На что распадается вода
Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).
Проект Заряд
Автономное энергоснабжение. Свободная и альтернативная энергия будущего. Бестопливные генераторы и «вечные двигатели» в каждый дом!
Генератор водорода путем ослабления межатомных связей высокой температурой
Предложенный способо основан на следующем:
Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами, осуществляемыми в трех вариантах установок.
Все три варианта установок изготавливаются из одинаковых, унифицированных изделий цилиндрической формы из стальных труб.
Первый вариант
Работа и устройство установки первого варианта (схема 1)
Во всех трех вариантах работа установок начинается с приготовления перегретого пара в незамкнутом пространстве с температурой пара 550 o C. Незамкнутое пространство обеспечивает скорость по контуру разложения пара до 2 м/с.
Приготовление перегретого пара происходит в стальной трубе из жаропрочной стали /стартер/, диаметр и длина которого зависит от мощности установки. Мощность установки определяет количество разлагаемой воды, литров/с.
Один литр воды содержит 124 л водорода и 622 л кислорода, в пересчете на калории составляет 329 ккал.
Перед пуском установки стартер разогревается от 800 до 1000 o C /разогрев производится любым способом/.
Один конец стартера заглушен фланцем, через который поступает дозированная вода для разложения на рассчитанную мощность. Вода в стартере нагревается до 550 o C, свободно выходит из другого конца стартера и поступает в камеру разложения, с которой стартер соединен фланцами.
В камере разложения перегретый пар разлагается на водород и кислород электрическим полем, создаваемым положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток с напряжением 6000 В. Положительным электродом служит сам корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит труба из тонкостенной стали, смонтированная по центру корпуса, по всей поверхности которой имеются отверстия диаметром по 20 мм.
Труба — электрод представляет собой сетку, которая не должна создавать сопротивление для входа в электрод водорода. Электрод крепится к корпусу трубы на проходных изоляторах и по этому же креплению подается высокое напряжение. Конец трубы отрицательного электрода оканчивается электроизоляционной и термостойкой трубой для выхода водорода через фланец камеры. Выход кислорода из корпуса камеры разложения через стальной патрубок. Положительный электрод /корпус камеры/ должен быть заземлен и заземлен положительный полюс у источника питания постоянного тока.
Выход водорода по отношению к кислороду 1:5.
Второй вариант
Работа и устройство установки по второму варианту (схема 2)
Установка второго варианта предназначена для получения большого количества водорода и кислорода за счет параллельного разложения большого количества воды и, окисления газов в котлах для получения рабочего пара высокого давления для электростанций, работающих на водороде /в дальнейшем ВЭС/.
Работа установки, как и в первом варианте, начинается с приготовления перегретого пара в стартере. Но этот стартер отличается от стартера в 1-м варианте. Отличие заключается в том, что на конце стартера приварен отвод, в котором смонтирован переключатель пара, имеющий два положения — «пуск» и «работа».
Полученный в стартере пар поступает в теплообменник, который предназначен для корректировки температуры восстановленной воды после окисления в котле /К1/ до 550 o C. Теплообменник /То/ — труба, как и все изделия с таким же диаметром. Между фланцами трубы вмонтированы трубки из жаропрочной стали, по которым проходит перегретый пар. Трубки обтекаются водой из замкнутой системы охлаждения.
Из теплообменника перегретый пар поступает в камеру разложения, точно такую же, как и в первом варианте установки.
Водород и кислород из камеры разложения поступают в горелку котла 1, в которой водород поджигается зажигалкой, — образуется факел. Факел, обтекая котел 1, создает в нем рабочий пар высокого давления. Хвост факела из котла 1 поступает в котел 2 и своим теплом в котле 2 подготавливает пар для котла 1. Начинается непрерывное окисление газов по всему контуру котлов по известной формуле:
В результате окисления газов восстанавливается вода и выделяется тепло. Это тепло в установке собирают котлы 1 и котлы 2, превращая это тепло в рабочий пар высокого давления. А восстановленная вода с высокой температурой поступает в следующий теплообменник, из него в следующую камеру разложения. Такая последовательность перехода воды из одного состояния в другое продолжается столько раз, сколько требуется получить от этого собранного тепла энергии в виде рабочего пара для обеспечения проектной мощности ВЭС.
После того, как первая порция перегретого пара обойдет все изделия, даст контуру расчетную энергию и выйдет из последнего в контуре котла 2, перегретый пар по трубе направляется в переключатель пара, смонтированный на стартере. Переключатель пара из положения «пуск» переводится в положение «работа», после чего он попадает в стартер. Стартер отключается /вода, разогрев/. Из стартера перегретый пар поступает в первый теплообменник, а из него в камеру разложения. Начинается новый виток перегретого пара по контуру. С этого момента контур разложения и плазмы замкнут сам на себя.
Вода установкой расходуется только на образование рабочего пара высокого давления, которая берется из обратки контура отработанного пара после турбины.
