О возможности использования алюминия , железа, СВ (спец .вещество) и воды для получения водорода при попутном получении тепла в большом количестве.

Для лучшего понимания сути идеи о  возможности использования алюминия и  воды для  получения водорода при попутном получении тепла  в большом количестве, предлагаю Вашему вниманию следующее:

Известно, что если сжигать алюминий в кислороде по реакции:

     4AL + 3O₂ = 2AL₂O₃  (1)

то при этом выделяетcя огромное количество тепла (399.09 ккал/моль или около 1668.19 кдж). Если взять каменный уголь и сильно нагреть его, то он как известно будет прекрасно гореть.  Так и алюминий. Он будет гореть как уголь, если его нагреть до определённой температуры, но есть одна особенность в горении алюминия в кислороде воздуха.

 При нагревании алюминий окисляется в начале лишь с поверхности, т.е кислород не поступает к другим слоям алюминия. Хотя при сгорании алюминия и выделяется много тепла, часть тепла теряется в окружающую среду (в воздух). При сгорании алюминия на его поверхности образуется оксидная плёнка AL₂O₃, имеющая высокую температуру плавления (около 2000 градусов), которая при своём образовании препятствует контакту других слоёв алюминия с кислородом, в результате чего реакция затухает. Известна также реакция:

2AL + 3H₂O = AL₂О₃ + 3H₂

Эта реакция имеет место, если убрать с поверхности металла каким – то способом оксидную плёнку. Известно, что процарапанный в ртути, над которой есть вода алюминий, вытащенный из ртути в воду уже энергично взаимодействует с водой с выделением водорода. Ещё более интенсивно алюминий должен взаимодействовать с водяным паром, в расплавленном состоянии.

Очевидно, что в этой реакции при наличии водяного пара над алюминием, алюминий также будет окисляться в кислороде водяного пара лишь с поверхности. Но также очевидно, что выделяющееся при сгорании алюминия тепло будет медленнее покидать зону реакции и следовательно оксидная плёнка будет разрушаться (диссоциировать) и она не будет препятствовать сгоранию других слоёв алюминия в кислороде водяного пара. Выделяющееся при реакции тепло будет способствовать поддержанию реакции в отличие от реакции при сгорании алюминия в кислороде воздуха.

Если же создать условия по созданию «кипящего слоя», то алюминий будет разбиваться на отдельные капли и благодаря этому в реакцию будут вступать другие (внутренние) слои алюминия с выделением тепла в соответствующем количестве, что обусловит горение алюминия в кислороде водяного пара уже не с поверхности, а по всему контактному объёму.

 Алюминий будет сгорать по всей его контактирующей с водяным паром поверхности. Только этим обстоятельством можно объяснить то, что оксидная плёнка не мешает осуществлению термитной реакции (реакция по взаимодействию порошка алюминия с железом) в полном объёме, хотя оксидная плёнка образуется постоянно и она является продуктом реакции. Выделяющееся при реакции тепло медленнее покидает зону реакции, что и обуславливает диссоциацию (уничтожение) оксидной плёнки.

Температура требуемая для подогрева алюминия будет меньше температуры, создаваемой при его горении, т.е затраты на подогрев алюминия будут оправданы, если использовать  алюминий в качестве топлива. Целесообразно ли использовать алюминий в качестве топлива – это отдельный вопрос, который  здесь не рассматривается.

Вопрос рассматривается теоретически, чтобы показать в ходе рассуждений к каким выводам можно придти при рассмотрении данного вопроса. Так как получение алюминия обходится дорого (велики затраты электроэнергии), то однозначно можно сказать, что использовать алюминий для получения тепла целесообразно лишь в некоторых случаях. Так известно, что в ракетах Сатурн алюминий используется как топливо. В ракету его загружается около 36 тонн.

