Новая теория электролиза воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ

КАНАРЁВ Ф.М.

Анонс. Ошибочность старой теории электролиза воды - следствие ошибочных показаний приборов напряжения, тока и мощности. Реальные затраты энергии на импульсный электролиз воды в десятки раз меньше тех, что показывают указанные приборы.

1. Противоречия старой теории электролиза воды

Полезность любой теории определяется её возможностями правильно интерпретировать результаты уже существующих экспериментов и прогнозировать возможность получения новых теоретических и экспериментальных данных. Посмотрим, отвечает ли этим требованиям, старая теория электролиза воды.

Для этого, проанализируем старое описание химического процесса получения водорода из воды. Оно - в многочисленных учебниках. Химические реакции, протекающие при этом процессе признаются предельно ясными и не вызывают возражений как среди химиков, так и среди физиков. Посмотрим, действительно ли здесь все так ясно? Считается, что на катоде протекает реакция

Два электрона, поступающие с катода, реагируют с двумя молекулами воды, образуя молекулу водорода и два иона гидроксила . Молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода, а ионы гидроксила остаются в растворе.

На аноде протекает реакция

Четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая разлагается с образованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода. Суммарную реакцию можно получить, умножая уравнение (1) на 2 и суммируя с уравнением (2). Она выглядит следующим образом

Считается также, что в кислых растворах, с высокой концентрацией ионов водорода, на катоде может протекать реакция

Возникает такой вопрос: что следует понимать под символом при таком учебном изложении сути процесса электролиза воды? Естественно, означает положительный ион атома водорода, то есть протон. Однако химики умудрились обозначить этим же символом и положительно заряженный ион гидроксония . Они давно приняли соглашение: в целях упрощения записи, писать , вместо - . Вот и приходится гадать: всегда ли под химическим символом надо понимать совокупность символов или нет? А если нет, то, как же различать случаи "да" и "нет"? Ведь символ используется в многочисленных других химических реакциях.

Если согласиться с описанным процессом электролиза воды, то из него следует, что в водном растворе существуют свободные протоны, которые обозначаются символом . Имея положительный заряд, они движутся к катоду и, получив от него электрон , образуют вначале атомы водорода , которые, соединяясь, формируют молекулы , выделяя при этом 436 кДж/моль. По-другому ведь невозможно интерпретировать формулы (1), (2), (3).

Из формулы (2) следует, что у анода идет процесс синтеза молекул кислорода из его атомов, который должен сопровождаться выделением энергии 495 кДж/моль. Это также надо учитывать при анализе энергетического баланса процесса электролиза воды, но в современной химии не принято проводить такой анализ, так как из него следуют противоречия с экспериментом. Рассмотрим одно из них.

Введем, как это и должно быть, символ для обозначения только протона. Тогда реакция синтеза атома водорода запишется так

Реакция синтеза молекулы водорода представится в таком виде

.

Гипотеза о присутствии в различных химических растворах свободных протонов атомов водорода плодотворно используется в старой химии. Однако появление плазменного электролиза воды ставит эту гипотезу под сомнение. Дело в том, что протон - это очень маленькое и очень активное образование, которое может существовать только в составе ядра атома или в составе атома водорода, выполняя роль его ядра.

Атомы водорода существуют в свободном состоянии при температуре (2700...10000)С. Это означает, что при определенной плотности атомов водорода в единице объема должна формироваться плазма с такой температурой. Но при низковольтном электролизе воды плазма атомарного водорода, как известно, не образуется. Это значит, что в этом случае отсутствуют условия существования атомов водорода в свободном состоянии, то есть условия синтеза атомов водорода.

Известна энергия синтеза молекул водорода (436 кДж/моль), поэтому мы можем рассчитать примерное количество энергии, которое должно выделяться в электролитическом растворе при получении одного кубометра водорода в условиях, когда свободные атомы водорода объединяются в молекулы, как это следует из старой теории электролиза воды (1-4).

В одном кубическом метре водорода содержится 1000/22,4=44,64 моля молекулярного водорода. При его синтезе выделяется энергия

Если согласиться с наличием процесса синтеза молекул кислорода, то в зоне анода должна протекать реакция

,

то есть должны формироваться молекулы кислорода и атомы водорода. Но, как известно, при низковольтном электролизе воды в зоне анода выделяется только кислород.

Известно также, что при низковольтном процессе электролиза воды формирование (44,64 моля) водорода сопровождается выделением 22,32 моля молекулярного кислорода. В результате этого должно выделяться 495х22,32=11048,80 кДж энергии. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода (7), получим

Учитывая существующие экономные затраты на получение одного кубометра водорода, равные 4кВтч или 3600х4=14400кДж, определим общий показатель тепловой энергетической эффективности низковольтного процесса электролиза воды с учётом энергии, выделяющейся в зонах катода и анода

Но в реальности его нет. Тепловой энергетический показатель современного низковольтного процесса электролиза воды меньше единицы, поэтому возникает вопрос: каким образом формируются молекулы водорода и кислорода при низковольтном процессе электролиза воды, не генерируя ту энергию, которая следует из старой теории этого процесса (9 и 10)? Ответа нет. Продолжим искать его.

