Жидкость из электронно-возбужденных молекул, обладающая свойствами накопителя, носителя энергии и катализатора энергетических и информационно-энергетических процессов (варианты )

 

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении автономных экологически чистых источников энергии. Жидкость состоит из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода. По одному варианту жидкость содержит смесь двух компонент: в одной атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 м и не более 6·10^-10 м, в другой атомы водорода расположены асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не более 5·10^-10 м и не более 8·10^-10 м. По второму варианту жидкость состоит из молекул, в которых атомы водорода расположены только симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 м и не более 6·10^-10 м. По третьему варианту жидкость состоит из молекул, в которых атомы водорода расположены только асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не более 5·10^-10 м и не более 8·10^-10 м. Жидкость можно получить путем ионизации воды с получением водорода и кислорода и последующего воздействия на полученную смесь объемно-сферических электромагнитных стоячих волн. Плотность полученной жидкости 500-700 кг/м³, Т_кип 200-220°С, диэлектрическая проницаемость 8-40 Ф/м, поверхностное натяжение 0,3-0,5 Н/м, рН 7-9,6. Жидкость обладает парамагнитными свойствами. 3 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к синтезу химических соединений, позволяющих получать энергию за счет экологически чистых процессов, и может быть использовано в качестве составной части автономного источника энергии для всех видов наземного, водного, воздушного и космического транспорта, в процессах генерирования электромагнитной энергии в энергетике, электротехнике, а также в биосистемах растительного и животного происхождения.

Известно большое количество различных жидкостей для химического источника энергии. В свинцовых аккумуляторах, например, используются водные растворы серной кислоты (Богацкий B.C., Скундин А.Н. Химические источники тока. М: Энергоиздат, 1981, с.360).

Известен также электролит, содержащий водный раствор гидроокиси щелочного металла, широко используемый в щелочных аккумуляторах (Salamon К., Kramer G. Betterien fur Elektrostrassenfahrzende-hente und morgen.- Elektrotechn. Z (Ausg.A), 1997, Bd. 98, №1, s.69-74). В этих системах энергонакопителями являются металлы, жидкости обеспечивают лишь транспорт ионов.

Недостаток известных жидкостей заключается в низкой эффективности заряда из-за малого числа участвующих в переносе заряда ионов и их слабой подвижности, из-за наличия паразитных ионов, создающих в области электродов промежуточные буферные слои, а также из-за избыточного газовыделения с большими непроизводительными затратами энергии.

Известно, что при реакции соединения кислорода с водородом происходит взрыв и вся энергия уходит со взрывом в виде оптического, звукового, электромагнитного, теплового излучений, а образовавшаяся вода как диссипативный продукт реакции обладает очень низкой энергоемкостью (Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975).

Известна также вода, получаемая путем смешивания газообразных веществ, содержащих водород и кислород, и последующего синтеза при плазменном состоянии газообразных веществ из метана и углекислого газа (Пат.РФ № 2119445, кл. С 01 В 5/00). Однако и эта вода обладает низкой энергоемкостью, так как также является окончательным диссипативным продуктом реакции.

Наиболее близкой по форме и достигаемому результату является активированная вода (Якименко Л.Н., Модылевская И.Д., Ткачек З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970).

Недостатком известного технического решения является очень малое накопление активированной водой электрической энергии при ее использовании в качестве электролита, невозможность накопления другой энергии и недостаточное влияние на биологические и энергетические процессы ввиду быстрой потери ею электрохимической активности с течением времени.

Задачей настоящего изобретения является создание новых химических соединений, обладающих свойствами накопителя, носителя энергии и катализатора энергетических и биоэнергетических процессов.

Поставленная задача решается тем, что в качестве химического соединения, обладающего свойствами накопителя, носителя энергии и катализатора энергетических и биоэнергетических процессов предлагается жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, состоящая из смеси двух компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 и не более 6·10^-10 м, а в другой - атомы водорода расположены асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не более 5·10^-10 и не более 8·10^-10 м.

По другому варианту жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, в которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 и не более 6·10^-10 м, также обладает свойствами накопителя, носителя энергии и катализатора энергетических и биоэнергетических процессов. Такими же свойствами обладает и жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, в которых атомы водорода расположены асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не более 5·10^-10 и не более 8·10^-10 м.

