Вода и ее ионы
Канарев Ф.М.
Анонс
Новая теория микромира в отличии от средневековой теории современных академиков физиков и химиков - теоретиков позволяет понимать и рассчитывать параметры всех процессов генерируемых молекулами, ионами и кластерами воды, в том числе и процессов формирования шестилучевых снежинок и энергий связи между валентными электронами молекул и кластеров воды, превышающих аналогичные энергии связи между валентными электронами металлов, которые разрываются при замерзании воды.
1. Структуры молекул воды и ее ионов
вода ион молекула
Современную теорию микромира можно понимать только при условии наличия новых знаний о процессах формирования главных элементарных частиц: фотонов, электронов, протонов и нейтронов, а также ядер атомов, самих атомов, молекул и кластеров. Излагаемая ниже информация будет понятна лишь тем, кто уже освоил вышеуказанные новые знания.
Вода - наиболее распространенное химическое соединение. Разнообразие свойств, которые может проявлять вода, скрыты в различиях структуры молекулы воды. Связи между атомами в молекуле формируют поверхностные электроны, которые расположены дальше других от геометрического центра молекулы. Мы называем их валентными электронами. Они, образуя молекулу, могут вступать в связь друг с другом или с протонами атома водорода, входящих в состав ее ионов.
На рис. 1 показана структура молекулы воды, следующая из структур ядер атомов кислорода и водорода. Два электрона 1 и 2 атома кислорода расположены на оси атома, а шесть остальных - по кругу, перпендикулярному оси. Суммарное электростатическое поле шести электронов, расположенных по кругу (назовем их кольцевыми электронами), может удалять или приближать первый 1 и второй 2 осевые электроны на большее или меньшее расстояние от ядра N атома кислорода. Поэтому осевые электроны атома кислорода являются его главными валентными электронами. Именно к этим электронам и присоединяются электроны и атомов водорода и образуется молекула воды (рис. 1).
Символами и обозначены электроны атомов водорода и символами и - протоны атомов водорода. Напомним, что номера электронам мы присваиваем в соответствии с последовательностью увеличения их потенциалов ионизации. Первым номером 1 мы обозначили электрон атома кислорода, имеющий в экспериментальной спектроскопии наименьший потенциал ионизации . Номером 2 мы обозначили второй электрон атома кислорода, имеющий потенциал ионизации .
Рис. 1. Схема первой (заряженной) модели молекулы воды: a) пространственная схема; b) линейная схема 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода; - ядра атомов водорода (протоны); и - номера электронов атомов водорода
Обратим внимание на то, что осевые протоны ядра атома кислорода (рис. 2, а) отделены друг от друга кольцевыми и осевыми нейтронами. Поэтому при удалении из атома кислорода одного осевого электрона освободившиеся силовые линии магнитного поля осевого протона перераспределяются в цепочке протон - нейтрон-нейтрон - протон так, что напряженность магнитного поля свободного осевого протона ослабевает, а напряженность магнитного поля второго осевого протона, взаимодействующего со вторым электроном, усиливается, и энергия его ионизации увеличится до .
Описанное явление присуще, всем ядрам. Этот процесс давно назван процессом насыщения. Иначе нарушается равенство между электростатическими силами, сближающими электроны с протонами, и магнитными силами, ограничивающими это сближение в случаях, когда часть электронов покидает атом.
Рис. 2. Схемы ядра, атома и молекулы кислорода
Структура атома водорода (рис. 3) показывает, что если этот атом соединится с первым осевым электроном атома кислорода своим единственным электроном, то протон окажется на поверхности молекулы и образует зону с положительным зарядом, который будет генерироваться протоном атома водорода. Аналогичную зону сформирует и протон второго атома водорода, который соединяется со вторым осевым электроном атома кислорода (рис. 1). Отрицательно заряженную зону сформируют электроны атома кислорода, расположенные по кольцу вокруг оси атома кислорода (рис. 1 и 2, b).
Рис. 3. Теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбужденном состоянии: - электрон, - протон
Поскольку при охлаждении электроны излучают фотоны и приближаются к ядру атома, то шесть кольцевых электронов атома кислорода в молекуле воды (рис. 1), приближаясь к ядру атома, своим суммарным электрическим полем удаляют осевые электроны от ядра. В этом случае расстояние между атомами водорода, расположенными на оси молекулы воды, увеличивается. За счет этого увеличивается длина связи с соседними молекулами воды при ее замерзании.