2. Анализ процесса питания электролизёра

Электролизёр - это совокупность пластинчатых анодов и катодов, каждая пара которых называется ячейкой. Раствор размещается между пластинами электродов. Напряжение на клеммы электролизёра можно подавать непрерывно, а можно импульсами (рис. 1).

Рис. 1. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах электролизёра

На рис. 1, хорошо видно, что импульсы напряжения c амплитудой восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса. Одновременно формируется и импульс тока с амплитудой . Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал, для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра (рис. 1).

Напомним, что импульсный расход электроэнергии характеризуется скважностью импульсов . Она равна отношению периода следования импульсов к их длительности , то есть .

При такой системе подачи электрической энергии в электролизёр вольтметр учитывает не среднюю величину напряжения , которое необходимо для подзарядки электролизёра, а среднюю величину полного потенциала на клеммах электролизёра, которая больше средней величины напряжения , необходимого для подзарядки электролизёра (рис. 1).

Так работают все современные электролизёры, и все варианты совершенствования такого способа их питания уже задействованы. Из анализа осциллограммы (рис. 1) следует, что реальная энергия, затрачиваемая на процесс электролиза воды, меньше той, которую показывают приборы. Как определить её величину?

Электронный ключ 3 (рис. 2, а) генерирует импульсы напряжения, разрывая электрическую цепь и нарушая связь средней величины постоянного потенциала (рис. 1) электролизёра 1 с постоянным потенциалом аккумулятора 2 (рис. 2, а).

Рис. 2: а) схема импульсного питания электролизёра 1 от аккумуляторной батареи

2 через диод 4; b) схема электронного генератора электрических импульсов

Показания вольтметров (рис. 2, а) следующие: ; ; . Показания амперметра . Мы знаем, что вольтметры и , подключённые к клеммам электролизёра и к клеммам аккумулятора, не учитывают скважность импульсов напряжения питания электролизёра и скважность импульсов напряжения, подаваемого в электролизёр 1 из аккумулятора 2. Обусловлено это тем, что на клеммах аккумулятора и электролизёра фактически - почти постоянные собственные напряжения (рис. 1 и 2). молекула водород электролизер энергия

Из этого следует, что показания вольтметров и не отражают реальную среднюю величину напряжения, подаваемого на клеммы электролизёра (рис. 1). Импульсное напряжение, представленное на осциллограмме (рис. 1), присутствует только на клеммах диода 4 (рис. 2, а). Оно фиксируется вольтметром и его показания легко проверить с помощью осциллограммы (рис. 1).

Амплитуда импульса напряжения на рис. 1, равна . Скважность импульсов напряжения и тока равна . С учётом этого средняя величина напряжения на клеммах электролизёра будет равна

.

Это близко к показаниям вольтметра (рис. 2, а).

Амперметр во всех случаях показывал одну величину среднего тока, равную . Достоверность этой величины легко проверяется с помощью осциллограммы (рис. 1). Амплитудная величина тока равна . Так как скважность импульсов равна , то средняя величина тока полностью совпадает с показаниями амперметра А (рис. 2, а).

.

Так как скважность импульсов напряжения и тока одинаковая, то средняя величина импульсной мощности, реализуемой на клеммах электролизёра, равна

.

Таким образом, при правильном учёте мощности, реализуемой на работу электролизёра, надо использовать показания амперметра А и второго вольтметра (рис. 2).

Зависимость производительности электролизёра и удельной мощности на литр водородно-кислородной смеси от скважности импульсов представлена в табл. 1.

Обратим внимание на то (табл. 1), что при увеличении скважности в 10 раз (S=10), производительность электролизёра уменьшилась (0,63/0,33=1,91) почти в два раза, величина среднего напряжения на клеммах электролизера 1 (рис. 2, а) уменьшилась почти в 10 раз, средняя величина тока (0,23/0,11=2) в два раза, средняя мощность, реализуемая аккумулятором, уменьшилась в 22 раза, а удельная мощность , реализуемая на клеммах электролизёра, уменьшилась (4,56/0,39=11,69) почти в 12 раз.

Самым удивительным является то, что абсолютное большинство электриков и электронщиков, с которыми нам пришлось обсуждать изложенное, не понимают его суть и считают, что не может быть в этом случае никакой экономии электрической энергии, так как её наличие сразу нарушает законы Кирхгофа. Посмотрим, так это или нет?

Таблица 1. Показатели электролиза согласно показаниям вольтметра и амперметра (рис. 2, а)

1.Скважность импульсов	S=1	S=5	S=10
2. Получено , л/ч	0,63	0,44	0,33
3. Ток, , А	0,23	0,12	0,11
4.Напряжение, ,	12,50	2,50	1,20
5. Мощность,	2,87	0,30	0,13
6. Уд. мощ., , Вт/л	4,56	0,68	0,39

Первый закон или первое правило Кирхгофа формулируется так: сумма всех токов, притекающих к любой точке электрической цепи, равна сумме всех токов, утекающих от этой точки. Нетрудно видеть, что это правило строго реализуется в старой математической модели для расчёта средней величины импульсной электрической мощности

,

если полагать, что процедура деления на скважность импульса в формуле (14) относится только к току (12) и не относится к напряжению (11). Данные табл. 1 подтверждают это. Значит, первое правило Кирхгофа для всех сечений электрической цепи, как следует из старой теории, работает корректно.

Второй закон или второе правило Кирхгофа гласит, что в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи.