Заявляемые жидкости являются метастабильными жидкостями, состоящими из возбужденных молекул воды с предельным строением:

A) (+0,1) Н--1.10^-10--О--1·10^-10--Н(+0,1)

(+0,1) Н--6.10^-10--О--6·10^-10--H(+0,1) и

B) (+0,3) Н--5.10^-10--О--8·10^-10--H(0,0),

где по первому варианту (А+В) атомы водорода с указанными в скобках зарядами расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 и не более 6·10^-10 м и асимметрично относительно него на расстояниях не более ·10^-10 и не более 8·10^-10 м;

по второму варианту (А) атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 и не более 6·10^-10 м;

по третьему варианту (В) атомы водорода расположены асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не более 5·10^-10 и не более 8·10^-10 м.

Синтез этих жидкостей осуществляют путем проведения реакции возбужденного атома кислорода в состоянии (1s)²(2s)²(2p)^з(3s)^l, либо (1s)²(2s)²(2p)³(3p)¹ с атомарным водородом.

Указанные функции заявляемых жидкостей обеспечиваются за счет увеличения подвижности в них ионов и недопущения полной диссипации энергии. Свойства аккумуляторов улучшаются за счет увеличения емкости заряда, устранения избыточного газовыделения в процессе зарядки. Заявляемые жидкости могут служить частью топливных элементов, являясь удобным источником энергии. Энергоемкость заявляемых жидкостей определяется разностью энергий между указанными состояниями и основным состоянием воды со строением (+0,3)H--0,9·10^-10--O--0,9·10^-10--Н(+0,3) и равна примерно 4,2·10⁵ и 2,5·10⁵ Дж/мoль для первого и второго случаев соответственно, что соответствует калорийности хорошего топлива. Минимальная энергоемкость имеет место для случая В. Асимметрия молекулы увеличивает вероятность ее диссоциации. Биологический эффект достигается за счет усиления биоэнергоактивности и увеличения срока ее действия.

Заявляемые жидкости могут быть получены путем соединения молекулы или атомов водорода и атома синглетного кислорода, используя для получения возбужденного кислорода, например плазму, получаемую с помощью электромагнитного поля на резонансных частотах, и/или нагревом воды до 3000°С и сепарированием продуктов путем центрифугирования в плазменной центрифуге.

Схема установки для получения заявляемых жидкостей представлена на чертеже. Установка содержит реакционную камеру 1, выполненную из немагнитного материала и находящуюся в магнитном поле 2, электролизер 3, магнитный насос 4 и конденсоры 5 и 6 для сбора метастабильной жидкости и немагнитной воды соответственно. Сначала в электролизере 3 разлагают воду на атомы водорода и кислорода. Разложение воды можно производить термическим методом, фотолизом, методом ионизации при высоком напряжении 14-20 кВ или всеми методами сразу, так как их трудно осуществить раздельно в условиях плазмы. При 2000-3500°С происходит значительная степень диссоциации водяного пара по реакции H_zO→Н+Н+O*→Н₂+О*. Затем полученные таким образом атомарные водород и кислород непрерывно направляют в реакционную камеру 1, внутри которой с помощью плазмотрона создается электромагнитное излучение резонансной частоты в области длин волн 1,2·10^-7-1,8·10^-7 м, приводящее атомарный кислород в возбужденное состояние. Возбужденный атом кислорода взаимодействует с двумя атомами водорода или молекулой водорода с образованием H₂O* в триплетном состоянии и поэтому парамагнитного и относительно устойчивого. Он вытягивается из реакционной камеры 1 магнитным насосом 4 в конденсор 5, где происходит конденсация его в жидкость. Немагнитная вода собирается в конденсор 6 и далее может направляться снова в электролизер 2. Реакционную камеру 1 целесообразно выполнять из палладия, в ней поддерживаются высокие температура и давление, предельные величины которых определяются экспериментально. Нижний предел соответствует давлению и температуре идеального газа и определяется из известного уравнения термодинамического состояния плазмы. Давление в плазме - один из параметров, который определяет симметрию молекулы заявляемой жидкости и длину химической связи Н-O. С ростом давления увеличивается степень асимметрии молекулы и длина связи Н-O.

Для получения заявляемых жидкостей в качестве исходного сырья кислород и водород можно брать в готовом виде в газообразном состоянии, в частности, кислород, например, из воздуха.

