Как вы думаете, может ли соль быть жидкой?
Понимаю, что некоторые сразу ответят: «ну, ты нашёл тоже что спросить, конечно может — нужно для этого её всего лишь бросить в воду!» :-D и, таким образом они выразят наиболее распространённую точку зрения, которую мы знаем ещё со школы (а также, базируясь на своём практическом жизненном опыте).
Но, думали ли вы, что бы это дало, если бы жидкая соль была возможна? Жидкая, сама по себе? На самом деле, это открывает очень интересные перспективы…;-)
Как мы уже поняли, сделать соль жидкой вполне возможно, нужно всего лишь её бросить в воду, то есть, поместить в среду растворителя, в которой с солью что-то произойдёт и называется в химии это «что-то» — «диссоциация», то есть, распад на составляющие.
Возьмём, для простоты примера обычную поваренную соль — NaCl. Уже даже по формуле этого вещества мы видим, что она состоит из ионов* натрия и хлора, представленных в составе кристаллической решётки в соотношении 1 к 1, где они располагаются в виде октаэдров, то есть, один ион хлора окружён шестью ионами натрия:
*Мы не зря здесь слово ион выделили курсивом, так как с ним нам ещё предстоит разобраться, как с представляющим прямой и практический интерес!
Как можно видеть, на заднем плане расположена вся кристаллическая решётка, и, почему-то, на каждом шарике стоит знак плюс или минус, а между шариками условно показано некоторое соединение, похожее на сшивку нитками:
Чтобы понять, что изображено, нужно хотя бы поверхностно рассмотреть процесс получения поваренной соли…
Условно говоря, можно сказать, что получить поваренную соль можно, заставив прореагировать натрий с хлором, где в ходе такой реакции, атом* хлора будет иметь некоторую склонность приобретать электроны, а атом натрия — терять электроны.
*На этом месте, некоторые, особо внимательные, должны задаться вопросом — а причём здесь атом, если хлор представляет собой молекулярный газ (Cl2) — то есть, молекулу, составленную из двух атомов хлора, в противовес, скажем, «благородным» газам (аргон и т.д.), которые являются атомарными, то есть состоят из отдельных атомов?
И здесь нам поможет температура! Наверняка, некоторым из вас посчастливилось в школе видеть подобный эксперимент, когда зажжённая свеча устанавливается между пластинами самодельного конденсатора, предварительно заряженного и соединённого со стрелочным индикатором, где при этом сразу наглядно становится видно, как стрелка начинает падать — то есть, ток начинает течь прямо через нагретый свечой воздух:
Таким образом, повышение температуры разбивает молекулы молекулярных газов, другими словами, ионизирует их — разбивая на ионы, которые являются носителями определённого знака заряда, в результате чего, мы видим в видео выше, что ионы приходят в движение, — другими словами, наблюдается электрический ток, прямо через воздух.
Но, вся штука в том, что ионизированное состояние для молекулярных газов не является естественным! И, они стремятся в самое кратчайшее время: или снова соединиться в своё нормальную молекулярную форму или, что гораздо интереснее для них, — не делить электроны с собратом (ковалентная связь, ниже показана примере водорода):
А приобрести его на постоянной основе, то есть, прореагировать с чем-то, например, в нашем случае, с натрием!
В ходе такой реакции, между собой вступят во взаимодействие два изначально электрически нейтральных атома — натрия и хлора, где натрий потеряет один электрон и получит положительный заряд (то есть, будет наблюдаться недостаток электронов), а хлор получит отрицательный заряд (то есть, будет наблюдаться избыток электронов).
Как мы знаем, противоположно заряженные сущности — притягиваются к друг другу, собственно, что здесь и происходит — более большой по размеру ион хлора, будет со всех сторон «облеплен» маленькими (относительно него) ионами!
Таким образом, нам становится понятна картинка, которая была в самом начале, где была показана кристаллическая решётка — просто-напросто, теперь мы понимаем, что там изображены сущности, с разным зарядом, взаимно притягивающиеся друг к другу, вот и всё!
Из физики мы знаем, что электронами (которые могут терять и приобретать) обладают атомы, и здесь, по сути, мы наблюдаем процесс на атомном уровне, с обменом электронами, где в ходе такого обмена приобретшие положительный или отрицательный заряд атомы — и начинают называться ионами.
В качестве любопытного познавательного факта, для себя, отметим, что как мы могли видеть выше по эксперименту с токопроводностью воздуха выше — ионизация создаёт условия для прохождения тока.
