Анатолий Томилин - Хочу всё знать [1970]

Отличие этого процесса от горения угля в прямом смысле заключается в том, что при горении угля обмен  электронами между углеродом и кислородом происходит сразу во всём пространстве. В батарейке же процесс обмена электронами между цинком и углём происходит в двух строго определённых местах: на поверхности отрицательного цинкового электрода и положительного угольного. Благодаря этому в батарейке создаётся порядок в движении электронов, то есть электрический ток.

Батарейка — очень удобный источник энергии. Он в особенности незаменим в тех случаях, когда потребляется мало электрической энергии, причём не непрерывно, а время от времени. А почему бы не построить уже сейчас электростанцию, работающую от батарей из таких элементов? Ведь их коэффициент полезного действия очень высок! К сожалению, сделать это нельзя, так как срок службы элементов невелик.

Идея создания электрического элемента возникла давно. Ещё в 1802 году изобретатель безопасной шахтёрской лампы Хэмфри Дэви высказал предположение, что химическую энергию, высвобождающуюся при окислении угля, можно непосредственно преобразовать в электрическую. К сожалению, Дэви не удалось изготовить такое устройство. Зато уже в 1839 году была продемонстрирована первая так называемая газовая батарея. В ней энергия реакции окисления водорода преобразовывалась непосредственно в электрический ток. Газовая батарея — это первый топливный элемент, где химическая энергия топлива непосредственно превращалась в электрическую.

Конечно, первый топливный элемент был очень несовершенен и обладал малой мощностью. Работы продолжались. И лишь совсем недавно были созданы промышленные топливные элементы. Какие же внутренние процессы сопровождают их работу?

Можно ли совершенно чистую воду, очень плохой проводник электрического тока, превратить в хороший проводник? Можно, и это очень легко сделать. Необходимо только растворить в ней небольшое количество поваренной соли. Водопроводная вода только кажется абсолютно чистой. На самом же деле она содержит небольшие количества растворённых солей, что и помогает ей проводить электрический ток. Вот почему иногда «дёргает» человека, прикоснувшегося мокрой рукой к электрическому выключателю, в особенности если выключатель в металлическом корпусе.

Водные растворы, которые проводят электрический ток, называются электролитами. Если через них пропускать электрический ток, то можно наблюдать различные интересные явления. Представьте себе, что в сосуд с электролитом из раствора сульфата меди опущены два медных электрода, присоединённых к электрической цепи с батареей. Один из электродов, тот, что соединён с отрицательным полюсом батареи, назван катодом. А тот, что с положительным — анодом. При пропускании электрического тока через некоторое время на катоде появится свежий слой меди, а анод постепенно будет растворяться. Может быть и по-другому: медь по-прежнему будет осаждаться на катоде, а на аноде появятся пузырьки кислорода. Всё зависит от материала анода, катода и от состава электролита.

Особый интерес представляет случай, когда электролит — раствор серной кислоты в воде, а электроды сделаны из платины. При пропускании электрического тока у электродов выделяются газы, причём у катода — водород, у анода — кислород. По мере течения процесса уровень электролита непрерывно понижается, то есть концентрация серной кислоты возрастает. В конце концов остаётся чистая серная кислота. Куда же делась вода?

Оказывается, в процессе электролиза она разложилась на составные элементы — водород и кислород, которые и выделялись у электродов.

Долгое время оставалось неясным: каким образом переносятся электрические заряды в электролитах? Объяснение было найдено в 1887 году, когда известный шведский химик Аррениус разработал свою знаменитую теорию электролитической диссоциации.

Основной смысл этой теории в том, что при растворении вещества, например серной кислоты, в воде в получившемся электролите образуется огромное количество положительно и отрицательно заряженных частичек — ионов. Если этот электролит подключить к электрической цепи с батареей, ионы приходят в движение, причём положительные движутся к катоду, а отрицательные к аноду. А это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток. И вот ионы, эти электрические «странники», прибыли к «месту назначения»: один к аноду, другой к катоду. Что же происходит дальше? В результате химической реакции на аноде образуется кислород. На катоде — водород.

