Енергетичний баланс процесів синтезу молекул кисню водню та води

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Філіп Канари

В інженерній практиці з обслуговування вентиляційних систем виявлено появу надлишкової теплової енергії в циркулюючому повітрі. Аналогічне явище зафіксовано і в системах циркуляції води з пристроями для її активної кавітації. Результати наших досліджень не лише пояснюють причину цих явищ, але дозволяють робити кількісні розрахунки енергетичних процесів, що генерують додаткову теплову енергію [1].

Атом кисню - восьмий елемент періодичної таблиці хімічних елементів, розташований в її шостій групі. Структура його ядра показана на рис.1 [1].

Рис. 1. Схема ядра атома кисню: світлі - протони, темні і сірі - нейтрони

На рис.2 представлена ​​схема атома кисню, наступна зі структури його ядра (рис.1). Він має вісім електронів, найбільш активні ті з них (1, 2), що розташовані на осі симетрії. Шість інших електронів, розташованих у площині перпендикулярній осьової лінії (лінії симетрії), своїм сумарним електричним полем видаляють електрони 1 і 2 від ядра на більшу відстань, формуючи умови для більшої їх активності при взаємодії з електронами сусідніх атомів [1].

Рис. 2. Схема атома кисню

Найменша енергія іонізації електрона атома кисню дорівнює Ei = 13,618 еВ, а енергія зв'язку цього електрона з ядром атома, відповідна першого енергетичного рівня E1 = 13,752 еВ. Назвемо цей електрон першим. Розрахунок енергетичних показників цього електрона, в тому числі і енергій зв'язку Eb його з ядром атома, за формулами (1) і (2) дає наступні результати (табл.1) [1].

Eph = Ei-Ei/n2 = Ei-E1/n2; (1)
Eb = E1/n2. (2)

Таблиця 1

Спектр першого електрона атома кисню, еВ

Значення 2 3 4 5 6
Eph (експ.) 10,18 12,09 12,76 13,07 13,24
Eph (теор.) 10,16 12,09 12,76 13,07 13,24
Eb (теор.) 3,44 1,53 0,86 0,55 0,38

Структура молекули кисню, показана на рис.3. Вона утворюється шляхом з'єднання різнойменних магнітних полюсів осьових електронів двох атомів кисню [1]. Відомо, що процес синтезу молекул кисню супроводжується виділенням 495кДж/моль енергії або в розрахунку на одну молекулу

Eb = (495.1000) / (6,02 · 1023.1, 602.10 -19) = 5,13 еВ. (3)

Яким же принципом керується Природа, розподіляючи енергію 5,13 еВ між електронами молекули кисню (рис.3)? Енергія 5,13 еВ - термічна енергія зв'язку між електронами 1 і 2 'двох атомів кисню (рис.3). При утворенні молекули кисню вона випромінюється у вигляді фотонів електронами, що вступають у зв'язок. З цього випливає, що вона дорівнює сумі енергій двох фотонів, що випромінюють цими електронами. Отже, кожен електрон, що вступає в контакт, випромінює по фотону з енергіями 5,13 / 2 = 2,565 еВ (ріс.3б). Згідно табл.1 валентні електрони в цьому випадку займають положення між другим і третім енергетичними рівнями [1].

Рис. 3. Схема розподілу енергій зв'язку між електронами в молекулі кисню

Два атоми кисню з'єднуються в молекулу в стані збудження. Станом збудження вважається такий стан атома, при якому його валентні електрони віддалені від ядер на такі відстані, коли енергія зв'язку між ними зменшується до тисячних часток електрон-вольта. У такому стані атом може втратити електрон і стати іоном. Або, не втрачаючи електрони, він з'єднується валентним електроном з електроном сусіднього атома і починається процес формування молекули кисню. Це - екзотермічний процес, при якому осьові валентні електрони 1 і 2 ', випромінюючи фотони і опускаючись на нижчі енергетичні рівні, виділяють 2,565 × 2 = 5,13 еВ. Звернемо увагу на те, що енергія 5,13 еВ виділяється двома електронами, що формують зв'язок з енергією 2,56 еВ. У сучасній хімії цей зв'язок називається ковалентним. Для руйнування зв'язку з цим досить витратити 2,56 еВ механічної енергії. Для термічного розриву зв'язку з цим енергії потрібно у два рази більше, тобто 5,13 еВ. Це пояснюється тим, що енергія фотона 5,13 еВ поглинається одночасно двома електронами. Тільки в цьому випадку обидва електрона будуть переведені на самі високі енергетичні рівні з мінімальною енергією зв'язку, при якій вони роз'єднуються, і кожен атом кисню стає вільним.

