khimie.ru

Яростное пламя клокочет в топке гигантского — высотой с восьмиэтажный дом — парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса обычного горения?

Топливо (дрова в костре, разведенном туристами, уголь, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны; атомы кислорода (окислитель, необходимая компонента процесса горения), наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения — молекулы углекислого газа.

Этот процесс, изложенный здесь упрощенно, идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает весьма значительное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, появляется видимое нами пламя.

Передача электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в неполноценную (в смысле эффективности дальнейших преобразований) тепловую энергию.

Горение — обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток — тоже движение электронов, только упорядоченное. И вот возникает еретическая мысль: нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получать электрический ток? Добиться управления движением электронов. Не дозволять электрически заряженным ионам в хаосе столкновений растрачивать свою электрическую энергию, не дать ей превращаться в тепло.

Итак, возможно ли холодное горение, организованное и упорядоченное? Оказывается, да. Вспомним опыт Грова. Он сжигал в кислороде водород. Этот процесс известен нам еще со школьной скамьи. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. Если поджечь эту смесь, она взрывается.

Пока это обычное горение водорода. Химик запишет эту реакцию так:

2Н₂ + О₂ = 2 Н₂О + тепло         (1)

Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла.

Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировалось электричество — электроны (их будем обозначать символом е^—). Можно ли, скажем, обеспечить протекание такого процесса:

2Н₂ + 4ОН^— = 4Н₂О + 4е^—                                                          (2)

Да, отвечает наука. Для этого надо свести вместе три фазы: газ (водород), источник ионов ОН^— (электролит, раствор щелочи в воде) и кусок металла, который и примет образующиеся в реакции электроны. Этот и ему подобные процессы, идущие в месте стыка трех фаз, на так называемой «трехфазной границе», в частности, и изучает электрохимия.

Так получать, электроны — громоздко, неуклюже? Возможно. Однако, чтобы получить желаемое — электрический ток, схему надо усложнить еще больше.

Ведь чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела «металл (в электрохимии его называют электродом) — электролит — газ» необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь. Будем ко второму электроду (специально подобранному) подводить кисло­род или воздух, чтобы там шла реакция:

4е^— + О₂ + 2Н₂О → 4ОН^—  (3)

Очевидно, что в сумме реакции (2) и (3) — это можно легко проверить — дают реакцию (1). Однако в устройстве, которое осуществил впервые Гров — в водородно-кислородном топливном элементе,— энергия химической реакции преобразуется уже в основном не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в энергию бегущих по проволоке электронов.

Включенная во внешнюю цепь «газового элемента Грова» лампа горит! Горение в ней поддерживают электроны, выделяющиеся на одном электроде (водородном) и поглощаемые на другом (кислородном).

Но электрохимическое горение замечательно не талько тем, что может идти даже при комнатных температурах (холодное горение). Главное его достоинство, столь важное для технических приложений, в другом: это горение идет практически без потерь.

Чтобы сполна оценить эту замечательную особенность топливных элементов, нам необходимо вновь вернуться к горению обычному.