А теперь присмотримся к осциллограмме на рис. 1. На ней показано два электрических потенциала. Один средний принадлежит самому электролизёру и его величина изменяется незначительно. Второй импульсный потенциал, пришедший от источника питания, с амплитудой большей средней величины потенциала электролизёра. Сразу возникает вопрос: какой потенциал мы должны учитывать для проверки достоверности второго закона Кирхгофа?

Средний потенциал принадлежит электролизёру, который мы подзаряжаем, посылая импульсы напряжения (рис. 1), поэтому не имеет никакого отношения к расходу энергии на процесс электролиза воды. Вполне естественно, что мы обязаны в этом случае учитывать среднюю величину импульсов напряжения, которая равна амплитуде импульса напряжения , делённой на скважность импульсов , как это и представлено в формуле (11).

Поскольку средний потенциал на клеммах электролизёра (рис. 1) больше среднего потенциала (11), подзаряжающего его, в количество раз, равное скважности импульсов , то и результаты реализации 2-го закона Кирхгофа в этих случаях будут отличаться в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Это означает ошибочность второго закона Кирхгофа.

Итак, мы имеем явное нарушение второго закона Кирхгофа. Почему это не заметили все наши предшественники? Потому, что на клеммах первичный источник питания (аккумулятора, например), из которого выделяются импульсы напряжения , генерирует напряжение непрерывное. Величину этого непрерывного напряжения и используют для расчёта средней величины импульсной мощности, а надо использовать среднюю величину импульсного напряжения (11). Эта ошибка и формировала представление о достоверности второго закона Кирхгофа.

3. Новая теория электролиза воды и её экспериментальная проверка

Новую теорию электролиза воды мы будем базировать не только на уравнениях химических реакций, но и на моделях атомов, ионов, молекул и кластеров, которые участвуют в этом процессе со своими давно определёнными энергетическими показателями синтеза и диссоциации ионов, молекул и кластеров воды.

Поскольку атомарный водород существует лишь при температуре 2700-10000 С, а в обычных электролизёрах такой температуры нет, то это значит, что при электролизе воды отсутствует процесс синтеза молекул водорода из его свободных атомов и сразу возникает вопрос откуда берутся молекулы водорода при электролизе воды?

Почему наши предшественники не поставили этот вопрос? Мешало орбитальное движение электронов в атомах, которое лишало возможности формирования правильных представлений о процессах соединения атомов в молекулы. Теперь мы знаем, что электроны взаимодействуют с протонами ядер не орбитально, а линейно (рис. 3).

Рис. 3: а) теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии; b) модель атома водорода, следующая из новой теории микромира

Отсутствие орбитального движения электронов в атомах и их линейное взаимодействие с протонами ядер раскрывает структуры любых атомов, в том числе, атомов водорода (рис. 3) и кислорода (рис. 5, а), которые входят в состав молекулы воды (рис. 5, с).

Использование моделей атомов, ионов, молекул и кластеров (рис. 5, d) значительно облегчает процессы интерпретации результатов экспериментов и делает их прозрачными. Это значит, что указанные модели выполняют функции химических элементов, необходимых для теоретического анализа результатов экспериментов и являются неотъемлемой частью теории электролиза воды.

Обратим внимание на закономерность формирования атома водорода (рис. 3, а). Направления спинов электрона и протона совпадают, а направления векторов их магнитных моментов и противоположны. Такая закономерность обусловлена тем, что разноимённые электрические заряды электрона и протона сближают их, а одноимённые магнитные полюса ограничивают их сближение.

Эти логические действия Природы реализуются при образовании первой структуры молекулы ортоводорода (рис. 4, а).

Электростатические силы взаимного притяжения первого электрона и первого протона (рис. 4, а) уравновешиваются противоположно направленными магнитными силами этих частиц. Именно поэтому векторы и их магнитных моментов направлены противоположно. Электростатические силы отталкивания, действующие между первым и вторым электронами, уравновешиваются сближающими их магнитными силами, поэтому направления векторов обоих электронов совпадают (рис. 4, а).

Чтобы скомпенсировать электростатические силы взаимного притяжения второго электрона и второго протона, необходимо сделать магнитные силы этих частиц противоположно направленными. Это действие отражено в противоположно направленных векторах и магнитных моментов второго протона и второго электрона (рис. 4, а, слева) первой модели молекулы водорода.

На рис. 4, b показан еще один вариант компоновки молекулы ортоводорода. Принцип формирования этой молекулы тот же. Векторы магнитных моментов электронов и протонов оказываются направленными так, что если электрические силы приближают частицы, то магнитные силы должны удалять их друг от друга.

Рис. 4. Схема молекулы водорода :

а), b) - ортоводород; c) - параводород

В результате между этими силами устанавливается равновесие. Устойчивость образовавшейся таким образом структуры зависит от энергий связи между ее элементами. Поскольку магнитные моменты электронов на два порядка больше магнитных моментов протонов, то электромагнитные силы первой структуры (рис. 4, а) прочнее удерживают ее элементы вместе, чем в структуре, показанной на рис. 4, b, поэтому есть основания ожидать, что первая структура ортоводорода (рис. 4, а) устойчивее второй (рис. 4, b).