Таким чином витрати енергії на руйнування молекули кисню залежать від способу впливу на зв'язок. При термічному впливі на зв'язок вона руйнується при енергії 5,13 еВ. При механічній дії на зв'язок досить витратити 2,56 еВ енергії, щоб зруйнувати цей зв'язок. З цього випливає, що енергетика процесу синтезу молекули кисню залежить від способу її руйнування.

Після термічного руйнування молекули кисню, процес її формування починається з випромінювання обома валентними електронами по фотону з енергіями 2,56 еВ і колишня енергія електродинамічної зв'язку (2,56 еВ) між електронами обох атомів відновлюється.

Таким чином, при термічному руйнуванні молекули кисню теплової енергії витрачається стільки ж, скільки виділяється при подальшому її освіті. Ніякої додаткової енергії при термічній дисоціації молекули кисню і наступному її синтезі не з'являється.

Якщо ж молекулу кисню руйнувати механічним шляхом, то для цього достатньо затратити 2,56 еВ механічної енергії. При цьому валентні електрони атомів кисню, виявляються у вільному стані при нестачі енергії, відповідної такого стану, тому що процес поглинання кожним з них +2,56 еВ енергії був відсутній. У такому стані електрони не можуть залишатися, вони повинні негайно заповнити енергію, яку вони не отримали при механічному розриві зв'язку між ними. Де вони її візьмуть? Джерело один - навколишнє середовище, тобто фізичний вакуум, заповнений ефіром. Вони негайно перетворять ефір в енергію 2,56 еВ. Наступна фаза - з'єднання двох атомів кисню, валентні електрони яких поповнили запаси своєї енергії за рахунок ефіру. Цей процес супроводжується випромінюванням двома електронами фотонів з енергіями 2,56 еВ. Так енергія поглинутого ефіру перетворюється на теплову енергію фотонів. Витративши 2,56 еВ механічної енергії на руйнування молекули кисню, при подальшому синтезі цієї молекули ми отримуємо енергії в два рази більше (2,56 × 2 = 5,13) еВ. Додаткова енергія виявляється рівною 2,56 еВ.

Існує чимало експериментальних даних показують, що у вентиляційних системах теплова енергія циркулює повітря перевершує електричну енергію, витрачену на привід вентиляторів. Тепер ми знаємо, що ця енергія генерується при механічному руйнуванні ковалентних зв'язків в молекулах газів, з яких складається повітря.

Використовуючи викладену методику, проаналізуємо енергетику молекули води, яка також у ряді випадків генерує додаткову енергію. Молекула води складається з одного атома кисню і двох атомів водню. Енергії зв'язку Eb атомів водню з його ядром представлені в табл.2.

Таблиця 2

Спектр атома водню, еВ

Значення 2 3 4 5 6
Eph (експ.) 10,20 12,09 12,75 13,05 13,22
Eph (теор.) 10,198 12,087 12,748 13,054 13,220
Eb (теор.) 3,40 1,51 0,85 0,54 0,38

Відомо, що сполука водню з киснем відбувається в більшості випадків з вибухом, але причина цього до цих пір не відома. Спробуємо знайти її.

Енергія синтезу молекули водню дорівнює 436кДж/моль або 4,53 еВ на одну молекулу. Оскільки молекула складається з двох атомів, то вказана енергія розподіляється між ними. Таким чином, енергія одного зв'язку між атомами водню виявляється рівною 2,26 еВ (рис. 4). При механічному розриві цій досить витратити 2,26 еВ. При термічному руйнуванні зв'язку з цим енергії буде потрібно у два рази більше (2,26 × 2 = 4,53 еВ).

Рис. 4. Молекула водню

Для утворення двох молекул води необхідно зруйнувати на атоми дві молекули водню і одну молекулу кисню. При механічному руйнуванні ковалентних зв'язків на руйнування двох молекул водню витрачається 2,26 × 2 = 4,53 еВ, а молекули кисню - 2,56 еВ. Сума цих енергій дорівнює 7,13 еВ. Якщо процеси руйнування вказаних молекул проводити термічним шляхом, то на руйнування двох молекул водню буде потрібно 4,53 +4,53 = 9,06 еВ, а на руйнування однієї молекули кисню - 5,13 еВ. У сумі це становитиме 14,19 еВ. Різниця майже дворазова.

Відомо, що при синтезі одного моля води виділяється 285,8 кДж або 285,8 · 1000 / 6,02 · 1023.1, 6.10 -19 = 2,9 еВ на одну молекулу. Так як молекула води складається з одного атома кисню і двох атомів водню, то на одну зв'язок доводиться 2,96 / 2 = 1,48 еВ (рис. 5). З цього випливає, що електрони атомів водню і кисню в молекулі води знаходяться при звичайній температурі (1,48 / 2 = 0,74 еВ) між четвертими і п'ятими енергетичними рівнями (табл.1, 2).