Причиной этого является, как мы уже могли догадаться, определённый заряд, которым обладают ионы, вследствие чего, электрическое поле между контактами с определённой разницей потенциалов между ними и заставляет их двигаться в определенном направлении, — то есть, регистрируется электрический ток.
Теперь, когда мы разобрались, что происходит при образовании поваренной соли, — мы можем перейти к тому, а что же происходит, когда мы эту соль растворяем в воде?
Но до начала того, как мы начнём разбираться с этим вопросом, нам нужно констатировать тот факт, что наша поваренная соль представляет собой соединение из двух «неполноценных» атомов если можно так сказать — так как один атом потерял электрон, а другой приобрёл: и таковыми они стали в процессе химической реакции.
И в этом кроется как раз интересный нюанс: при растворении в воде поваренной соли, произойдёт разваливание кристаллической решётки на вот эти «неполноценные» скажем так атомы (т.е. ионы) — именно так, а не восстановление исходного натрия и исходного хлора! (хех, а это было бы недурно, — получать полезные чистые химические компоненты, простым бросанием соли в воду… Однако, чудес не бывает…:-) ).
То есть, при помещении соли в водную среду, соединение из ионов натрия и хлора оказывается под воздействием растаскивающего притяжения огромного количества молекул воды, где атомы кислорода несут некоторый отрицательный заряд, в то время как атомы водорода, — некоторый положительный:
Мы помним, что ион натрия заряжен положительно, в то время как ион хлора заряжен отрицательно, таким образом, логично предположить, что ион натрия начинает притягиваться к атомам кислорода в молекуле воды, в то время как ион хлора притягивается к атомам водорода — и здесь мы не случайно говорим про «атомы» во множественном числе, так как именно это и наблюдается: несмотря на то, что связь между натрием и хлором достаточно прочная, когда эта сборка попадает в среду, где их начинают растаскивать в разные стороны множественные заряды окружающих атомов — прочность связи оказывается недостаточной и сборка разваливается…
Почему мы на этом так акцентируемся? А потому, что это важно в контексте нашего дальнейшего рассмотрения, так как они представляют собой заряженные частицы, то есть, носители заряда!
Другими словами, в неметаллических жидкостях (т.к. мы сейчас не рассматриваем расплавленный металл или ртуть) носителями заряда являются как раз ионы, в противовес, скажем, электронной проводимости в металлах и полупроводниках, где для этой цели служат свободные электроны, так называемый «электронный газ».
То есть, говоря образно (можно даже сказать, поэтично) — в итоге, мы получаем своего рода «жидкий электрический ток», который, конечно, ещё не является током в буквальном смысле, пока что это всего лишь смесь зарядов, которую, тем или иным способом, можно поляризовать, заставив одни заряды собраться с одной стороны, а другие — с другой стороны, а потом, грубо говоря, установить некоторую перемычку, по которой заряды смогут перетекать.
При этом, если мы несколько задумаемся о той смеси, которая у нас имеется под рукой, то мы можем осознать, что в этой смеси не всё является «полезным зарядом» — скажем, в примере с водой, где была растворена поваренная соль, молекулы воды всего лишь являются средством придать подвижность ионам натрия и хлора, которые являются носителями заряда, и, в обычном своём состоянии, в составе кристаллической решётки, не обладают достаточной подвижностью, чтобы служить проводимости, то есть создавать ток.
В связи со всем этим возникает логичный вопрос: а можно ли каким-то образом удалить воду, чтобы остались только «дистиллированные заряды» в чистом виде?
Нет, выпаривание воды не поможет — это всего лишь приведёт к удалению растворителя (т.е. воды) и самосборке разрозненных ионов натрия и хлора обратно в поваренную соль. :-)
Ведь если бы это получилось, то теоретически, мы могли бы получить очень мощную штуку — концентрированные заряды! Которые остаётся только поляризовать (собирать тем или иным способом в разных местах, отделив друг от друга) и извлекать из этого энергию!
Строго говоря, соль сделать жидкой достаточно просто, и даже без растворителей — достаточно всего лишь нагреть её до температуры плавления (более 800° C), что очевидно, является далёким от энергоэффективного решением ;-).
Но, при этом, такая расплавленная соль, из-за появившейся подвижности ионов, также может быть проводником электрического тока. Тем не менее, это всё не так интересно, в виду энергозатратности…
И тут мы подошли к самому главному: существуют (и уже достаточно давно — более 100 лет), так называемые «ионные жидкости», то есть, как раз то самое, о чём мы и говорили — смесь зарядов в жидком виде, или, если хотите, «соль, жидкая при комнатной температуре»!