При образовании молекулы параводорода (рис. 4, c) логика формирования связи между первым электроном и первым (справа) протоном остается прежней. Далее, силы взаимного притяжения первого электрона и первого протона , а также второго электрона и второго протона уравновешиваются их противоположно направленными магнитными силами. Поскольку векторы магнитных моментов электрона и протона, расположенных на краях этой структуры, направлены противоположно, то общий магнитный момент такой структуры близок к нулю (рис. 4, с). Поэтому посчитали, что векторы магнитных моментов протонов у такой структуры направлены противоположно и назвали её параводородом.

Отметим ещё раз: атомарный водород (рис. 3, а и b) существует в плазменном состоянии при температуре 2700-10000 С. Если бы образование молекул водорода при электролизе воды шло путем отделения атомов водорода от молекул воды, которые в этом случае имели бы фазы свободного состояния, то в фазе атомарного состояния водорода в электролитическом растворе формировалась бы указанная температура, но её нет, поэтому у нас появляются основания предположить, что молекулы водорода выделяются из кластеров воды в синтезированном состоянии. Для проверки достоверности такого предположения, надо владеть информацией о структурах атома и молекулы кислорода (рис. 5, а и b).

Рис. 5: а) модель атома кислорода; b) модель молекулы кислорода

с) схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода; - ядра атомов водорода (протоны); и - номера электронов атомов водорода d) кластер из двух молекул воды

Самая главная особенность структуры атома кислорода в том, что два электрона 1 и 2 (рис. 5, а) расположены на оси его атома, а шесть остальных - по кругу, перпендикулярному оси. Можно предположить, что суммарное электростатическое поле шести электронов, расположенных по кругу (назовем их кольцевыми электронами), удаляет 1-й и 2-й осевые электроны на большее расстояние от ядра атома, чем то расстояние от ядра атома, на котором распложены кольцевые электроны (3, 4, 5, 6, 7 и 8). Осевые электроны (1 и 2) атома кислорода являются его главными валентными электронами. При образовании молекулы воды (рис. 5, с) электроны атомов водорода (рис. 3, а и b) присоединяются к осевым электронам атома кислорода (рис. 5, а), образуя молекулу воды (рис. 5, с).

Электроны атомов водорода обозначены на рис. 5, с символами и , а протоны атомов водорода - символами и (рис. 5, с и d). Структура атома водорода (рис. 3, а и b) показывает, что если этот атом соединится с 1-м и 2-м осевым электроном атома кислорода своим единственным электроном, то протоны и окажутся на концах оси молекулы и образуют зоны с положительными зарядами (рис. 5, с).

Отрицательно заряженную зону сформируют электроны атома кислорода, расположенные по кольцу вокруг оси атома кислорода (рис. 5, с). Такая модель структуры молекулы воды объясняет увеличение её объёма при замерзании.

Поскольку при охлаждении электроны излучают фотоны и приближаются к ядру атома, то шесть кольцевых электронов (3, 4, 5, 6, 7 и 8) атома кислорода в молекуле воды, приближаясь к ядру атома, своим суммарным статическим электрическим полем удаляют осевые электроны 1 и 2 от ядра (рис. 5, с). В этом случае расстояние между атомами водорода, расположенными на оси молекулы воды и её кластера (рис. 5, с и d), увеличиваются. Это и есть главная причина увеличения размеров молекул воды при их замерзании.

Обратим внимание на то, что кластеры воды формируются, прежде всего, протон - протонными связями, когда две её молекулы соединяются соосно (рис. 5, d). Если учесть, что размер протона на три порядка меньше размера электрона, то протон - протонная связь легче разрушается при механическом воздействии на такой кластер (рис. 5, d), обеспечивая текучесть воды.

Большое электрическое сопротивление чистой, дистилированой воды (рис. 5, d) обусловлено тем, что на осевых концах молекул располагаются положительно заряженные протоны атомов водорода. В результате линейные кластеры молекул воды имеют на обоих концах одноимённые заряды, что исключает возможность формирования электрической цепи в чистой воде и увеличивает её электрическое сопротивление.

Чтобы уменьшить электрическое сопротивление воды и увеличить её электропроводность, надо ввести в чистую воду ионы, которые имели бы на одном конце главной оси электрон, а на другом - протон. В этом случае такие ионы легко объединяются в линейные кластеры с разными знаками электрических зарядов на их концах, что и приводит к формированию электрических цепей в растворе с разноимёнными знаками на концах, которые увеличивают его электропроводность. В качестве примера можно рассмотреть присутствие в воде иона (рис. 6, а и b).

Известно, что вода может обладать щелочными или кислотными свойствами. Щелочные свойства формируются за счет увеличенного содержания в воде гидроксила , например, (рис. 6, а и b). На рис. 6, а представлена модель гидроксила, а на рис. 6, b - схема гидроксила.

На одном конце оси гидроксила расположен электрон 3 атома кислорода, а на другом - протон атома водорода. Таким образом, гидроксил - идеальное звено электрической цепи. Под действием приложенного напряжения ионы гидроксила формируют линейные кластеры с положительным и отрицательным знаками электрических зарядов на их концах (рис. 6, с). В результате электрический импульс напряжения передаётся в растворе вдоль таких кластеров.