Напомним об опыте разложения воды при использовании железных опилок, описание которого даётся почти в каждом учебнике химии. В пробирку из тугоплавкого стекла насыплем порошок железа (можно взять и железные опилки) слоем в 2-3 см. Затем добавим немного воды. На смесь насыплем примерно 3-х сантиметровый слой порошка железа. Пробирку закроем резиновой пробкой, через которую пропустим стеклянную изогнутую трубку с внутренним сечением 3-6 мм.                                                             

Внутреннюю сторону пробки защитим от сильного нагрева куском листового асбеста, асбестовой или стеклянной ватой. Затем горизонтально закрепим пробирку на штативе или в держателе для пробирок. Газоотводную трубку погрузим в воду и над её концом укрепим перевёрнутую трубку, наполненную водой, для улавливания газов. Будем нагревать порошок железа, начиная с сухого конца столбика. Влажный слой нагреется, вода испарится, и водяной пар провзаимодействует с горячим порошком железа.

При этом железо захватывает кислород воды, а водород освобождается. Он проходит через стеклянную трубку и попадает в улавливающее устройство и собирается в объёме над водой в наполненной водой пробирке. Если пузырьки газа перестанут образовываться, прекратим нагревание и подожжём образовавшийся водород. Для этого перевернём пробирку отверстием вниз, откроем и внесём пламя в отверстие. Газ быстро сгорит.

Железо хуже, чем алюминий, но всё же соединяется с кислородом, поэтому оно может вытеснять водород из воды. При температуре красного каления этот процесс идёт бурно. Железо проявляет своё сродство к кислороду воды, которое сильнее сродства водорода к кислороду. Склонность элемента к кислороду  называют сродством.

Вытеснять водород из воды могут те металлы, сродство которых к кислороду больше, чем сродство к нему водорода. По мере получения водорода из воды  описанным способом железо будет окисляться, после чего потребуются свежие железные опилки, которые надо получать каким – либо способом. На получение железных опилок нужны соответствующие затраты энергии. Это обусловит удорожание получаемого данным способом водорода. Главная беда в том, что при взаимодействии железа с водой, водорода получим лишь  3 моля на два моля железа по реакции:

2Fe  +  3H₂O = Fe₂O₃ +  3H₂ 

Два моля железа это 56*2  = 112 граммов. Такой большой расход железа для получения малых количеств водорода (6 граммов) конечно же, не приемлем. Анализ данного способа получения водорода из воды, тем не менее, приводит к мысли о том, что в данном опыте маленькие порции воды окружены со всех сторон железными опилками, имеющими высокую температуру, из-за чего вода и нагревается за малое время до высокой температуры. Железные опилки «концентрируют» в себе при своём малом объёме много тепла, а это позволяет воздействовать на каждую молекулу воды, т.е на воду в очень малом её количестве  высокой температурой, что и требуется для эффективного разложения воды на газы.

Лучше всего для получения водорода и кислорода из воды иметь воду в виде водяного пара и пропускать водяной пар через какой – либо нагретый материал, что и обеспечит условия, при которых каждая молекула пара по всему объёму может быть подвержена воздействию как можно более высокой температуры, но данный материал не должен взаимодействовать ни с кислородом, ни с водородом пара.

Теоретически рассуждая можно сказать, что лучше всего было бы обеспечить поступление водяного пара в зону огня, чтобы пар был в огне. Водяной пар в зоне огня также будет находиться  в условиях при которых каждая молекула пара будет подвержена воздействию максимальной температуры, что будет способствовать разложению воды без контакта с какими либо нагретыми стенками. Нагрев стенок всегда обуславливает наличие каких то потерь тепла. Такой способ можно предложить, но он здесь не рассматривается.

Как ни странно, но самым предпочтительным материалом для создания указанных условий будет являться СВ (спец. вещество), которое позволяет нагреть любое вещество при самых малых затратах электроэнергии в сравнении со всеми известными способами. Само СВ не взаимодействует с водяным паром, оно является катализатором. Такое СВ как ни странно имеется и широко используется в повседневной жизни.