Диапазон температур внутренней поверхности реакционной камеры 10-3000, а внешней 0-(-200)°С, диапазон давлений 0,1-10 МПа, диапазон частот электромагнитного поля 0,001-1000 МГц. Полученную жидкость сепарируют тем или иным способом (в нашем случае за счет неоднородности электромагнитного поля) и собирают в накопителе.

Задавая определенные режимы работы реакционной камеры, можно получать заявляемые жидкости с разной концентрацией компонент (А) и (В) и с разными физическими свойствами. Заметим, что молекулы (А) и (В) имеют пара-состояния по спину электронов у атомов водорода за счет взаимодействия с внутренними электронами кислорода.

Выход энергоемкой жидкости составляет 0,5-5% от всей полученной жидкости в зависимости от способа и условий ее получения.

Для увеличения ее выхода в качестве излучателей дополнительно к плазменному могут быть использованы лазеры. Реакционная камера и плазмотрон охлаждаются жидким азотом. Целесообразно в реакционной камере создавать высокочастотные электромагнитные поля большой интенсивности со специально подобранным набором частот и/или электромагнитные импульсы мощностью 10-30 МВт.

При возбуждении воды в области 1,2·10^-7-1,36·10^-7 м 5% превращений идет по схеме: Н₂O+hv→H₂O*→H+ОН(А²⁺),

где hv - энергия облучения,

Н₂О* - возбужденная молекула воды,

А²- двукратно занятое симметричное электронное состояние,

⁺ - симметрия возбужденной молекулы,

а возбужденное состояние воды имеет конфигурацию (1a₁)²(2a₁)²(1в₂)²(3a₁)(1в₁)²(3a₁s), при этом угол НОН увеличивается и при отрыве ОН сильно вращается (X. Окабе. Фотохимия малых молекул. -М., Мир, 1981, с.94). Кроме того, существуют, но не могут быть получены из молекул воды без ее разрушения конфигурации (1a₁)²(2a₁)(1в₂)(3a₁)(1в₁)(3a₁sp)²(3в₂sp)², которая соответствует компоненте жидкости (А) и (1a₁)²(2a₁)²(1в₂)²(3a₁)(1в₁)(3a₁sp)², которая соответствует компоненте жидкости (В).

Пример 1

Предварительно из воды методом ионизации при напряжении 20 кВ получают 160 г кислорода и 20 г водорода и подают их в реакционную камеру.

В камере создают объемно-сферические электромагнитные стоячие волны с частотой 10 МГц. Температура внутренней поверхности камеры 1000, внешней (-90)°С, давление 0,2 МПа. В накопителе получается 6 г жидкости, выход энергоемкой жидкости составляет 2 г. Полученный продукт представляет собой бесцветную жидкость, без запаха, с температурой кипения 220°С. Как показали исследования, молекула данной жидкости состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и представляет собой смесь компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстоянии 1·10^-10 м (90%), а в другой - асимметрично относительно него на расстояниях 5·10^-10 и 8·10^-10 м (10%) с углом раскрытия между атомами водорода около 100°. Резонансная частота ЯМР составляет 10 МГц, сигнал ЭПР в пике увеличен в 3 раза по сравнению с водой.

Пример 2

Пример 2 осуществляют аналогично примеру 1, но частота объемно-сферических электромагнитных стоячих волн в реакционной камере составляет 2МГц, а давление 0,3 МПа. Температурные режимы те же, что в примере 1. Выход энергоемкой жидкости составляет 3,8г. Молекула полученной жидкости состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и представляет собой смесь компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстоянии 1·10^-10 м (10%), а в другой - асимметрично относительно него на расстояниях 5·10^-10 и 8·10^-10 м (90%) с углом раскрытия между атомами водорода 104° и расстоянием между ними 2·10^-10 м. Резонансная частота составляет 2 МГц, а сигнал ЭПР увеличивается в 2 раза.

Пример 3

Пример 3 осуществляем аналогично примеру 1, но в камере создают дополнительное постоянное напряжение 10 кВ. Температура внутренней поверхности камеры 3000, внешней (-90)°С, давление 0,1 МПа. В накопителе получено 4 г жидкости, выход энергоемкой жидкости 1 г.

