Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Стальные баллоны со сжатым водородом

Что может произойти, если не выполнять строго меры безопасности? Вот какой случай произошел в одной лаборатории в США. Там по халатности баллон с водородом не закрепили, а просто оставили на некоторое время стоять у стены. Проходящий мимо сотрудник случайно задел баллон, и он упал. При падении вентиль на краю тяжелого баллона задел за край стола и отвалился. Из широкого отверстия со свистом стал с огромной скоростью вырываться сжатый газ. К счастью, рядом не было открытого пламени, иначе взрыв был бы неминуем. Но и без этого баллон наделал немало бед. Высокая скорость истечения водорода привела к тому, что лежащий баллон превратился в настоящую ракету. Как тяжелая торпеда, он пробил внутреннюю перегородку лаборатории, затем вторую, с огромной силой ударил во внешнюю кирпичную стену здания, пробил ее и приземлился во дворе в сотне метров от места своего старта!

Ограниченность запасов нефти на планете, неоднократно разражавшиеся «бензиновые кризисы» уже давно поставили перед учеными задачу найти замену традиционному топливу для автомобилей. Первые электромобили появились чуть ли не одновременно с бензиновыми, однако до сих пор подавляющее число водителей заливают в баки своих машин бензин или солярку, намного реже можно встретить автомобили, работающие на газе, а вот электромобилей, вся энергия для которых запасена в аккумуляторах, на улицах до сих пор не видно. Почему так? Все решает экономика: бензин с необыкновенной легкостью побеждает аккумуляторы по количеству энергии, запасенной на единицу массы. Теплота сгорания бензина – около 40 000 кДж/кг (примерно такая же, как у природных горючих газов), т. е. в 1 кг жидкого топлива «содержится» более 10 киловатт-часов энергии, тогда как в аккумуляторах – обычно не более 0,2 кВт-ч на 1 кг их массы; 50-кратное превосходство бензина преодолеть исключительно трудно. Тем не менее появляются все новые, иногда довольно неожиданные предложения. Например, заменить бензин… алюминием! Алюминий – очень активный металл. Если его лишить защитной оксидной пленки (это можно сделать, смочив его поверхность небольшим количеством ртути или галлия), алюминий начнет прямо на глазах окисляться, рассыпаясь в белый порошок: 2Al + 3O2 = = 2Al2O3. Если такой «активированный» алюминий внести в воду, он начнет энергично реагировать с ней, вытесняя водород: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2. В щелочной среде реакция идет с образованием растворимого алюмината NaAl(OH)4 и сопровождается выделением большого количества энергии. Если просто растворять алюминий в щелочи, энергия выделится в виде теплоты, и тогда ее трудно использовать. Но в так называемых топливных элементах можно заставить химическую реакцию вырабатывать электрический ток. Это свойство и решили использовать американские электрохимики Джон Купер и Эрвин Бэрин из Национальной лаборатории имени Лоуренса при Калифорнийском университете (США). Они создали прибор, в котором электрический ток вырабатывается в результате реакции алюминия с кислородом и водой в присутствии щелочи: 4Al + 6H2O + 4NaOH + 3O2 = 4NaAl(OH)4. Анод в топливном элементе, использующем эту реакцию, изготовлен из алюминиевой пластины с добавкой 0,05 % галлия, катод – из пористого графита с катализатором. Образующийся при работе топливного элемента алюминат натрия несложно регенерировать; при этом образуются NaOH и Al(OH)3. Гидроксид натрия возвращается в раствор, а осадок гидроксида алюминия отфильтровывается и через каждые 500–1000 км пробега извлекается из автомобиля и сдается на приемный пункт, откуда его направляют на завод для получения из него алюминия.

Результаты эксплуатации опытных батарей показали, что при движении электромобиля массой 1,3 тонны со скоростью 90 км/ч 1 кг алюминия будет израсходован через 20 км пробега (для сравнения: 1 кг бензина обычно хватает лишь на 15 км). Правда, батарея топливных элементов (их потребуется несколько десятков) займет значительно больше места, чем бензобак, зато в электромобиле не будет карбюратора, цилиндров, трансмиссии и прочих деталей, без которых не может обойтись автомобиль с двигателем внутреннего сгорания: их заменят небольшие электромоторы, расположенные прямо на ведущих колесах. Заменять алюминиевые пластины в батареях тоже придется намного реже, чем заливать в бак бензин. Вроде бы все хорошо, но есть в этом заманчивом предложении один недостаток, который не позволяет широко внедрить его в жизнь. Алюминий на заводах получают с помощью электричества. Процесс этот очень энергоемкий: на 1 кг алюминия расходуется примерно 15 кВт-ч электроэнергии. Число автомобилей в мире исчисляется сотнями миллионов, и простой расчет показывает, что для их исправного снабжения алюминием необходима 10-кратная мощность всех существующих электростанций! Значит, даже если бы новые автомобили работали со 100 %-ным КПД (чего не бывает) и человечество отказалось бы от всех других применений электричества (что также маловероятно), все равно лишь один из 10 «бензиновых» автомобилей удалось бы заменить на «алюминиевый». Вот почему во всем мире огромные количества нефти продолжают перерабатывать на бензин.

И все же алюминий нашел практическое применение в качестве топлива. Но не автомобильного, а ракетного. Ведь ракета, в отличие от автомобиля, должна нести в себе не только топливо, но и окислитель (жидкий кислород, жидкий тетраоксид азота N2O4 и т. п.). Для полного сжигания 1 кг алюминия требуется почти вчетверо меньше кислорода, чем для сжигания 1 кг керосина. Кроме того, алюминий может окисляться не только свободным кислородом, но и связанным, входящим в состав воды или углекислого газа. При «сжигании» алюминия в воде на 1 кг продуктов выделяется 8800 кДж; это в 1,8 раза меньше, чем при сгорании металла в чистом кислороде, но в 1,3 раза больше, чем при его сгорании на воздухе. Значит, в качестве окислителя такого топлива можно использовать вместо опасных и дорогостоящих соединений простую воду. Реакцию алюминия с водой можно осуществлять, например, в двигателях ракеты первой ступени. Расчеты показали, что при этом запас топлива, который требуется для предварительного разгона многоступенчатой ракеты, можно уменьшить в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными видами топлива. А на Венере можно было бы вообще не брать на ракету запас окислителя. В атмосфере этой планеты 97 % углекислого газа, в котором алюминий сгорает с выделением 15 000 кДж на 1 кг металла: 2Al + 3CO2 = Al2O3 + 3CO.

Идея использования алюминия в качестве горючего – не новость. Еще в 1924 г. отечественный ученый и изобретатель Ф. А. Цандер предложил использовать алюминиевые элементы космического корабля в качестве дополнительного горючего. Этот смелый проект пока практически не осуществлен, зато большинство известных в настоящее время видов твердого ракетного топлива содержат металлический алюминий в виде тонко измельченного порошка. Добавление 15 % алюминия к топливу может на тысячу градусов повысить температуру продуктов сгорания (с 2200 до 3200 К); заметно возрастает и скорость истечения этих продуктов из сопла двигателя – главный энергетический показатель, определяющий эффективность ракетного топлива. В этом плане конкуренцию алюминию могут составить только литий, бериллий и магний, но все они значительно дороже алюминия.