СВ резко увеличивает свою электропроводность при его нагреве. Увеличение электропроводности СВ означает появление электрически заряженных частиц в определённом объёме в возрастающем количестве. В данное СВ лучше всего впрыскивать водяной пар, после нагрева СВ до  температуры при которой водяной пар будет разлагаться на водород и кислород. СВ в этом случае будет представлять собой низкотомпературную плазму из-за большой концентрации заряженных частиц в малом объёме.

Если водяной пар впрыскивать в СВ с высокой концентрацией заряженных частиц, то он будет подвергаться воздействию данных электрических частиц. В самом водяном паре из-за его высокой температуры связь атомов водорода с кислородом ослаблена. Молекулы водяного пара с ослабленной связью между атомами будут постоянно бомбардироваться заряженными частицами.

Можно сказать, что водяной пар будет подвержен электролизу при его высокой температуре. М. Фарадей проводил опыты по электролизу воды при комнатной температуре, а в данном случае электролизу будет подвержен водяной пар при его высокой температуре. К тому же молекулы воды или пара это полярные молекулы и это тоже будет в какой то степени способствовать электролизу пара.

Для сведения сообщим, что электролиз водяного пара при 900 - 1000 градусов был осуществлён в период проведения широких исследований топливных элементов в рамках Американской космической программы (1966г.). К сожалению, об этом нет никаких данных. Известно лишь то, что полученные данные были использованы при разработке топливных элементов для спутников. Известно, что при увеличении температуры потенциал электролиза воды уменьшается.

Поэтому, если поддерживать температуру около  900 - 1000^оС, то можно проводить электролиз при термодинамическом потенциале, меньшем, чем потенциал при комнатной температуре. Это будет высокотемпературный электролиз водяного пара. Известно, что электроны, испаряющиеся из накалённого катода в радиолампе, ускоряются под действием электрического поля и бомбардируют анод. Если в аноде есть отверстия, то через отверстия электроны продолжат свой путь, пока не ударятся о стенки баллона лампы или, если в лампе есть остатки газа, пока не потеряют энергию при столкновениях с молекулами газа.

Очевидно, что в рассматриваемом случае заряженные частицы появляющиеся в СВ при его нагреве имеют соответствующую энергию, которая пропорциональна нагреву СВ. В определённом смысле можно сказать, что в предлагаемой установке нагрев СВ, а через него и воды до водяного пара производится как в радиолампе с помощью электрически заряженных частиц появляющихся в СВ при его нагреве.

Эти заряженные частицы, как электроны в радиолампе  проходя  через СВ будут воздействовать на молекулы водяного пара. При этом возрастает электропроводность СВ. Увеличение электропроводности СВ ведёт к увеличению температуры СВ, а увеличение температуры СВ ведёт к увеличению электропроводности СВ. СВ в результате может превратиться в СВ пар или даже в низко температурную плазму.

При возрастании электропроводности СВ на поддержание требуемой температуры нагрева вещества, которое нагревается от нагреваемого СВ, требуется уже меньшее количество электроэнергии. Поэтому данный способ нагрева и будет самым малозатратным по расходу электроэнергии в сравнении со всеми известными (другими) способами.

 В установке, в дальнейшем её будем называть УТЭ (универсальный тепловой элемент), в которой используется лишь СВ и вода будем получать либо воду с требуемой температурой либо водяной пар требуемых параметров, либо гремучий газ (смесь водорода с кислородом) при высокой температуре(при температуре при которой водород с кислородом разъединены и не могут снова образовать воду. УТЭ будет расходовать воду и электроэнергию. СВ будет использоваться лишь в определённом его количестве, т.е его восполнять не потребуется.

Что будем получать в УТЭ зависит от силы нагрева СВ, которая регулируется током проходящим в спирали УТЭ. Устройство УТЭ здесь не показано.