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. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч / [40]. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, равно 1,23 В [49].

Возникает вопрос: как же идёт электролиз воды при фотосинтезе, когда явно отсутствует источник электроэнергии? Есть основания полагать, что при фотосинтезе молекула водорода выделяется из кластера воды (рис. 70, а и b) в синтезированном состоянии без использования электронов от постороннего источника электроэнергии.

Рис. 70. Схема формирования второй структуры молекулы ортоводорода в структуре кластера из двух молекул воды (0,485 eV – энергия разрыва кластера воды при её испарении)

Функцию первичного источника энергии при фотосинтезе выполняют фотоны, поглощаемые валентными электронами и ослабляющими связи между электронами молекулы ортоводорода и электронами гидроксилов , которые формируются в кластерах воды (рис. 70). В результате молекула ортоводорода выделяется из такого кластера в синтезированном состоянии (рис. 70, с).

После выделения молекулы ортоводорода из кластера воды электроны молекул ортоводорода вступают в связь с валентными электронами других атомов и образуются молекулы других химических соединений. Например, молекулы бензола (рис. 71).

Рис. 71. Структура молекулы бензола

В результате молекула водорода разделяется на атомы водорода в условиях отсутствия фазы свободного состояния атомов водорода, которые существуют в плазменном состоянии при температуре до 10000С.

В описанном случае процесс выделения молекулы водорода из кластеров молекул воды идёт без электронов, получаемых из катода. Именно этот процесс электролиза идёт при фотосинтезе и мы попытаемся смоделировать его в техническом устройстве. А сейчас рассмотрим детали процесса выделения молекул водорода из кластера, состоящего из молекулы воды и иона в электрическом поле электролизёра (рис. 72).

Рис. 72. Схема процесса низкоамперного электролиза

На рис. 72 показан анод слева, а катод справа. Протон Р атома водорода в молекуле воды ориентирован к катоду, а другой протон этой молекулы соединяется с протоном иона (слева). В результате образуется кластерная цепочка, с правой стороны которой расположена молекула воды (рис. 50), слева - ион (рис. 52, а), а в центре - молекула ортоводорода (рис. 53, а, b).

Обратим внимание на то, что осевой электрон атома кислорода и шесть кольцевых электронов иона притягиваются к аноду одновременно (рис. 72, а слева). Электростатические силы, притягивающие шесть кольцевых электронов к аноду, деформируют электростатическое поле так, что осевой электрон приближается к ядру атома кислорода, а шесть кольцевых электронов удаляются от ядра атома. В этом случае энергии связи между протонами и электронами в сформировавшейся таким образом молекуле водорода распределяются так, что энергия связи между атомами водорода в его молекуле увеличивается до 4,53 eV, а между электронами атомов кислорода в ионах и электронами атомов водорода становятся равными нулю и молекула водорода выделяется из кластерной цепочки. Два атома кислорода образуют его молекулу, и она также выделяется.

Таким образом, в электролитическом растворе под действием электростатического поля формируются сложные кластерные цепочки со строгой ориентацией между анодом и катодом [41]. Под действием электрического поля кластерная цепочка удлиняется, одновременно изменяются и энергии связи между элементами такой цепочки. Если мы возьмём за основу результаты эксперимента, приведенные на рис. 72, а, то минимальная энергия (≈4 Вт), при которой идет процесс электролиза, приведенная к энергии связи (0,17 eV) между электронами иона в цепочке (рис. 72, а) и молекулы воды, оказывается порядка 0,17 eV. Две таких связи дают энергию 0,34 eV, что меньше энергии 0,485 eV, при которой кластер из двух молекул разрывается при испарении молекул воды. Кроме этого, формирование молекулы ортоводорода увеличивает энергию связи между атомами водорода с 0,485 eV до 4,53 eV. Энергии связи 0,17 eV (рис. 72, а) уменьшаются до нуля (рис. 72, b) и сформировавшаяся молекула ортоводорода оказывается свободной.

Конечно, это упрощенная схема. При более сложном процессе возможно формирование молекул перекиси водорода перед образованием молекулы кислорода. Именно к этому приводит малейшее нарушение оптимального сочетания параметров процесса электролиза.

Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода. Известно, что ион гидроксила (рис. 72, а), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 72, а). Два иона гидроксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют перекись водорода (рис. 72, b).

Известно, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молекулы кислорода - экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.

Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одного кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, получим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепловой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. Поскольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе. Молекула водорода (рис. 72, b) и атом кислорода (рис. 72, b) формируются в кластерных цепочках до выделения их в свободное состояние, поэтому и не генерируется энергия их синтеза.

После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 72, а) образуется молекула перекиси водорода (рис. 72, b), которая, распадаясь, образует молекулу кислорода (рис. 72, с) и два атома водорода; последние, соединяясь с ионами гидроксила, образуют две молекулы воды (рис. 72, d,e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

(97)