Недостаток силовых установок для ВЭС — это их громоздкость. Например, для ВЭС на 250 МВт нужно разлагать одновременно 455 л воды в одну секунду, а для этого потребуется 227 камер разложения, 227 теплообменников, 227 котлов /К1/, 227 котлов /К2/. Но такая громоздкость стократ будет оправдана уже только тем, что топливом для ВЭС будет только вода, не говоря уже о экологической чистоте ВЭС, дешевой электрической энергии и тепле.
Третий вариант
3-й вариант силовой установки (схема 3)
Это точно такая же силовая установка, как и вторая.
Разница между ними в том, что эта установка работает постоянно от стартера, контур разложения пара и сжигания водорода в кислороде не замкнут сам на себя. Конечным изделием в установке будет теплообменник с камерой разложения. Такая компоновка изделий позволит получать кроме электрической энергии и тепла, еще водород и кислород или водород и озон. Силовая установка на 250 МВт при работе от стартера будет расходовать энергию на разогрев стартера, воду 7,2 м 3 /ч и воду на образование рабочего пара 1620 м 3 /ч/вода используется из обратного контура отработанного пара/. В силовой установке для ВЭС температура воды 550 o C. Давление пара 250 ат. Расход энергии на создание электрического поля на одну камеру разложения ориентировочно составит 3600 кВт/ч.
Силовая установка на 250 МВт при размещении изделий на четырех этажах займет площадь 114 х 20 м и высоту 10 м. Не учитывая площадь под турбину, генератор и трансформатор на 250 кВА — 380 х 6000 В.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Изобретение может найти применение в промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое — воду при сохранении мощности этих установок.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения водорода и кислорода из пара воды, включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой 500 — 550 o C, пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.
На что распадается вода
ВОДА – оксид водорода H2O.
В течение многих столетий вода считалась простым веществом. Лишь в 1783 французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) сумел разложить ее. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем количественный анализ воды проводили многие ученые. Долгое время образцовыми считались результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850), полученные около 1808: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) сделали более правильный анализ воды и нашли, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).
Изучая объемные отношения реагирующих газов, Гей-Люссак показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° С). На основании этих результатов с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом была выведена формула воды H2O.
На нашей планете вода играет очень важную роль. В природе она совершает непрерывный круговорот. Под влиянием солнечной энергии жидкая вода (главным образом, в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит благодаря тому, что водяной пар легче воздуха. Так происходит образование облаков, которые ветрами переносятся в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода попадает на поверхность земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испаренную воду в океаны (рис. 1).
Чистой воды в природе нет. Даже наиболее чистая дождевая вода при падении через атмосферу растворяет газы и захватывает пыль. При ее испарении всегда остается небольшой остаток – около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Часть ее впитывается в почву. В глубине земли продолжается растворение различных веществ, так что при выходе на поверхность вода иногда образует минеральные источники. Ключевая и колодезная вода от растворенных в ней солей часто бывает жесткой.
Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. В конце концов, все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, получает взамен воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поставляемое реками в моря и океаны, огромно. Так, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 млн. т солей, Дунай в Черное море – 9 млн. т.
В океанской воде содержится около 35 г солей в литре. Столько же имеется в водах большинства морей. Однако для закрытых морей встречаются отклонения от средней солености, связанные с числом впадающих рек, средней температурой и другими факторами. Балтийское море содержит лишь 3–8 г солей на литр, а Красное – до 45 г. В соленых озерах содержание солей может быть намного больше: в Мертвом море – 228 г в одном литре, в оз. Эльтон – 270 г. В морской воде растворен, в основном, хлорид натрия; кроме того, имеются и другие соли натрия, магния, кальция.
Для научной работы, а также для фармацевтических и других целей, воду перегоняют (рис. 2). Для этого ее превращают в пар, который затем охлаждают, получая чистую дистиллированную воду. Примеси остаются в перегонном сосуде.
Природная вода содержит следы «тяжелой» воды (оксида дейтерия) D2O. Физические свойства H2O и D2O заметно различаются.
| H2O | D2O | |
| t плав.,°С | 0,0 | 3,8 |
| t кип., °С | 100,0 | 101,4 |
Свойства воды служат точкой отсчета для многих физических величин. Так, температуры замерзания и кипения воды лежат в основе шкалы Цельсия. Один литр – это объем 1 кг чистой воды, взвешенной при +4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).
Многие физические свойства воды аномальны по сравнению с другими жидкостями. Одной из причин этого служат малые размеры молекул воды – минимальные среди всех жидких веществ при обычных условиях. Однако наиболее важным свойством воды является ее способность образовывать прочные водородные связи.
В водяном паре при температуре кипения и атмосферном давлении присутствует около 1% димеров, в которых молекулы воды объединены в пары водородными связями. В жидком и твердом состоянии каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две как донор протонов и две – как акцептор протонов. Водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 3.).
Если бы водородных связей не было, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды – при плавлении ее плотность возрастает. При 0°С плотность льда (0,9168 г/см 3 ) меньше, чем плотности жидкой воды (0,9998 г/см 3 ), поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.
Чтобы превратить воду в пар, надо затратить много энергии – около 44 кДж/моль. При обратном переходе пара в жидкую воду выделяется то же количество теплоты.
Вода устойчива при нагревании вплоть до 1000°С. При более высоких температурах она частично разлагается на водород и кислород. Эти же продукты образуются при электролизе воды.