Рис. 6. Схемы: а) гидроксила ; b) кластера

На рис. 7, а представлен кластер из молекулы воды и иона гидроксила (рис. 7, b). Электрон иона ориентирован к аноду (+), а протон атома водорода молекулы воды - у катода (-). В структуре этого кластера присутствует молекула ортоводорода . Если она выделится из кластера, то у анода останется атом кислорода , а у катода - ион (рис. 7, е), который соединится со следующей молекулой воды и процесс разложения её на молекулы водорода и атомы кислорода продолжится.

Итак, анализ процесса электролиза воды (рис. 7) показывает, что для его реализации требуется только электрический потенциал между анодом и катодом и не требуются электроны из сети. Это значит, что описанный процесс электролиза может идти без специальных посторонних источников энергии. И он идёт ежегодно при фотосинтезе. Учёные установили, что в процессе фотосинтеза на планете Земля ежегодно формируется около 800 миллионов кубических метров молекулярного водорода.

Обратим внимание на энергии химических связей между атомами в кластере на рис. 7. Наибольшая энергия связи 4,53eV между протонами атомов водорода в молекуле ортоводорода , а наименьшая энергия связи 1,48eV между электроном молекулы воды и электроном молекулы ортоводорода (рис. 7, с). Это обеспечивает выделение молекулы ортоводорода и атома кислорода в свободное состояние (рис. 7).

Рис. 7. Схема выделения молекулы ортоводорода и атома кислорода из кластера молекулы воды и иона

В табл. 2 и 3 представлены спектры первых электронов атомов водорода и кислорода. В ряду энергий связей электрона с протоном атома водорода (табл. 2) и валентного электрона атома кислорода с протоном его ядра (табл. 3) есть энергии связи (1,51eV) и (1,53 eV), при которых начинается и идет процесс выделения газов в процессе электролиза воды. Раньше, из анализа процесса синтеза молекулы воды, мы установили, что энергия связи между электронами атомов водорода и кислорода в молекуле воды равна 1,48eV (рис. 7, а и b).

Таблица 2. Спектр атома водорода

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,220
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38

Таблица 3. Спектр первого электрона атома кислорода

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп.)	eV	10,18	12,09	12,76	13,07	13,24
(теор.)	eV	10,16	12,09	12,76	13,07	13,24
(теор.)	eV	3,44	1,53	0,86	0,55	0,38

Итак, среди энергий связи электрона атома водорода с его ядром (протоном) есть энергия (1,51 eV), близкая к экспериментальному значению (1,48 eV). Определим аналогичные энергии для электронов атома кислорода. Поскольку в химических реакциях участвуют, в основном, поверхностные электроны атомов, которые имеют близкие значения энергий связи с ядрами атомов на одноименных энергетических уровнях, то ограничимся анализом энергий связи первого электрона атома кислорода (табл. 3).

Как видно (табл. 3), энергии связи первого электрона атома кислорода, соответствующим третьему (n=3) энергетическому уровню, практически совпадает с соответствующей энергией связи электрона атома водорода (табл. 2). Причем, энергия, соответствующая третьему уровню (1,53 eV), близка к экспериментальному значению энергии (1,48 eV) газовыделения при низковольтном электролизе воды (рис. 7. Так что теоретические значения энергий связи электрона первого атома водорода и первого электрона атома кислорода в молекуле воды, полученные на основании закона формирования спектров близки к экспериментальным значениям 1,48eV этой энергии (табл. 2 и 3).

Теперь у нас появились веские основания полагать, что первый электрон атома кислорода, устанавливая связь с электроном 1-го атома водорода в молекуле воды, находится вблизи третьего () энергетического уровня (табл. 3).

Анализируя закономерность изменения энергий связи электронов атома кислорода и других атомов с их ядрами, мы установили, что в условиях присутствия в атоме всех электронов они имеют, примерно, одинаковые энергии связи с протонами ядер атомов. Поэтому будем считать, что симметричность молекулы воды обеспечивает равные (или близкие) энергии связи с ядром его 1-го и 2-го электронов (рис. 5, а).

Низковольтный процесс электролиза воды обычно идет при напряжении (1,6 - 2,3)B и достаточно большой силе тока, свидетельствующей о большом расходе электронов из электрической сети.

Итак, мы ответили на все безответные вопросы, которые возникли у нас при анализе старой теории электролиза воды. Продолжим её новую теорию.

Энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436кДж. Переведем её в электрон-вольты в расчете на одну молекулу.

.

Величина этой энергии показана слева от молекулы водорода, расположенной в кластерной цепочке (рис. 7, a и b). Показаны энергии связи 1,48eV атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды. Энергия 4,53eV синтеза молекулы водорода перераспределяет энергии связи в кластерной цепочке таким образом, что энергии 1,48eV связи атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды уменьшаются почти до нуля и молекула ортоводорода выделяется из кластерной цепочки (рис. 7, с).

Таким образом, разность между энергией 4,53eV синтеза молекулы водорода и суммарной энергией связи (1,48+1,48) = 2,96 eV оказывается равной (4,53 - 2,96)=1,57eV. Эта энергия расходуется на нагревание электролитического раствора. Поэтому при выделении водорода выделится не 44,64х436=19463 кДж, предсказываемых старой теорией электролиза, а следующее количество тепловой энергии

При этом у катода идёт химическая реакция

А теперь учтём, что существующие счётчики электроэнергии и другие электроизмерительные приборы правильно учитывают расход электроэнергии из сети только при непрерывном её потреблении и при постоянном напряжении на клеммах электролизёра и завышают её расход при импульсном напряжении, подаваемом на клеммы электролизёра, в количество раз, равное скважности импульсов , которая может меняться в интервале (1….100).

