Вода разрушается при температуре

Расщепление воды — Water splitting

Расщепление воды — это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород :

Эффективное и экономичное разделение воды стало бы технологическим прорывом, который мог бы поддержать водородную экономику , основанную на зеленом водороде . Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но водород не образуется. В основе водородного топливного элемента лежит обратное расщепление воды .

СОДЕРЖАНИЕ

Электролиз

• Vion, патент США 28,793 , «Улучшенный метод использования атмосферного электричества», июнь 1860 г.

В схемах производства электроэнергии из газа избыточная мощность или внепиковая мощность, создаваемая ветряными генераторами или солнечными батареями, используется для балансировки нагрузки энергосистемы путем хранения, а затем закачки водорода в сеть природного газа.

Производство водорода из воды энергоемко. Потенциальные источники электроэнергии включают гидроэнергетику, ветряные турбины или фотоэлектрические элементы. Обычно потребляемая электроэнергия более ценна, чем произведенный водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (HTE) воды преобразует большую часть начальной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально повышая эффективность вдвое до примерно 50%. Поскольку часть энергии в HTE поставляется в виде тепла, меньшая часть энергии должна быть преобразована дважды (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), поэтому процесс более эффективен.

Расщепление воды при фотосинтезе

Вариант расщепления воды происходит при фотосинтезе , но электроны шунтируются не на протоны, а на транспортную цепь электронов в фотосистеме II . Электроны используются для преобразования углекислого газа в сахара.

Когда фотосистема I подвергается фотовозбуждению, инициируются реакции переноса электронов, что приводит к восстановлению ряда акцепторов электронов, в конечном итоге восстанавливая NADP + до NADPH, а PS I окисляется. Окисленная фотосистема I захватывает электроны из фотосистемы II посредством ряда этапов с участием таких агентов, как пластохинон, цитохромы и пластоцианин. Фотосистема II затем вызывает окисление воды, приводящее к выделению кислорода, причем реакция катализируется кластерами CaMn ₄ O _5, встроенными в сложную белковую среду; комплекс известен как комплекс с выделением кислорода (OEC).

При биологическом производстве водорода электроны, производимые фотосистемой, направляются не в устройство химического синтеза, а в гидрогеназы , что приводит к образованию H ₂ . Этот биоводород производится в биореакторе .

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, кроме ядерной, ветровой, геотермальной и гидроэлектрической энергии. Опять же, вода расщепляется на водород и кислород при электролизе, но электрическая энергия получается с помощью процесса фотоэлектрохимического элемента (PEC). Система также называется искусственным фотосинтезом .

Фотокаталитическое расщепление воды

Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса разделения воды — это способ получения чистой и возобновляемой энергии. Этот процесс может быть более эффективным, если ему помогают фотокатализаторы, взвешенные непосредственно в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция протекает в один этап.

Радиолиз

Ядерное излучение обычно разрушает водные связи, в Mponeng золотом прииске , Южной Африки , исследователи обнаружили в природе зоне высокой радиации , сообщество доминирует новый phylotype из Desulfotomaculum , питаясь в основном радиолитическому производства H ₂ . Отработанное ядерное топливо / «ядерные отходы» также рассматривается как потенциальный источник водорода.

Наногальванический порошок алюминиевого сплава

Было показано, что порошок алюминиевого сплава, изобретенный исследовательской лабораторией армии США в 2017 году, способен производить газообразный водород при контакте с водой или любой жидкостью, содержащей воду, благодаря своей уникальной наноразмерной гальванической микроструктуре. Сообщается, что он производит водород с выходом 100 процентов от теоретического без необходимости использования каких-либо катализаторов, химикатов или внешнего источника энергии.

Термическое разложение воды

При термолизе молекулы воды расщепляются на атомарные компоненты — водород и кислород . Например, при 2200 ° C около трех процентов всей H ₂ O диссоциирует на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном H, H ₂ , O, O ₂ и OH. Другие продукты реакции, такие как H ₂ O ₂ или HO _2, остаются второстепенными. При очень высокой температуре 3000 ° C более половины молекул воды разлагается, но при температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. Высокие температуры и материальные ограничения ограничивают возможности применения этого подхода.