Рис. 5. Схема молекули води: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - номери електронів атома кисню; P1, P2 - ядра атомів водню (протони); e1 і e2-електрони атомів водню

Таким чином, на руйнування двох молекул водню і однієї молекули кисню термічним шляхом витрачено 14,19 еВ, а в результаті синтезу двох молекул води виділиться 2,96 × 2 = 5,98 еВ. У чому причина такого дисбалансу? Відповідь проста. При переході з газоподібного в рідкий стан атом кисню в молекулі води, повинен зменшити свій обсяг. Це відбудеться, якщо кільцеві електрони атома кисню опустяться на більш низькі енергетичні рівні (ближче до ядра). При цьому вони обов'язково ізлучат фотони, і ми вже знаємо їх загальну енергію. Вона дорівнює енергії, витраченої на руйнування двох молекул водню і однієї молекули кисню, тобто - 14,19 еВ. Оскільки у двох молекул води 12 кільцевих електронів, то кожен з них випроменить 14,19 / 12 = 1,18 еВ. Це більше енергії (0,74 еВ) зв'язку з ядром осьових електронів і вказує на те, що кільцеві електрони розташовані ближче до ядра, ніж осьові.

У цьому випадку кількість енергії, отриманої в результаті синтезу двох молекул води (14,19 +5,98) еВ виявляється більше енергії, витраченої на руйнування двох молекул водню (9,06 еВ) і однієї молекули кисню (5,13 еВ). Сформована різниця енергій 5,98 еВ розділиться між двома молекулами води. На одну молекулу доводиться (5,98 / 2) = 2,99 еВ або 285,8 кДж / моль, що повністю відповідає існуючим експериментальним даним.

Викладене вище прояснює причину вибуху при з'єднанні водню з киснем. Одночасний перехід шести кільцевих електронів кожного атома кисню, у народжуються молекулах води, на більш низькі енергетичні рівні супроводжується одночасним випромінюванням фотонів, які і генерують енергію вибуху.

Звернемо увагу, що на ріс.5б показано дві енергії зв'язку між валентними електронами e2 і 2, а також між 1 і e1. Електродинамічна зв'язок дорівнює 0,74 еВ. Для розриву зв'язку з цим досить витратити таку ж кількість механічної енергії. Якщо ж цей зв'язок опромінити фотонами з енергією 0,74 еВ, то процес поглинання фотонів буде йти так, що кожен із двох валентних електронів поглине по 0,37 еВ і енергія зв'язку зменшиться до 0,37 еВ, і молекула води не зруйнується. Друга, теплова енергія зв'язку, зазначена на тому ж малюнку, дорівнює 1,48 еВ. Якщо обидва електрона поглинуть фотон з цією енергією, то енергія зв'язку між ними стане рівною нулю і молекула води зруйнується.

З викладеного випливає, що якщо зазначені зв'язки руйнувати механічним шляхом, витрачаючи по 0,74 еВ на кожну зв'язок, то після її розриву у кожного електрона утворюється дефіцит енергії, рівний 0,74 еВ. Ця енергія буде негайно поглинена з навколишнього середовища і випромінюючи при повторному синтезі молекули води. Так ковалентний хімічний зв'язок при механічному руйнуванні однієї молекули води формує 1,48 еВ додаткової теплової енергії, яка, як ми вже зазначили, стійко реєструється в системах кавітації води.

Відомо, що молекули води, об'єднуючись, формують кластери. Якщо зв'язок між молекулами в кластерах ковалентні, то механічне руйнування цих зв'язків також повинно супроводжуватися виділенням додаткової теплової енергії.

На Російському ринку вже три фірми «Юсмар», «Термовіхрь» і «Нотека» продають кавітаційної водонагрівальне обладнання з показником енергетичної ефективності до 150%. Готуються до випуску і повітряні нагрівальні прилади з такою ж ефективністю. Джерелом додаткової енергії, що генерується цими приладами, є процеси механічного руйнування ковалентних зв'язків молекул газів повітря, молекул і кластерів води, і їх наступний синтез.

Висновок

Аналіз енергетичного балансу молекул з ковалентними зв'язками показує можливість формування додаткової теплової енергії при механічному руйнуванні цих зв'язків.

Список літератури

КанаревФ.М. Почала фізхімії мікросвіту. Краснодар. 2002. 320с.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
26.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Реакції приєднання молекул НХ з кислим атомом водню до ненасичених сполук
Енергетика та паливно-енергетичний баланс світу
Теорія хімічних процесів органічного синтезу
Підготовка води для виробничих процесів Виклад способів водопідготовки на підприємстві
Фізіологічне та гігієнічне значення води Гігієнічні вимоги до питної води
Поширення кисню
Вплив кисню на воду безалкогольні напої
Отримання водню
Зберігання водню
© Усі права захищені
написати до нас