Реферат по химии
Ученика 9 «А» класса
средней школы № 117
г. Н. Новгород.
Учитель Пономарева М.Ю.
1998 г.
ПЛАН
1.
Проблемы получения энергии.
2.
Фотон вместо бензина.
3.
Использование водородно-кислотного элемента.
4.
Ядерные процессы.
5.
Водородные двигатели.
6.
Использование традиционного топлива в новом качестве.
Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.
Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.
Электроны и протоны будут превращаться в носители света – фотоны. При этом не образуется никаких осколков деления; вместо радиоактивных отходов мы получим энергию в чистом виде. На земле наступит экологический рай…
Самый наглядный пример превращения элементарных частиц в фотоны с выделением энергии – это шаровая молния. Она может существовать несколько минут, потому что имеет источник энергии. Не будь его – шаровая молния сразу бы распалась. Но она представляет собой некий плазменный комплекс, в котором электрические и магнитные поля формируют взаимопереходящие друг в друга бегущие и стоячие волны. В результате часть свободных электронов внутри объема шаровой молнии разлагается в энергию фотонов под действием электрических полей.
Фотонная энергетика открывает перед человечеством грандиозные перспективы. А, следовательно, уголь, нефть и газ перестанут использовать как топливо. На всех машинах установят источники фотонной энергии, горючим для которых станет атмосфера или кусок любого вещества.
Вот такую идею предложил известный исследователь физических полей и строения микромира, заместитель главного инженера Таганрогского авиационного завода Владимир Машков.
Но пока эти проекты не доступны и будут использоваться только в будущем, ну а сейчас уже ни у кого не остается сомнений, что человечество стоит на пороге эры нового топлива.
А пока разрабатываются новые проекты источников энергии. Например, водородно-кислотная система, извлекающая энергию из воды путем электролиза.
Проведем несложный опыт. В закрытый сосуд с разбавленным раствором серной кислоты погружены два платиновых электрода. Один из них обтекается водородом, другой - кислородом. Газы поступают из помещенных под электродами трубок, которые отделены друг от друга полунепроницаемой диафрагмой. Она препятствует прямому взаимодействию топлива, то есть водорода с кислородом. На аноде (положительном полюсе) молекулы водорода (Н2
) благодаря каталитическому действию поверхности платины диссоциируют на два атома (2Н), которые переходят в раствор в виде ионов Н+
, оставляя свои электроны на платиновом аноде. Водородные ионы легко проходят через полунепроницаемую диафрагму в другую половину сосуда, на катоде (отрицательный полюс) кислород соединяется с атомами водорода или с водородными ионами и электронами, образуя воду. Если соединить оба полюса топливного элемента, то свободные электроны двинутся по нему от катода к аноду - в цепи потечет электрический ток.
_________________________________________________________
ПОТРЕБИТЕЛЬ
АНОД
+
-
КАТОД
ЭЛЕКТРОЛИТ
Н
ДИАФРАГМА
Н2
О2
Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакций между атомами дейтерия (изотоп водорода).
|
|
|
|
2
D + 2
D = 1
H + 3
T
В результате получается атомы трития и протия - изотопы водорода. К такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким его представляла старая химия - в результате реакции получается недостача:
2
x
2.014102-1.007825-3.016049=0.00433
Г
Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то согласно уравнению Эйнштейна E= mc2
можно было бы получить энергию:
| |
0.00433
x
(3
x
1010
)2
Дж
=3.9
x
1011
Дж
Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много, ни мало 13,5 т первосортного угля.
Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь 120, 6 кг. Что же мешает получать энергию из воды?
Чтобы атомы могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнутся, то есть сблизится до расстояния, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электрическое отталкивание - примерно 10-14
м.
Но ядра атомов защищены своими электронными оболочками. Это оболочки простираются на расстояния в десятки тысяч раз больше. А самое главное - ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия (в джоулях) двух ядер, на расстояние 10-14
м, должна быть равна:
|
| |
| |
Z1
x
Z2
x
(1.6
x
10-19
)2
x
9
x
109
10-14
если между собой сталкиваются элементы с атомными номерами Z1
и Z2
.