Разложение воды искрами электрической машины заметили еще в 1789, а годом позже воду разложили с помощью гальванического электричества. В России это впервые было сделано профессором С.-Петербургской Медико-Хирургической Академии В.В. Петровым летом 1802 посредством огромной «гальвани-вольтовой батареи», состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков. Электролиз чистой воды идет очень медленно. Для более быстрого разложения воды электрическим током в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используют для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).
Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми веществами. Большинство таких реакций протекает при высокой температуре. Только наиболее активные металлы (щелочные и щелочноземельные) и неметаллы (галогены) реагируют с водой при комнатной температуре. Однако при одновременном воздействии воды и окислителей даже при обычной температуре происходит разрушение металлов средней активности (таких как железо) в результате коррозии.
Очень сильными восстановителями вода восстанавливается до водорода, очень сильными окислителями – окисляется до кислорода.
Вода взаимодействует со многими основными оксидами с образованием гидроксидов. В реакциях воды с большинством кислотных оксидов образуются кислоты.
РЕАКЦИИ ВОДЫ
| С простыми веществами: | |
| металлами | неметаллами |
| 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 | Cl2 + H2O⇋ HCl + HClO |
| 2Fe + 3H2O = Fe2O3 + 3H2 (600 °C) | H2O + C ⇋ CO + H2 (800–1000 °C) |
| С оксидами: | |
| основными | кислотными |
| CaO + H2O = Ca(OH)2 | SO3 + H2O = H2SO4 |
| Na2O + H2O = 2NaOH | N2O5 +H2O = 2HNO3 |
| Термическое разложение: 2Н2О⇋ 2Н2 + О2 | |
Некоторые сложные вещества полностью разлагаются водой – подвергаются необратимому гидролизу:
Вода может служить катализатором. Например, щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов воды. Иногда вода является каталитическим ядом, например, для железного катализатора при синтезе аммиака.
В результате образования водородных связей твердая вода (лед) имеет рыхлую структуру с обширными замкнутыми полостями двух типов: больших и малых. В этих полостях могут размещаться молекулы других веществ, имеющие соответствующие размеры. Они удерживаются в них ван-дер-ваальсовыми силами. Так образуются газовые гидраты – клатраты, соединения типа «гость-хозяин», в которых «гостями» являются молекулы газов или легкокипящих жидкостей (благородные газы, галогены, углеводороды и др.), а «хозяевами» – молекулы воды, образующие кристаллический каркас. По внешнему виду газовые гидраты напоминают снег или рыхлый лед, но могут существовать только при повышенном давлении и отрицательной (по Цельсию) температуре. Наиболее важным на сегодняшний день газовым гидратом является гидрат природного газа метана, колоссальные скопления которого обнаружены в недрах земли, в особенности на шельфе морей и океанов.
Вода хорошо растворяет многие вещества, имеющие ионное строение (соли, щелочи), а также вещества, молекулы которых полярны. Наличие в жидкой воде ассоциатов (элементов кристаллической структуры) наряду с большим дипольным моментом молекул приводит к высокой диэлектрической проницаемости воды (ε = 78,3 при 25 °С). Это вызывает заметное ослабление кулоновского притяжения в водной среде, а, следовательно, способствует электролитической диссоциации ионных и полярных ковалентных соединений. При этом полярные молекулы воды участвуют в процессе гидратации за счет притяжения соответствующих полюсов полярных молекул воды к образующимся катионам и анионам. В ряде случаев образующиеся связи являются настолько прочными, что можно говорить о возникновении аквакомплексов. Аквакомплексы обнаружены не только в водных растворах, но и во многих кристаллических структурах.
Твердые вещества, как правило, лучше растворяются при нагревании. При этом вещества с очень прочной кристаллической решеткой мало растворимы в воде. К ним относятся хлориды, бромиды и иодиды серебра и свинца, сульфаты щелочноземельных металлов и свинца, большинство гидроксидов, сульфидов, ортофосфатов и карбонатов металлов.
Газы обычно плохо растворяются в воде. Исключение составляют газообразные вещества, взаимодействующие с водой, например аммиак, хлороводород или диоксид серы. Растворимость всех газов возрастает при увеличении давления и, как правило, понижается при нагревании.
В жидкой воде одна из каждых 10 миллионов молекул диссоциирует, образуя ионы: катионы водорода Н + и гидроксид-ионы ОН – :
Н2О ⇋ Н + + ОН –
| Индикатор | Кислотная среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
| Лакмус | Красный | Фиолетовый | Синий |
| Фенолфталеин | Бесцветный | Бесцветный | Малиновый |
| Метиловый оранжевый | Розовый | Оранжевый | Желтый |
| Вещества | Сильные | Слабые |
| Основания | NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 | NH3 |
| Кислоты | HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3 | H3PO4, H2CO3, H2S |
Соли при растворении в воде диссоциируют на катионы металла и анионы кислоты. Растворы многих солей имеют кислотную или щелочную среду за счет обратимого гидролиза по катиону или по аниону (см. ГИДРАТАЦИЯ, ГИДРАТЫ, ГИДРОЛИЗ).