Ядерно-тепловой

Одним из побочных преимуществ ядерного реактора, производящего и электричество, и водород, является то, что он может переключать производство между ними. Например, электростанция может производить электричество днем ​​и водород ночью, согласовывая свой профиль выработки электроэнергии с дневными колебаниями спроса. Если водород можно производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами хранения энергии в сети . Более того, потребность в водороде в Соединенных Штатах достаточно высока, чтобы такие станции могли справляться со всей суточной пиковой выработкой.

Гибридный термоэлектрический цикл «медь-хлор» — это система когенерации , использующая отходящее тепло ядерных реакторов, в частности, сверхкритического водяного реактора CANDU .

Гелиотермический

Высокие температуры, необходимые для разделения воды, могут быть достигнуты за счет использования концентрированной солнечной энергии . Hydrosol-2 — это 100-киловаттная пилотная установка на Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения необходимой температуры от 800 до 1200 ° C для разделения воды. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Проект этой 100-киловаттной опытной установки основан на модульной концепции. В результате может быть возможно, что эту технологию можно будет легко расширить до мегаваттного диапазона, умножив доступные реакторные блоки и подключив станцию ​​к полям гелиостата (поля зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размера.

Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшаются за счет конструкции мембранного реактора с одновременным извлечением водорода и кислорода, который использует определенный температурный градиент и быструю диффузию водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, и единственным возможным загрязнителем является вода. «Солнечная установка для взлома воды» с концентратором площадью около 100 м² может производить почти один килограмм водорода за один солнечный час.

Исследовать

Ведутся исследования фотокатализа , ускорения фотореакции в присутствии катализатора. Его понимание стало возможным с момента открытия электролиза воды с помощью диоксида титана. Искусственный фотосинтез — это область исследований, которая пытается воспроизвести естественный процесс фотосинтеза, превращая солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. Недавно удалось расщепить воду на водород и кислород с помощью искусственного соединения под названием нафион .

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) — это метод, который в настоящее время исследуется для производства водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта. Другие исследования включают термолиз на дефектных углеродных подложках, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C.

Цикл оксида железа — это серия термохимических процессов, используемых для производства водорода . Цикл оксида железа состоит из двух химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами — водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс оксида железа требует эффективного источника тепла.

Цикл серы-йод (СИ цикл) представляет собой ряд термохимических процессов , используемых для получения водорода . Цикл SI состоит из трех химических реакций , чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами — водород и кислород . Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс SI требует эффективного источника тепла.

Было описано более 352 термохимических циклов расщепления или термолиза воды . Эти циклы обещают производить водород, кислород из воды и тепла без использования электричества. Поскольку вся энергия для таких процессов — тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии ограничена по своей природе. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Суммарная реакция для всех термохимических процессов — это реакция разложения воды:

[<\ce >] 2H2<>+ O2>>>»> 2 ЧАС 2 О ⇌ Нагревать 2 ЧАС 2 + О 2 <\ displaystyle <\ ce <2h2o [<\ ce >] 2H2 <> + O2>>> [<\ ce >] 2H2 <> + O2>>>»>

Все остальные реагенты утилизируются. Ни один из процессов термохимического производства водорода не был продемонстрирован на уровне производства, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лабораториях.

Также проводятся исследования способности наночастиц и катализаторов снижать температуру расщепления воды.

Недавно было показано, что материалы на основе металлоорганического каркаса (MOF) являются очень многообещающим кандидатом для расщепления воды дешевыми переходными металлами первого ряда .

Исследования сосредоточены на следующих циклах:

Источник

Что происходит с водой при замерзании: молекулы расширяются или сжимаются?

В нашем сегодняшнем уроке мы узнаем что происходит с водой при замерзании и расширяются ли или сжимаются молекулы воды.

С приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Источник