к.т.н.  В.С. Никитин

 

Электронные газовые клатраты и перспективы их практического применения

Рассмотрим строение атомов газов, образующих воздух атмосферы. Атомы азота и кислорода имеют по три p-орбитали. В атоме азота каждая р-орбиталь заселена одним электроном. В атоме кислорода  p_z орбиталь заселена двумя электронами, а две другие орбитали  p_x и p_y   имеют по одному электрону. Такие атомы обладают интересной особенностью. В них существуют свободные орбитали, которые могут быть искусственно заселены электронами.

 

Рис.1. Схематическое изображение и строение атомов азота слева и кислорода (справа)

(красным цветом выделена  заполненная р_z-орбиталь кислорода,

 синим цветом обозначены неполностью заполненные р-орбитали атомов)

 

В условиях химических реакций это собственно и происходит, когда атомы азота или кислорода взаимодействуют с веществами,  способными легко отдавать электроны. Электроны с орбиталей реагирующего вещества переходят на орбитали атомов газов, образуя общие орбитали химического соединения. Так как атомы в целом электронейтральны, т.е. заряд протонов ядра в них в точности равен заряду всех электронов оболочки, то при переходе электронов на незаселенные орбитали газа, ядро газа  уже не компенсирует заряд всех заполненных оболочек, и эта часть молекулы становится заряженной отрицательно. Другая часть соединения приобретает положительный заряд, так как с его орбиталей электроны перешли на общие более протяженные орбитали, и вероятность нахождения их возле своего атома уменьшилась. За счет разности зарядов молекулы прореагировавшего вещества удерживаются вместе, образуя химическое соединение. Таким образом, в обычных химических реакциях свободные р-орбитали газов заполняются электронами естественным путем.

 

При действии электромагнитного излучения (жесткий рентген, мощный импульс лазерного излучения) на вещество электроны могут срываться с орбиталей атомов, при этом последние становятся положительно заряженными ионами.

Рассмотрим обратный процесс, когда газы подвергается действию потока холодных электронов высокой плотности.  Термин «холодный электрон» будем применять к нерелятивистским электронам, обладающим энергией порядка 1-5 Кэв.

 

Рассмотрим электрически изолированный замкнутый объем, заполненный молекулами газа (азота или кислорода). Будем постепенно вводить этот объем холодные электроны. При этом напряженность электростатического поля в газе, создаваемая электронами будет постепенно увеличиваться.

При напряженности внутреннего электростатического поля, соизмеримого с напряженностью межмолекулярных полей (порядка 10⁶ в/см),  вводимые электроны начнут активно вмешиваться в процессы межатомного взаимодействия, мешая внешним электронам, находящимся на р-орбиталях, возвращаться к ядрам атомов. В результате, при определенной напряженности электрического поля должен прекратиться процесс перемещения общих электронов молекул газа от одного ядра атома составляющего молекулу ко второму (или второму и третьему для озона). В тот момент, когда электрон одного атома перейдет к другому ядру, его место займет внешний электрон, блокируя возможность возвращения ушедшего электрона к своему ядру. Этот момент будет соответствовать процессу распада молекул газов на отдельные атомы.

Будем дальше увеличивать концентрацию электронов в смеси. Когда напряженность достигнет величины порядка 10⁹ в/см, т.е.  внутриатомной напряженности электрического поля, внешние электроны станут серьезно влиять на форму атомных орбиталей, а некоторые из них преодолеют силы отталкивания внешних электронов и займут вакантные места на р-орбиталях атомов. При этом электростатическое давление и напряженность электрического поля в газе скачкообразно уменьшится за счет роста энтропии системы (увеличивается упорядоченность системы). В ходе этого процесса атомами поглощается определенная энергия, так как за счет добавления электронов усложняется их структура.

В этот момент газ перейдет в новое состояние, когда все его орбитали будут заселены. По аналогии с химическими клатратами, назовем такой газ электронным газовым клатратом (ЭГК).