Первое вещество подобного рода (этаноламмоний нитрат) было получено ещё в 1888 году, двумя учёными (С.Габриэль, Й.Вайнер), однако, температура плавления этой соли была ещё достаточно высокой ( 52-55° C), но сам факт дал пищу для размышлений учёным, и последующий успех пришёл уже скоро, в 1914 году, когда Пауль Вальден получил этиламмоний нитрат представляющий собой слегка желтоватую жидкость, без запаха, где соль этой жидкости плавится уже при 12° C, переходя в жидкое состояние.
Это соединение сочетается исторически самой первой ионной жидкостью, с температурой плавления ниже комнатной температуры. В дальнейшем, был разработан целый ряд подобных соединений.
Несмотря на свои химические различия, в основе их искусственного конструирования учёными лежит идея подбора таких компонентов, которые, просто-напросто, геометрически очень плохо стыкуются!
Скажем, выше, на примере поваренной соли мы видели, что ионы натрия и хлора являются идеально круглыми, благодаря чему, несмотря на свои различия в размерах, они достаточно плотно упаковываются в весьма прочную кристаллическую решётку, разрушить которую можно только притоком весьма значительной энергии извне (температура более 800° С).
В противовес этому, для компонентов искусственно сконструированных кристаллических решёток подбираются такие ионы, которые существенно отличаются формой, например, условно говоря, в виде вытянутой дыни (не единственно возможная форма, есть и другие варианты) и в виде арбуза — таким образом, они не могут упаковаться в плотную кристаллическую решётку из-за своей плохо стыкующейся формы, и удерживаются с трудом, разваливаясь при малом притоке внешней энергии, для чего хватает даже условно низких температур (ниже комнатной), как мы уже видели выше!
Ок, итак, допустим, что мы имеем подобную высокоэффективную ионную жидкость — но это не решает основную проблему: такая жидкость, с электрической точки зрения, представляет собой всего лишь смесь зарядов, которые, как мы и говорили выше, необходимо некоторым образом «растащить» в стороны, рассортировать, чтобы между участками скопления этих разных зарядов возникла разница потенциалов — то есть, полезное напряжение!
Как ни странно, решение этого вопроса существует уже множество лет (очень простое!), и впервые было найдено ещё в 1859 году Георгом Квинке, который в ходе проведения своих экспериментов с пропусканием воды сквозь пористые мембраны (песок, глина, неглазурованный фарфор), обнаружил, что с двух сторон мембраны возникает разница потенциалов:
На тот момент ещё не существовало строгой теории, объясняющей наблюдаемое явление (теория двойного электрического слоя появится позднее), однако, он предположил, что это каким-то образом связано с трением жидкости о стенки каналов и последующей электризацией.
В дальнейшем, с появлением и разработкой теории двойного электрического слоя, у учёных появилось понимание что происходит, и картина стала видеться следующим образом: при контакте любой жидкости, содержащей ионы с твёрдым телом, происходит поляризация поверхности этого твёрдого тела, в определённый знак, в зависимости от состава этого твёрдого тела.
Таким образом, если в нашем случае, жидкость протекает сквозь каналы, ряд ионов определённого знака поляризуют поверхность каналов и притягиваются к ней, покрывая поверхность плотным слоем (называется «слой Гельмгольца»).
Несмотря на то, что поверхность оказывается покрытой ионами, и, по идее, должна быть нейтрализована, — всё равно, она оказывает некоторое влияние на дополнительные ионы, того же знака, которые притянулись к ней (т.е. на некотором расстоянии от стенки наблюдается градиент притяжения).
Другими словами, некоторое пространство около стенки оказывается заполненным повышенной концентрацией (которая падает с расстоянием от стенки) подвижных ионов, не прикреплённых к стенке — это называется «диффузным слоем» (на картинке ниже слой Гельмгольца обозначен буквой - δ, а диффузный слой буквой - λ):
Таким образом, при протекании сквозь канал, происходят два параллельных явления:
Захват и удержание из потока ионов одного знака (в двойном электрическом слое);
Выход обеднённого потока (т.к. он потерял часть зарядов, прилипших к стенке).
В результате, в ходе совместного действия двух явлений, наблюдается интересная картина:
У входа в канал — избыток ионов (одного из знаков; но реально — просто исходная жидкость);
У выхода из канала — недостаток ионов (т.к. часть ионов была захвачена стенкой).