При непрерывном напряжении на клеммах электролизёра количество тепловой энергии 13502кДж является частью общей энергии 4х3600 = 14400 кДж, расходуемой на получение одного кубического метра водорода. Показатель тепловой эффективности (КПД) этого процесса окажется таким

.

Важно иметь в виду, что анализ выделения молекул водорода из кластеров молекул воды (рис. 7) позволил нам не учитывать энергию синтеза молекул кислорода мы не учли. Если же учитывать энергию синтеза молекул кислорода, то надо знать, сколько кислорода выделятся при получении 1000 литров водорода. Известно, что из одного литра воды можно получить 1234,44 литра водорода и 604,69 литра кислорода. Тогда при выделении 1000 литров водорода выделится 60469/1234,4=489,86 литра кислорода. Учитывая, что энергия, выделяющаяся при синтезе одной молекулы кислорода, равна 4,95 eV (5,13 кДж/моль), найдем количество энергии, которая выделится при синтезе 489,86 литров кислорода.

Тогда общий показатель тепловой эффективности (КПД) будет равен

.

Таким образом, показатель общей тепловой эффективности (20) существующего низковольтного процесса электролиза воды близок к единице, поэтому считали, что энергобаланс процесса электролиза воды подчинялся закону сохранения энергии.

Но истинную причину этого не знали. Она - в отсутствии процесса синтеза молекул водорода из его атомов. Молекулы водорода выделяются из кластеров воды в синтезированном состоянии (рис. 7).

Однако, если учесть, что энергосодержание одного грамма водорода равно 142 кДж, а кубический метр этого газа весит 90 гр., то показатель общей энергетической эффективности (КПД) будет таким

Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе? Анализ структуры молекулы воды (рис. 5, с), выявленной нами, и кластера из двух молекул воды (рис. 5, d) показывает, что в этом кластере есть молекула ортоводорода (рис. 5, d). Это указывает на то, что эта молекула выделяется из кластера молекул воды при фотосинтезе, который идёт при минимальном токе.

На рис. 5, с представлена схема молекулы воды с энергиями связи между атомами водорода и кислорода в условиях, когда молекула воды находится в нейтральной среде, без ионов щелочи или кислоты, а также без электрического потенциала, который бы действовал на такие ионы.

Поиск условий разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе, привел нас к простой конструкции ячейки, в которой имитированы годовые кольца стволов деревьев в виде зазоров между коническими электродами.

4. Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 8) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Рис. 8. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула - молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода - 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода - 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода - 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты - в табл. 4.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 4).

Таблица 4. Показатели электролиза воды

Показатели	Сумма
1 - продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах , мин	6x10=60,0
2 - показания вольтметра V, Вольт	11,40
2' - показания осциллографа V', Вольт	0,40
3 - показания амперметра I, Ампер	0,020
3' - показания осциллографа, I', Ампер	0,01978
4 - реальный расход энергии (P'=V'xI'x ф/60) Втч	0,0081
5 - продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6x50=300,0
6 - изменение массы раствора m, грамм	0,60
7 - масса испарившейся воды m', грамм	0,06
8 - масса воды, перешедшей в газы, m''=m-m', г.	0,54
9- количество выделившегося водорода ДМ=0,54x1,23x0,09=0,06, грамм	0,06
10 - расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E'=P'/m'', Втч/г;	0,015
11 -существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E'', Втч/гр. воды	5,25
12 - уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K'=E''/P', раз;	648,15
13 - энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч	2,36
14 - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P'), %;	1035,80
14' - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P')%	190322,6

Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один - сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный - на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 4 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 8) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза - стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 7).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 8) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 8). Если финансирование появится, то импульсный электромотор-генератор (рис. 10) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 9, а).

Рис. 9: a) катодно-анодная электролизная трубка;

b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки

Рис. 10.

Эксперимент по электролизу воды при питании электролизёра импульсным электромотором-генератором МГ-1 (рис. 10) длился непрерывно 72 часа. МГ-1, питаясь от одной группы 4-х аккумуляторов, заряжал другую группу из 4-х аккумуляторов. За это время напряжение на клеммах аккумуляторов упало на 0,7В. Это убедительное доказательство наличия рекуперационных свойств у импульсных электромоторов-генераторов.

Удельная мощность на получение водорода с помощью, рекуперационного мотора-генератора МГ-1 составила 0,046 Вт/литр водорода. Это в 100 раз меньше удельной мощности, реализуемой на промышленных установках получения водорода из воды.

Российская Власть испугалась этих результатов, полученных нами в конце 2012г, и немедленно прекратила их финансирование без объяснения причин. Это, уже состоявшаяся позорная, для российской Власти, часть истории рождения новой российской фундаментальной теории микро и макро миров, с которой ежедневно знакомятся более 400 читателей из разных стран мира, посещая персональный научный сайт автора этой теории.

Научная общественность пока не поняла уже состоявшуюся коллективную оценку вклада в науку владельца этого сайта. Российской Власти пора задуматься об этом уже неоспоримом методе выявления учёных с достоверными научными достижениями.