Для заселения внешних орбиталей кислорода потребуется меньше энергии, так как туда имплантируеются только два электрона. Для полного заселения атома азота потребуется больше энергии, так как конфигурация его орбиталей позволяет имплантировать три электрона, но нескомпенсированность заряда ядра будет в 2 раза больше.

Известно, что свойства веществ определяют в основном параметры электронов на внешних орбитах. Из этого следует, что если у азота и кислорода в новом состоянии внешние три р-орбитали  будут полностью заселены,  значит и  свойства этих газов в новом состоянии будут аналогичны.

Вследствие заселенности всех орбиталей количество электронов в атоме азота и кислорода станет больше количества протонов. Значит, атомы ЭГК будут электроотрицательны. Это будет сильно отличать их от электронейтральных атомов обычных веществ. Так как ядра не могут полностью компенсировать отрицательный заряд электронов и стягивать их к центру ядра так же сильно, как и раньше, размеры р-орбиталей должны увеличиться. Значит, плотность газов в нормальных условиях должна уменьшиться.

Газ из электроотрицательных атомов не сможет образовывать гомоядерных молекул, типа О₂ или N₂. Электронный газовый клатрат будет существовать всегда в виде отрицательно заряженных моноатомов ^-2О или ^-3N.

С другой стороны электронейтральные атомы образуют газ, отталкиваясь только за счет сил теплового движения. В электронном газовом клатрате к этим силам прибавятся силы электростатического отталкивания. Значит, плотность ЭГК будет меньше, чем у их родителей.

Вследствие заселенности всех орбиталей газ должен стать инертным к электронам электронно-избыточных веществ, т.е. он не должен вступать в такие реакции, где он является окислителем и принимает электроны других веществ, т.е. перестанет проявлять окислительные свойства, и станет сильнейшим восстановителем во многих реакциях. Это открывает новые перспективы в химических технологиях использующих восстановительные реакции. Кислород в состянии ЭГК перестанет быть окислителем, и вместе с азотом станет сильнейшим восстановителем.

 

Обладая сильнейшей восстановительной способностью ЭГК могут образовывать совершенно необычные соединения с газами в обычном состоянии. Например, ЭГК ^-2О или ^-3N азотом, кислородом или озоном, могут создавать уникальные соединения типа ^-2О_хN_2y , ^-3N_хN_2y, ^-2О_хО_2y, ²О_хО_3y , где ЭГК являются восстановителем, а газ в обычном состоянии окислителем.

Появляется возможность получать соединения типа  ²О_хR_y ^-3N_хR_2y, где R- молекулы различных соединений, обеспечивающих необходимые свойства новых веществ.

 

Будут ли стабильны полученные клатраты?  По всей вероятности да. Попробуем доказать это следующим образом. Продолжим наш эксперимент. После того, как электроны заселили все р-орбитали и электростатическое давление и напряженность электрического поля в камере за счет этого снизились, начнем удалять из камеры свободные электроны. После того, как напряженность поля снизится до величин меньших 10⁹ в/см, т.е.  внутриатомной напряженности электрического поля, внешние электроны перестанут серьезно влиять на форму атомных орбиталей. В внешние орбитали станут расширяться и при дальнейшем снижении напряженности поля примут вид, как у атома инертного неона, обладающего полностью заселенными орбиталями. Единственное отличие будет заключаться в том, что размер этих орбиталей будет несколько больше, чем у атома неона вследствие недостаточного заряда ядра. При дальнейшем постепенном снижении внешней напряженности поля электроны будут совершать такие же движения по орбиталям, как у неона. По волновой теории их плотность вероятности распределится точно так же как у атома неона. Недостаточность количества протонов не является дестабилизирующим фактором в ЭГК. В химии известны стабильные системы, где имеется недостаток электронов. Например, в стабильном молекулярном ионе H⁺₃  три протона удерживаются вместе одной парой электронов:

Рис.2. Структурная формула стабильного молекулярного иона H⁺₃  

Два протона могут быть достаточно прочно связаны одним-единственным электроном. Таков катион-радикал молекулярного водорода, хорошо известный из масс-спектров; это молекула Н₂, потерявшая один электрон [1]:

Точно так же  и в атомах ЭГК азота и кислорода – семь или восемь протонов всегда смогут удержать 10 электронов в стабильной структуре p-орбиталей. Анализ этих структур показывает, что условий к саморазрушению и вытеснению искусственно имплантированных электронов с р-орбиталей нет. Более того, для разрушения структур ЭГК нужна дополнительная энергия, та самая, которая была поглощена при структурной перестройке смеси, когда внешние электроны переходили на незаселенные подуровни. Исходя из этого, следует сделать вывод, что ЭГК в принципе должны обладать определенной стабильностью.

Свойства ЭГК  чрезвычайно интересны с прикладной точки зрения. Так как ЭГК содержит большое количество электронов, которые может легко отдать при переходе в обычное состояние, то они могут быть использованы в качестве энергоносителей неорганической природы. Это открывает широкие перспективы при создании энергоносителей нового поколения. Они будут способны быстро принимать и отдавать огромные количества энергии.

В таблице 1  показаны расчетные параметры электронных газовых клатратов на основе азота  и кислорода.  Из таблицы видно, что условно максимальная энергоемкость ЭГК может быть значительно эффективнее природных энергоносителей органического происхождения. Например, по количеству аккумулируемой энергии один килограмм ЭГК на основе азота при самых осторожных оценках (при уровне энергии имплантируемых электронов порядка 1эВ на электрон) будет в 1.4 раза эффективнее условного топлива. Реально возможно получение ЭГК с энергией не менее 1 Кэв на электрон, т.е. в 1000 раз больше. Такие параметры позволяют достичь энергоемкости 1 кг ЭГК порядка 932 кг бензина или 2740 кг тротила.

 

Расчетные параметры электронных газовых клатратов на основе азота  и кислорода

Таблица 1

Наименование параметра	Размерность	азот	кислород
Атомный вес газа	аем	7	8
Количество атомов в 1 кг ЭГК	шт	8,60E+25	7,53E+25
Количество неполностью заселенных p-орбиталей	шт	3	2
Количество недостающих электронов в р-орбиталях	шт	1	1
Количество электронов которые можно  имплантировать в 1 кг ЭГК	шт	2,58E+26	1,51E+26
Имплантированный зквивалентный заряд в 1 кг ЭГК	кулон	4,14E+07	2,41E+07
Минимальная  энергия на электрон в Эв	Эв	1,0	1,0
Минимальная  энергия на электрон в Дж	Дж	1,60E-19	1,60E-19
Минимальный размер энергии запасаемый в 1 кг ЭГК	Дж	4,14E+07	2,41E+07
Реальная  энергоемкость ЭГК	Мдж/кг	41,4	24,1
Реальная энергия на электрон Эв	Эв	1000	1000
Реальная энергия на электрон в дж	Дж	1,60E-16	1,60E-16
Реальный размер энергии запасаемый в 1 кг ЭГК	Дж	4,14E+10	2,41E+10
Максимальная энергоемкость ЭГК	Мдж/кг	41350,5	24121,2
Условно минимальная эффективность ЭГК
Эффективность по сравнению с условным топливом	Раз	1,4	0,8
Эффективность по сравнению с тротилом	-:-	2,7	1,6
Эффективность по сравнению с бензином	-:-	0,9	0,5
Условно максимальная эффективность ЭГК
Эффективность по сравнению с условным топливом	-:-	1411,3	823,2
Эффективность по сравнению с тротилом	-:-	2738,4	1597,4
Эффективность по сравнению с бензином	-:-	939,8	548,2

 

                             Удельная теплота сгорания органических энергоносителей

Таблица 2.