Новая теория ставит перед нами такой вопрос: сколько же электронов в молекуле воды? Всегда ли первый и второй электроны атома кислорода остаются в своих ячейках при приближении к ним электронов атомов водорода? У нас нет пока однозначного ответа на этот вопрос, и мы склонны полагать, что реализуются все возможные варианты. В одних случаях первый и второй (осевые) электроны атома кислорода отсутствуют в молекуле воды и их места занимают электроны атомов водорода. Но не исключено и присутствие этих электронов в молекуле воды, так как валентные электроны атомов, вступающих в связь, могут соединяться не только с протонами соседнего атома, но и с его валентными электронами. С учетом этого структура молекулы воды может отличаться количеством электронов в ней, и возникает необходимость дать названия этим структурам.
Структуру молекулы воды с полным набором электронов назовем первой структурой (рис. 1). Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью, а с восемью электронами (рис. 4). Такую модель назовем второй.
Главные различия между первой (рис. 1 и второй (рис. 4) моделями молекулы воды заключаются в том, что в ячейках первого и второго (осевых) электронов атома кислорода первой модели молекулы воды находятся по два спаренных электрона, а во второй модели молекулы воды в этих ячейках располагаются по одному электрону и поэтому у нас есть основания назвать их не спаренные электроны (рис. 4).
Когда спаренные электроны расположены только на одном конце оси атома кислорода, то такую модель назовем третьей (рис. 5, справа).
Рис. 4. Схема второй (разряженной) модели молекулы воды
Если гипотеза о разном количестве электронов в молекулах воды подтвердится, то этот факт окажется решающим при получении не только избыточной тепловой энергии из воды, но электроэнергии. Он определит причину положительных и отрицательных результатов многочисленных экспериментов, которые ставились для проверки факта существования дополнительной энергии при электролизе воды и явлениях ее кавитации. Если вода содержит больше заряженных молекул, то эксперимент даст положительный результат. При большем количестве разряженных молекул результат будет отрицательный. Примерные расчеты показывают наличие разницы в массе одного литра заряженной и разряженной воды. Ее можно зафиксировать современными измерительными приборами.
Рис. 5. Схема третьей (полу заряженной) модели молекулы воды
Факт разного количества электронов в молекуле воды имеет экспериментальное подтверждение. Оказалось, что при многократном проходе раствора щелочи через плазмоэлектролитический реактор в растворе накапливается значительный электрический потенциал. Японские исследователи уже разработали технологию получения электричества из воды при ее электролизе.
Отметим еще один экспериментальный факт. Известно, что при вращении воды в трубе ее теплые молекулы оказываются у внутренней стенке трубы, холодные - ближе к оси трубы. Причина та же, что и при аналогичном распределении молекул воздуха. При охлаждении молекулы воды излучают фотоны и их масса становится меньше массы теплых молекул. В результате центробежная сила инерции прижимает теплые, более тяжелые, молекулы к внутренней стенке трубы, а холодные, с меньшей массой, оказываются вблизи ее оси.
Известно, что вода может обладать щелочными или кислотными свойствами. Щелочные свойства формируются за счет увеличенного содержания в воде гидроксила .
На рис. 6 представлена схема модели гидроксила. На одном конце оси гидроксила расположен электрон атома кислорода, а другой - завершается протоном атома водорода. Таким образом, гидроксил - идеальное звено электрической цепи. Под действием приложенного напряжения эти ионы формируют линейные кластеры с положительным и отрицательным знаками на концах. В результате импульс напряжения передается вдоль этого кластера от минуса к плюсу. Конечно, ток не течет вдоль кластера. Он формируется благодаря тому, что ион гидроксила, расположенный на конце кластера у анода отдает ему свой электрон, а протон атома водорода у иона, расположенного у катода, получает электрон из катода.
Конечно, при этом идут сложные реакции. У анода образуются, а потом распадаются молекулы перекиси водорода, а у катода формируются молекулы водорода. Детали этих процессов мы опишем позднее, при анализе процесса электролиза воды.