Полученный продукт представляет собой бесцветную жидкость, без запаха, с температурой кипения 220°С. Исследования показали, что молекула данной жидкости представляет собой смесь компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстоянии 6·10^-10 м (90%), а в другой - асимметрично относительно него на расстояниях 5·10^-10 и 8·10^-10 м (10%). Резонансная частота ЯМР составляет 10 МГц, ЭПР в пике увеличена в 3 раза по сравнению с водой.

Пример 4

Пример 4 осуществляют аналогично примеру 2, но при давлении 0,1 МПа, и в камере создают дополнительное постоянное напряжение 10 кВ. Температурные режимы те же, что в примере 2. Получена жидкость, молекула которой содержит один атом кислорода и два атома водорода и состоит из смеси компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях 6·10^-10 м (10%), а в другой - асимметрично относительно него на расстояниях 5·10^-10 и 3·10^-10 м (90%). Резонансная частота составляет 2 МГц, а ЭПР увеличивается в 2 раза. Полученный продукт представляет собой бесцветную жидкость, без запаха, с температурой кипения 200°С.

Пример 5

Пример 5 осуществляют аналогично примеру 1, но при давлении 0,1 МПа в реакционной камере и температуре внутренней поверхности 2000°С, а внешней - (-90)°С. В накопителе получено 9 г жидкости, выход энергоемкой жидкости 5 г. В молекуле данной жидкости, содержащей один атом кислорода и два атома водорода, атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях 1·10^-10 м.

Пример 6

Пример 6 осуществляют аналогично примеру 3 с дополнительным постоянным напряжением в камере 8 кВ. В полученной жидкости расстояния атомов водорода от атома кислорода равны 6·10^-10 м.

Пример 7

Пример 7 осуществляют аналогично примерам 2 и 4, но при давлении в реакционной камере 0,3 МПа с дополнительным постоянным напряжением 15 кВ. Молекула полученной жидкости содержит один атом кислорода и два атома водорода, расположенных асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях 5·10^-10 и 8·10^-10 м.

Строение полученных по примерам жидкостей определяли с использованием рентгеноструктурного анализа, ЯМР высокого разрешения по константам спин-спинового взаимодействия спинов ядер атомов кислорода и водорода. У обычной воды резонансная частота спин-спинового взаимодействия составляет 2,2·10³ Гц, а у заявляемых жидкостей она имеет значения от 10⁵ до 10⁸ Гц.

Степень диссоциации асимметричных молекул жидкости по отношению к определенному объему определяли по методике ЭПР. При механической деформации сигнал ЭПР в пике возрастает от 2 до 10 раз по сравнению с обычной водой. Время релаксации достаточно медленное. В процессе релаксации интенсивность сигнала ЭПР для заявляемых жидкостей и воды падает до нуля.

Экспериментальные исследования показали, что налицо явно выраженная асимметрия, угол раскрытия между атомами водорода 98-110°, расстояния между атомами водорода (0,5-5)·10^-10 м.

Результаты ЯМР анализа подтверждаются также ИК- и УФ-спектрами: в ИК-спектре появляется новая полоса в области 8 м^-1, что свидетельствует о появлении новой более рыхлой и более длинной связи, чем ОН, в УФ-спектре фиксируется дополнительное поглощение в области 3·10^-7 м, свидетельствующее о появлении нового заполненного уровня, расположенного ближе к нижнему незаполненному уровню, чем в случае обычной воды.

Геометрическая конфигурация заявляемых жидкостей и длина их связей подтверждаются расчетом потенциальной энергии основного и возбужденного состояния молекулы. Учтено, что могут возбуждаться либо две связи ОН, либо одна. В последнем случае имеет место асимметрия длин связей.

В таблицу сведены физико-химические характеристики энергоемких жидкостей, полученных по примерам 1-7, доказывающие их заявляемые свойства носителя и накопителя энергии.

Жидкости не замерзают до -80°С, переходя при более низких температурах в гелеобразную консистенцию. Жидкости стабильны из-за запрета перехода в основное состояние (обычную воду) по спину и дипольному моменту перехода и могут изменять свои свойства только в тех условиях, при которых они получены. По химической формуле заявляемые жидкости представляют собой Н₂О. Удельный вес их в 1,5 - 2,0 раза меньше, чем у дистиллированной воды, коэффициент поверхностного натяжения настолько велик, что на плоской поверхности они имеют форму шарика, а при ударе разделяются на несколько шариков (как ртуть), объединяющихся затем вновь в один большой. Жидкости реагируют на магнит, их диэлектрическую проницаемость, электропроводность и рН можно менять в довольно широких пределах.