Условное топливо	кДж/кг	29300,0
Тротил (тринитртолуол)	кДж/кг	15100,0
Бензин автомобильный	кДж/кг	44000,0

 

 

 

 

В природе электронные газовые клатраты по всей вероятности встречаются в виде шаровых молний (ШМ). Известны оценки размеров и  энергоемкости ШМ сделанные расчетным путем по результатам анализов тех разрушений, которые они совершили. В частности отмечается что энергоемкость ШМ может достигать десятков, сотен и даже тысяч мегаджоулей при размерах ШМ порядка 6-50 см [2]. В таблице 3 приведены данные расчета ШМ в предположении, что они созданы из электронного газового клатрата, образованного воздушной смесью азота и кислорода. В трех случаях из четырех имеется совпадение порядков величин рассчитанной энергоемкости ШМ с результатами оценок последствий их реальных взрывов ШМ [2].

Исследователи ШМ отмечают, что часто наблюдается образование ШМ за счет мощной инжекции электронов в газ, причем источником ШМ является какой либо металлический предмет. Наведение мощного электрического заряда в таком предмете осуществляется при движении заряженных облаков за счет электрической индукции. Это очень похоже на процесс образования ЭГК. Шаровые молнии возникают из таких предметов, стабильно существуют до нескольких минут, а потом разрушаются со взрывом или просто исчезают. Кстати взрывы ШМ можно объяснить не малой стабильностью газовых клатратов, а образованием вокруг ШМ слоя озона, который является взрывоопасным газом. Он легко взрывается при соприкосновении с неорганическими материалами [3, 4]. При этом взрывной импульс инициирует разрушение электронного газового клатрата и приводит к переходу смеси газов в обычное состояние. Вся накопленная энергия при этом выделяется в окружающую среду в виде мощного электрического разряда, производя тепловое и динамическое воздействие на среду.

 

Расчетные параметры ШМ из электронных газовых клатратов

                                                 Таблица 3

 

Диаметр шара	см	6,5	15	30	50
Плотность воздуха	г/см3	1,29	1,29	1,29	1,29
Вес шара	г	0,185399	2,278463	18,2277	84,3875
Содержание  азота	%	78	78	78	78
Содержание кислорода	%	21	21	21	21
Количество атомов азота		1,24E+21	1,53E+22	1,22E+23	5,66E+23
Количество атомов кислорода		3,35E+20	4,11E+21	3,29E+22	1,52E+23
Количество электронов которые поглотит азот		3,73E+21	4,58E+22	3,67E+23	1,70E+24
Количество электронов которые поглотит кислород		6,69E+20	8,23E+21	6,58E+22	3,05E+23
Общее количество электронов, которые может  поглотить шар		4,40E+21	5,41E+22	4,33E+23	2,00E+24
Эквивалентный заряд шара	кулон	704,87	8662,47	69299,73	320832,07
Энергия электронов в ШМ	Кэв	10	10	10	10
Энергия шара	МДж	7,05	86,62	693,00	3208,32
Ориентировочная энергия молнии W	Мдж	260*	100	1000	2000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

1. Электронные газовые клатраты с электронами, принудительно имплантированными на свободные орбитали, не должны проявлять свойств сильно ионизированных газов, наоборот, они будут проявлять свойства инертных газов.
2. Исследование  ЭГК это путь к созданию высокоэффективных энергоносителей нового поколения.
3. Химические и физические свойства ЭГК позволяют создавать совершенно новые химические соединения и технологические процессы с уникальными свойствами.

       

Литература

1. Охлобыстин О. Ю. Что же такое валентность?  Журнал "Химия и жизнь, № 11, 1986г.

2. Никитин А. И. Устойчивость и предельное энергосодержание автономной шаровой молнии. Электричество. 2004, N. 3

3. Хаускрофт К., Констебл Э. Современный курс общей химии Москва, Мир, 2002.

4. Химия: Энциклопедия / Под ред. И.Л. Кнунянц  - М., Большая Российская энциклопедия, 2003, 972 с.