Можно найти и скорость, с которой должны столкнуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция:
Z1
xZ2
V = 5.3
x
108
x
A
У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2, следовательно, скорость атомов должна быть: V = 3,8 x 106
м/с или 3800 км/с, что в 475 раз больше 1-ой космической скорости. При обычной температуре физикам известна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 м /с. При комнатной температуре, равной примерно 239 К, кинетическая энергия молекул возрастает пропорционально термодинамической температуре, или, что то же самое, пропорционально квадрату скорости. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть
38002
Т = 293 х К = 1,2 х 109
К
1,92
Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия «нагретые» до температуры свыше миллиарда Кельвинов. Вот в этом то и заключается довольно серьезное затруднение для истинных героев науки - физиков.
Весьма заманчива своей дешевизной оказалась идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта горения воду.
Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержится лишь в незначительных количествах.
Однако широкому применению водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно поддерживать в баллоне температуру -2530
С. Применять сосуды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испарение не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном автомобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое решение: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.
Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя повысился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топливными системами.
По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.
Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства проводила испытания двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топливе.
Есть еще одно важное соединение водорода - это перекись водорода, которая применяется для двигателей подводных лодок, ракетных двигателей, в том числе и таких, которые могут поместиться в ранце за спиной человека.
На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-производственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомобилях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на несколько процентов количество этих ядов. Даже если перевести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка - на бензине. Это кажется просто невероятным.
Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были закрыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.
Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газоанализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал работать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.
А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспечивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью - из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.
Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специальный смеситель. Там к горючему добавляют строго определенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей работы двигателя - в результате топливо сгорает без остатка.
Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента.
Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.
Расход горючего снизился 20%. Но главное - количество токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.
Давно известно, что задымление атмосферы вызывает парниковый эффект, из-за которого теплеет климат, тают ледники, затопляется суша, задыхаются люди. Наибольший вклад в эти разрушения вносит углекислый газ. Поэтому стала полной неожиданностью идея, родившаяся в институте горючих ископаемых: использовать углекислый газ для борьбы с парниковым эффектом. Извлекая газ из дыма, и пропуская через воду с катализатором, можно получать нечто подобное нефти. При этом выделится много кислорода.
На ощупь, по цвету и запаху эта жидкость напоминала настоящую нефть. Ее создатель академик АН Белоруссии заслуженный профессор Ярослав Паушкин подтвердил сходство результатами ее исследований - спектрометрическим, рентгенографическими, хроматографифеским и другими методами.
Облучая ультрафиолетом, раствор углекислого газа в воде, ученые получали ничтожное количество простых органических веществ. А Паушкин в Институте синтезировал сложные углеводороды и в больших количествах. То есть смоделировал некий эквивалент биосинтеза, который идет в искусственных условиях.
Идею этого эксперимента подсказали ему растения. Каждый знает, что под действием солнечных лучей в растениях из воды и углекислого газа образуются органические вещества. Но как? Для того чтобы соединить углерод с водородом, нужно отщепить эти элементы от молекул исходных веществ. Люди делают это путем разложения воды электролизом. Но растения делают это намного тоньше.
Ученый взял обыкновенную воду, размешал в ней питьевую соду и металлический порошок, нагрел до 400
С. Тут вода бурно закипела и стала темнеть, превращаясь в вещества, подобные нефти.
Однако, это не такой способ получения органических веществ, как в растениях. В лаборатории смоделировали лишь похожую установку. Но почти такие же процессы могут идти под землей, когда получается нефть.
Для опытов использовали углекислоту - «сухой лед» или питьевую соду - соединение углекислого газа. Но, по мнению Паушкина, можно разработать установку, которая будет извлекать углекислый газ из дыма промышленных предприятий, и тут же насыщать им воду с катализаторами. При этом надо удалять «побочный продукт» нефтяного производства - кислород, иначе пойдет обратная реакция.
Вот такие проекты сейчас разрабатываются, и надеюсь, за ними последует еще не один проект, еще
более совершенный, чем нынешние.