Химики-теоретики убеждают нас, что кислотные свойства воды формируются свободными протонами, которые они обозначают так (рис. 7). Но мы с этой идеей не соглашаемся, та как протон - слишком активное образование и поэтому не может существовать в воде в свободном состоянии. Кислотные свойства воды формируются увеличенным содержанием в ней положительно заряженных ионов гидроксония (рис. 8).
Рис. 6. Схема модели гидроксила
Рис. 7. Модель протона
Во всех моделях молекулы воды (рис. 1, 4, 5) кольцевые электроны атома кислорода остаются свободными, формируя зону отрицательного потенциала на ее поверхности. Величины третьего и четвертого потенциалов ионизации атома кислорода указывают на то, что кольцевые электроны расположены ближе к ядру атома кислорода, чем осевые, поэтому большая часть их электрических и магнитных силовых линий включена в связь с ядром атома кислорода, и они менее активны, чем первый и второй осевые электроны.
Рис. 8. Схема иона гидроксония
Чтобы один из кольцевых электронов вступил в связь с протоном или электроном соседнего атома, ему необходимо подняться в своей ячейке и удалиться от ядра атома кислорода. Для реализации такого процесса ему необходимо поглотить фотон из окружающей среды. Если это произойдет, то он удалится от ядра, приблизится к поверхности атома, и лишь тогда появятся условия для взаимодействия между электрическими и магнитными полями обоих электронов. Если один из кольцевых электронов атома кислорода соединится с электроном атома водорода, то образуется ион гидроксония , который и сформирует кислотные свойства воды (рис. 8).
При таком развитии событий на поверхности молекулы воды появятся три зоны с положительным потенциалом и она станет положительно заряженным ионом , который называют гидроксонием (рис. 8). Таким образом, кислотные свойства раствора определяет не протон (положительный ион ), а положительный ион гидроксония . Процесс удаления электрона от ядра атома сопровождается поглощением фотонов из окружающей среды, поэтому процесс образования иона гидроксония эндотермический.
Перекись водорода , также образуется из воды. В ее структуре два атома кислорода и два атома водорода (рис. 9).
Чистая перекись водорода - бесцветная сиропообразная жидкость, обладающая сильными окислительными свойствами. Эта особенность перекиси водорода позволяет установить комбинации атомов кислорода и водорода, которые может иметь эта жидкость. Варианты комбинации атомов водорода и кислорода представлены на рис. 9. Структура, представленная на рис. 9, а, эквивалентна молекуле воды (рис. 1), так как концы оси молекулы завершаются протонами ( и ) атомов водорода. Такая структура не может быть активной, так как активность определяют электроны. Поэтому есть основания полагать, что молекула перекиси водорода имеет структуру, показанную на рис. 9, b. У этой структуры на концах оси электроны, так же как и у молекулы кислорода.
Структура, показанная на рис. 9, с, эквивалентна структуре молекулы параводорода (рис. 10, с), который тоже не обладает свойствами активности при обычной температуре.
Рис. 9. Схемы молекул перекиси водорода
Рис. 10. Схема молекулы водорода : а), b) - ортоводород; c) - параводород
2. Энергетический баланс процессов синтеза молекул кислорода, водорода и воды
Атом кислорода - восьмой элемент периодической таблицы химических элементов, расположенный в ее шестой группе. Структура атома и его ядра показаны на рис. 2. Наименьшая энергия ионизации первого валентного электрона атома кислорода равна = 13,618 eV, а энергия его связи с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, - =13,752 eV [1].
Известно, что процесс синтеза молекул кислорода сопровождается выделением 495 кДж/моль энергии или в расчете на одну молекулу
(1)
Каким же принципом руководствуется Природа, распределяя энергию 5,13 eV между электронами молекулы кислорода (рис. 11, а)? Энергия 5,13 eV - термическая энергия связи между электронами 1 и 2' двух атомов кислорода (рис. 11, а). При образовании молекулы кислорода она излучается в виде фотонов электронами, вступающими в связь. Из этого следует, что она равна сумме энергий двух фотонов, излученных этими электронами. Следовательно, каждый электрон, вступающий в контакт, излучает по фотону с энергиями 5,13/2=2,565eV (рис. 11). Валентные электроны в этом случае занимают положения между вторым и третьим энергетическими уровнями.