В декабре этого года персональному российскому научному исполнится 5 лет. За это время количество посещений достигло 537645, а количество постоянных зарегистрированных читателей превысило 2400. Это сравнимо с количеством читателей библиотеки, которые не только читают её научную информацию, но и оценивают её в своих письмах автору сайта. Таких писем уже сотни.

Власть имеющим давно пора придумать оценку таким научно-образовательным достижениям, но…… мешают «научные» эксперты Нобелевского комитета, которые давно выдают Нобелевские премии по физике и химии за ошибочные научные результаты. Нобелевская премия по физике, присуждённая в 2015г за недоказанное существование нейтрино - яркое доказательство необходимости перехода к коллективной оценке вклада учёных в науку, путём учёта количества читателей свободно посещающих персональные научные сайты и комментирующих их.

Представленное нами теоретическое и экспериментальное доказательство ошибочности закона сохранения энергии требует разработки универсальных счётчиков электроэнергии, которые правильно учитывали бы её непрерывное и импульсное потребление. Главная преграда на пути этого счётчика - российская Власть, которая боится новых экономных энергетических процессов и установок, реализующих их, как чёрт боится ладана.

4. Вода, как источник электрической энергии

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что вода является источником не только тепловой энергии и энергии, заключенной в водороде и кислороде, но и источником электрической энергии. Вспомним мощь грозовых разрядов. Они являются источником электрической энергии, генерируемой из воды в облаках. Теперь можно сказать, что мы вплотную приблизились к моделированию и управлению этими разрядами в лабораторных условиях.

Структуру молекулы воды с полным набором электронов названа нами заряженной структурой (рис. 11, а). Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью электронами, а с девятью (рис. 11, b) или с восьмью (рис. 11, c).

Если молекула воды потеряет один электрон атома водорода (рис. 11, а справа), то такую модель назовем полу заряженной (рис. 11, b). Если же молекула воды потеряет два электрона и , принадлежавших двум атомам водорода, то она станет разряженной (рис. 11, с).

Главные различия между заряженной (рис. 11, а) и разряженной (рис. 11, с) молекулами воды заключаются в том, что в ячейках первого и второго (осевых) электронов атома кислорода заряженной молекулы воды находятся по два спаренных электрона, а в разряженной молекуле воды (рис. 11, с) - по одному электрону и поэтому у нас есть основания назвать их не спаренные электроны.



Рис. 11: а) схема заряженной молекулы воды; b) схема полузаряженной молекулы воды; с) схема разряженной модели молекулы воды

Если гипотеза о разном количестве электронов в молекулах воды подтвердится, то этот факт окажется решающим при получении электрической энергии при электролизе воды. Он определит причину положительных и отрицательных результатов многочисленных экспериментов, которые ставились для проверки факта существования электрической энергии при электролизе воды и при явлениях её кавитации. Если вода содержит больше заряженных молекул, то эксперимент даст положительный результат. При большем количестве разряженных молекул результат будет отрицательный. Примерные расчеты показывают наличие разницы в массе одного литра заряженной и разряженной воды. Её можно зафиксировать современными измерительными приборами.

Количество кулонов электричества, которое генерируется в одном литре воды при потере каждой молекулой воды лишь одного электрона, будет равно произведению числа Авагадро на количество молей молекул воды в одном литре

Кулонов.

Учитывая, что один ампер-час составляет 3600 кулонов электричества, находим минимальную электрическую ёмкость одного литра воды

Ач.

Экспериментальные исследования также показывают, что при определенных режимах плазменного электролиза воды в электролитическом растворе формируется электрический потенциал, значительно превышающий потенциал, подводимый к раствору. В результате этого в электролитическом растворе генерируется электрическая энергия, превышающая электрическую энергию, вводимую в раствор.

Анализ энергий связи между электронами и протонами атомов водорода в кластере из двух молекул воды (рис. 11) показывает возможность реализации различных вариантов разрыва этих связей.

В обычных условиях рвется связь между двумя протонами и , принадлежащих атомам водорода в молекулах воды (рис. 12). Возможен одновременный разрыв связей и . В последнем случае выделяется молекула водорода. Реализация того или иного вариантов разрыва связей зависит от температуры среды, в которой находятся молекулы воды.

Если, например, молекулы воды находятся в парообразном состоянии в облаке, то реализация разрыва приведет к формированию в облике положительно заряженных молекул воды. В другом облаке, с другой температурой, возможен разрыв связей или и формирование в облаке отрицательно заряженных и ионов , из которых формируется водород, кислород и озон в процессе грозового разряда.

Рис. 12. Схема кластера из двух молекул воды

Поскольку реализация того или иного варианта разрыва связей зависит от температуры, то, зная энергии связей, мы сможем моделировать этот процесс и использовать его для получения электрической энергии из воды.

Наши исследования показывают, возможность значительного уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды. Это позволит использовать водород и кислород, получаемый из воды для получения электрической энергии.

Сейчас считается, что основным потребителем водорода будут топливные элементы. Обусловлено это тем, что в результате экологически чистого процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе получается самая распространенная экологически чистая электрическая энергия. Главная проблема в этом деле - высокая стоимость топливных элементов (рис. 13).

Обратим внимание на факт, который остаётся незамеченным специалистами по топливным элементам. Эффективность топливных элементов зависит, прежде всего, от эффективности использования электрических возможностей самого водорода. Если учесть количество электронов, принадлежащих атомам водорода и участвующих в формировании электрической энергии топливного элемента, то эффективность физико-химического процесса этого элемента оказывается менее 1%.