Теперь ясно, что конечный результат электролиза водного раствора серной кислоты — разложение воды на кислород и водород. Энергия для этого берётся от внешнего источника тока, то есть от батареи.

А возможен ли обратный процесс: соединение водорода с кислородом с образованием воды? Да, возможен. Химики знают: если поджечь смесь этих газов, то раздастся сильный взрыв. Химическая энергия выделится в виде теплоты и звука. Но если этот же процесс будет протекать в электрохимических элементах, то химическая энергия будет непосредственно превращаться в электрическую. В этом-то и состоит принцип действия так называемого водородно-кислородного топливного элемента.

Как же он устроен?

Представьте себе, в сосуд с электролитом, то есть с водой, разбавленной серной кислотой, опущены два пористых, как губка, платиновых электрода. К одному из электродов под давлением подаётся кислород, а к другому — водород, которые просачиваются в электролит. Проходя через электрод, нейтральные атомы кислорода захватывают электроны из металла и превращаются в отрицательные ионы, переходя в электролит. Здесь они двигаются к другому электроду, достигают его, отдают свои электроны и, снова превращаясь в нейтральные атомы кислорода, соединяются с водородом, который подаётся под давлением. В результате этой реакции образуется вода и выделяется энергия, которая расходуется на создание потока электронов во внешней цепи, то есть электрического тока. Теперь достаточно подключить лампочку к платиновым электродам, и она ярко вспыхнет.

Хорош ли такой элемент? Безусловно: ведь его коэффициент полезного действия уже не 30—40%, а 70—80!

Если соединить много таких элементов в одну батарею, то можно получить достаточную мощность для вращения, например, какого-либо двигателя. Но у водородно-кислородного топливного элемента есть крупный недостаток: он может эффективно работать только на очень чистом водороде, который стоит дорого. Значит, и электроэнергия от такого элемента дорога. Поэтому-то вместо водорода нужно применять более дешёвое топливо. И оно было найдено. Например, использовался газ пропан и другие углеродистые газы. Теперь пробуют использовать воздух вместо кислорода: это значительно дешевле. И, наконец, самым дешёвым был бы элемент, работающий на природном газе и обычном воздухе.

Исследования продолжаются. Уже немало создано и успешно работают различные топливные элементы. Выдвигаются и совсем оригинальные идеи, например, создания так называемого биохимического топливного элемента. В нём к аноду подаются бактерии и питательная среда, а к катоду — кислород. Бактерии окисляют питательные вещества, а высвобождаемая энергия преобразуется непосредственно в электричество.

Кто знает, может, в недалёком будущем такие «живые» батареи найдут самое широкое применение, например, в дальних космических полётах!

Пока область применения топливных элементов ограничена: ведь они вырабатывают постоянный ток низкого напряжения и невелики по мощности. Но они непрерывно совершенствуются, область их применения растёт. Пока трудно сказать, смогут ли топливные элементы в недалёком будущем заменить обычные электростанции. Ясно одно: время, когда во многих областях техники источником энергии будет топливный элемент, — не за горами.

ИЗ ЗАПИСОК ЛЮБОЗНАТЕЛЬНОГО АРХИВАРИУСА

В 1802 году французский физик Луи Гей-Люссак проводил в Париже научные опыты. Ему понадобилась стеклянная посуда, которую вырабатывали только на немецкой территории. Когда учёный её выписал, французская таможня наложила такую высокую пошлину, что он не мог выкупить посылку. Узнав об этом, немецкий учёный Александр фон Гумбольдт пришёл на помощь французскому. Он распорядился, чтобы отправители запечатывали пустые сосуды и наклеивали на них этикетки: «Образцы немецкого воздуха! Осторожно!» Французские таможенники не могли найти в списках облагаемых пошлиной такого предмета как воздух!

Говорят, что вода мягкая, пока об неё не ударишься. А если очень сильно сжать воду, она становится крепче, чем сталь.