинці? Це було зроблено з тим, щоб всі енергетичні процеси в циклі були енергетично забезпечені.
Отже, матеріальний результат циклу полягає в тому, що дві молекули води зникли і з'явилися дві молекули водню і одна молекула кисню. Енергетичний результат становить + 1029,8 кДж/моль. Цього явно недостатньо для всіх енерговитратних процесів наступного циклу. Величина енергетичної недостатності становить приблизно + 438 кДж/моль. Цей недолік може заповнитися приєднанням в цілому ще 11-ти молекул води. Тоді:
(O2) — • 32 H2O + 11 H2O → (O2)— • 43 H2O (17)
Результатом другого циклу, очевидно, також буде розщеплення двох молекул води на дві молекули водню і одну молекулу кисню:
(O2 + e) • 43 H2O → 2H2 + O2 + (O2)— • 41 H2O (18)
Якщо і після другого циклу заряджена наночастинка не досягає аноду і не розряджається, то почнеться третій цикл. Якщо і далі не відбувається розрядки, то заряджена наночастинка може рости до розмірів у сотні, тисячі молекул води.
У такому випадку можна вважати, що з 11 молекул води 2 молекули розпадаються на дві молекули водню і одну молекулу кисню, тобто 22% всіх молекул води в розглянутому газовому середовищі зникає, перетворюючись на водень і кисень. Оскільки 1 моль водню виходить з одного моля молекул води, то вміст водню в розглянутої газової суміші буде приблизно 0,24% .об.
Нехай наша газова суміш пропускається через трубу діаметром 19 см зі швидкістю 1 м/с. Тоді за 1 годину буде оброблено 115 000 л газової суміші, в якій міститься 276 л водню. Щоб водню було 1 куб. м, необхідно обробляти газову суміш електричним полем високої напруженості і пропускати через зазначену трубу протягом 4 годин. Електричної енергії при цьому споживається 200 Ватт • год.
Відомо, що для отримання 1 куб. м водню поширеним промисловим електролізом води споживається від 3 до 5 кВатт • год. Нехай 4 кВатт • год. Тоді в нашому випадку електричної енергії потрібно в 20 разів менше.
Приблизно в стільки ж разів буде дешевше і виробництво водню з використанням електростимульованого наноструктурування молекул води в газовому середовищі. При використанні процесів електростимульованого наноструктурування молекул води для виробництва дешевого водню та його використання як палива розглянуті процеси можуть стати основою екологічно безпечної енергетики, ефективної та відновлюваної, тобто необмеженої. А це - вирішення енергетичної проблеми розвитку цивілізації.
Висновки
- В атмосфері Землі кисень забезпечується не тільки фотосинтезом, а й електростимульованою наноструктуризацією молекул води в електричних полях високої напруженості при грозах, супроводжуваних спалахами блискавок.
- Утворення молекул водню в газових середовищах, що містять молекули води, може одночасно вирішити екологічну проблему Глобального Потепління клімату та енергетичну проблему екологічно чистої відновлюваної та необмеженої енергетики. Води на Землі предостатньо і кругообіг води в природі робить її необмеженим джерелом водню.
З пропозиціями щодо реальних проектів можна звернутися безпосередньо до автора методу, доктора Кім С.Г. за адресою: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.