Рис. 13. Схема работы твёрдотопливного элемента

Проведем этот расчет для топливного элемента, генерирующего 30кВтч электроэнергии при расходе 2 кг (2/0,09=22,2 ) жидкого водорода в час. Поскольку моль газообразного водорода равен 22,4 литрам, то для выработки 30 кВтч электрической энергии надо израсходовать 22222,22/22,4=992,06 молей молекулярного водорода.

Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества

Кл/моль.

Если все протоны 992,06 молей молекулярного водорода передадут свои электроны в электрическую сеть топливного элемента, то в результате сформируется Кулонов электричества. Это потенциальные возможности 22,2 молекулярного водорода. Как же используются эти возможности современными топливными элементами?

Рассматриваемый топливный элемент работает при напряжении 100 Вольт, поэтому при выработке 30кВтч в его электрической цепи циркулирует ток 30000/100=300 Ач. При 1 Ампер-часе расходуются 3600 Кулонов электричества, а при 300Ач - 1080000,0 Кулонов. Если потенциальное количество Кулонов электричества, содержащихся в 22,2 водорода (191437818,2 Кулонов), взять за 100%, то реальное количество Кулонов электричества, генерируемое топливным элементом, составит

.

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!

Главная причина очень низкой (0,57%) электрической эффективности топливного элемента - подача в него молекулярного водорода. Есть все основания надеяться, что минимум десятикратное увеличение этой эффективности - дело ближайшего будущего.

Специалистам, занимающимся исследованиями топливных элементов, следует обратить внимание на важность анализа структур молекул воды, получаемой в результате работы топливных элементов. Мы уже показали, что молекулы воды могут содержать, как все 10 электронов (заряженная вода, рис. 11, а), так и 8 электронов (разряженная вода, рис. 11, с). Если вода чистая (без примесей), то должна существовать разница в весе одного литра заряженной и разряженной воды, которую можно легко обнаружить. Чем больше в воде, образовавшейся после работы топливного элемента, разряженных молекул, тем эффективнее используются в нем энергетические возможности водорода.

Приведенные расчеты показывают, что энергетические возможности водорода в топливных элементах используются пока лишь примерно на 0,6%. Увеличение этого показателя в 10 раз будет эквивалентно переходу на водородную энергетику во всех сферах человеческой деятельности.

Японские исследователи, зная результаты наших теоретических и экспериментальных исследований и имея неограниченное финансирование, уже реализовали процесс получения минимума электричества из воды. Они смогли подобрать материалы электродов, которые реализуют описанный процесс не в топливном элементе, а в электролизёре (рис. 14, а).

Рис. 14: а) фото японского электролизёра получающего электричество из воды;

b) первый японский мини автомобиль, приводимый в движение электролизным электрогенератором

Эту технологию реализовала японская компания Genepax Co Ltd. Новые топливные элементы, разработанные компанией, названы "Water Energy System (WES).

На конференции Genepax демонстрировало электролизный электрогенератор с выходной мощностью в 300 Ватт. Электролизный электрогенератор был запущен в работу водяным насосом от сухой батареи. После того, как энергия начинает производиться электролизным электрогенератором, система переходит в рабочий режим с выключенным водяным насосом.

В настоящий момент топливная батарея выдает на выходе напряжение в 25-30 В. Всего в батарее около 40 топливных элементов по 0.5-0.7 В в каждом. Энергетическая плотность не менее чем . Площадка, на которой в каждом элементе происходит реакция составляет 10X10 см.

Genepax изначально планировало развивать 500 ваттные системы, но испытало трудности в обеспечении материалами для МЕА, что привело к фокусированию на производстве, прежде всего 300 ваттных систем.

В будущем, компания планирует производить одно киловатные системы для использования в домах и электрокарах. Вместо того чтобы использовать чисто электрические машины, компания предлагает использовать МЕА, как генераторы для зарядки второй батареи во время езды. Конечно, начальные достижения японцев выглядят пока скромно, если учесть, что отделение от каждой молекулы воды одного электрона позволяет получить из каждого литра воды 1490 Ач. У обычных автомобильных аккумуляторов средняя величина этого показателя равна 60 Ач. Из этого следуют значительные теоретические резервы электричества в воде, но реализуется пока их мизерная часть. Увеличение этой части - в знании новой теории микромира и мы уже показали суть этих знаний и их возможности.

Заключение

Уже существуют действующие лабораторные модели импульсных источников питания, уменьшающие расход энергии на стандартный электролиз воды в десятки раз. Это - вращающийся трансформатор. Роль первичной обмотки у него выполняет обмотка возбуждения ротора, а роль вторичной обмотки - обмотка статора. Электромагнитные полюса ротора и статора позволяют управлять процессами их сближения и удаления, и таким образом - многократно уменьшать сопротивление вращению ротора при одновременном генерировании энергоёмких импульсов ЭДС самоиндукции, которые значительно увеличивают энергетическую эффективность вращающегося трансформатора - электромотора-генератора по сравнению с обычным трансформатором. В результате затраты энергии на электролиз воды уменьшились в десятки раз. 09.10.2015. К.Ф.М.

Размещено на Allbest.ru

...