Пример 8

Для подтверждения возможности использования заявляемых жидкостей в качестве жидкостей процесса аккумулирования и подачи электромагнитной энергии была приготовлена жидкость по примеру 2. В указанной жидкости проводили заряд шести ячеек инертных электродов из самарий-кобальта с размерами анода и катода 100×50 мм. Напряжение разряда и заряда 12 В. Достигаемая в ходе заряда удельная мощность 1200 Вт/кг. Разрядный ток - до 100 А. Газовых выделений в ходе заряда и разряда не наблюдалось. При определенных условиях система переходит в режим генератора. Емкость и эксплуатационный срок аккумулятора увеличиваются более чем в 10 раз.

Заявляемые жидкости обеспечивают повышение эффективности процесса накопления и подачи электромагнитной энергии за счет повышения емкости накопления заряда, так как в процессе накопления заряда участвуют наиболее компактные и активные ионы водорода, вступающие в сильную связь с металлическими электродами; увеличения подвижности участвующих в переносе заряда ионов, так как в ней ионный ток создается в основном сильно подвижными ионами; устранения избыточного газовыделения, так как в процессе заряда не образуется молекул водорода; расширения температурного диапазона функционирования, так как заявляемые жидкости, в отличие от известных жидкостей, обладают существенно более широким температурным диапазоном жидкого состояния при сохранении всех рабочих свойств; увеличения срока эксплуатации ввиду отсутствия химически активных веществ и эксплуатационных повреждений в процессе заряда и подачи энергии; при определенных условиях система переходит в режим генератора.

При использовании заявляемых жидкостей в качестве электролита, ее молекулы при зарядке диссоциируют на ионы Н⁺ и ОН^-. Ионы Н⁺ накапливаются на одном из электродов, а на другом - ионы ОН^-. Так как ионы водорода отталкиваются друг от друга, то молекула водорода H₂ образуется не сразу, а по прошествии времени протоны поглощаются электродом. Из-за большой активности водорода в переносе заряда (при разрядке) участвуют только ионы ОН^-, что исключает их рекомбинацию в объеме электролита, а также увеличивает его электроемкость. Учитывая высокую плотность ионов в электролите и их высокую подвижность, а также отсутствие химических процессов, разрушающих электроды, становится возможным создание аккумуляторов с пленочными электродами. Это позволяет создать аккумулятор емкостью 100 А·ч объемом (10×5×1) см³, весом 0,4 кГ, с выделением в окружающую среду только воды. Этот аккумулятор в определенных условиях может работать как генератор тока.

Заявляемые жидкости могут быть также использованы в качестве катализаторов ферментативных и регенерирующих биопроцессов. Известно, что с возрастом происходит снижение обменных процессов в организме, а также, что белки находятся в гидратной оболочке и от свойств воды в этой оболочке зависят функции белков.

При использовании заявляемых жидкостей, обладающих энергией на 1-2 порядка больше, чем у воды, гидратная оболочка белка не разрушается и общая энергоемкость системы повышается. Соответственно его внутренняя энергия на единицу объема становится равной внешней и внешние силы не видоизменяют систему, т.е. система приобретает способность регенерировать. Заявляемые жидкости способствуют согласованности действия ферментативной системы и исключению нарушения синтеза белка, поэтому они могут иметь противоопухолевую активность и т.д. Все вышесказанное должно привести к замедлению старения и увеличению продолжительности жизни.

Формула изобретения

1. Жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, состоящая из смеси двух компонент, в одной из которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 м и не более 6·10^-10 м, а в другой атомы водорода расположены асимметрично от него на расстояниях не менее 5·10^-10 м и не более 8·10^-10 м, обладающая свойствами накопителя, носителя энергии и катализатора энергетических и биоэнергетических процессов.

2. Жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, в которых атомы водорода расположены симметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 1·10^-10 м и не более 6·10^-10 м.

3. Жидкость из электронно-возбужденных молекул, содержащих один атом кислорода и два атома водорода, в которых атомы водорода расположены асимметрично относительно атома кислорода на расстояниях не менее 5·10^-10 м и не более 8·10^-10 м.

РИСУНКИ

Рисунок 1