Вот и всё: в результате всего этого — наблюдается разность потенциалов между входом и выходом из канала: остаётся только установить электрод около входа в канал и около выхода из канала и можно получать электрический ток:
Нетрудно увидеть, что эффективность работы всей системы напрямую зависит от того, насколько малым является сечение каналов:
Если сечение канала будет достаточно большим, то подавляющее количество жидкости будет протекать без какой-либо поляризации;
Если канал будет достаточно малого сечения, то, в идеале, можно добиться, чтобы диффузные слои несколько перехлёстывались друг с другом — то есть, можно добиться поляризации во всём объёме протекающей жидкости, что резко увеличит эффективность!
О каком порядке цифр, когда мы говорим о сечении каналов, идёт речь: средняя толщина слоя Гельмгольца составляет порядка 1 нм, в то время как толщина диффузного слоя варьируется, в зависимости от конкретной жидкости, в довольно широких пределах (1-100 нм и т.д.), где можно сказать что толщина слоя, в общем случае, тем больше, чем чище конкретная жидкость от посторонних примесей и зависит от конкретного её типа, где, например, для известной ионной жидкости [EMIM][TFSI] толщина такого слоя составляет порядка 4 нм.
Можно предположить, что одним из интересных вариантов было бы вернуться к «истокам» и продавливать жидкость сквозь песок или глину :-) или, использовать современные мембраны — что для специализированных мембран с такими высокими требованиями к малому диаметру пор может вылиться в существенные деньги (я подозреваю; потому что, даже если мембраны стоили бы относительно дёшево, эксперименты наверняка потребуют множества итераций и целая куча мембран будет испорчена).
Тем не менее, что интересно, есть любопытная и весьма дешёвая альтернатива, эксплуатирующая тот факт, что можно использовать электростатические силы, для создания сверхтонких пор.
Не так давно я видел забавный эксперимент, который демонстрирует этот эффект в макроразмере:
Тем не менее, несмотря на кажущуюся забавность, подобный эффект весьма широко используется в промышленности и называется электроспиннингом.
Суть весьма проста: самый обыкновенный медицинский шприц заполняется быстросохнущей жидкостью (даже можно использовать клей ПВА), затем, к игле шприца подключается один контакт, а к плоской металлической площадке — другой контакт, после чего на контакты подаётся высокое напряжение (10-15 кВ).
Результатом этого является тот самый эффект, который вы уже могли видеть в видео выше — электростатические силы вытягивают жидкость из иглы шприца в виде сверхтонкой нити (сечением порядка нескольких десятков нанометров), которая начинает хаотически укладываться на плоскую площадку:
Альтернативным вариантом является использование металлического валика, к которому также подключается один из контактов источника высокого напряжения, а сам валик постоянно вращается, — таким образом можно получать аккуратно смотанную нить:
Выглядит это как-то так:
Учитывая весьма малый диаметр нити, можно понять, что даже из жидкой основы в объёме скромного шприца в пять кубиков, можно получить просто безумное количество волокна :-)
А теперь, зачем это всё надо: одним из самых простых способов создания мембран является использование массива волокон, созданного тем или иным способом, которые заливаются полимером, где после полимеризации его, волокно вымывается — таким образом, полимер остаётся пронизанным огромным количеством сверхтонких пор.
Теперь, вы понимаете, что использование того же самого электроспининга, для создания большого количества сверхтонкого волокна из водорастворимых основ позволяет легко создавать мембраны с большим количеством тонких пор!
Можно даже поэкспериментировать с сахаром — получится своеобразная «hitech сахарная вата XXI века»: кстати говоря, вполне себе научный метод, — видел эксперименты, где для разных целей использовали заливку полимером обычной покупной сахарной ваты! Особый плюс её в том, что она легко вымывается водой впоследствии…
Правда, в этом случае, когда целью является создание разницы потенциалов, наверняка, волокна сахарной ваты будут толстоваты и дадут малую эффективность, поэтому, можно попробовать поэкспериментировать с распылением сахара с помощью электроспиннинга.
В дальнейшем, такой полимерный блок с залитыми в него волокнами можно промыть тем или иным способом (например, в ультразвуковой ванне) — и получится вполне себе интересная и недорогая мембрана, особая ценность которой заключается в том, что она как легко масштабируема, так и легко возобновляема (в процессе экспериментов можно их испортить великое множество, без «особых ощущений» для кошелька)...
Подобный способ генерации электроэнергии можно использовать для разнообразных носимых устройств, где, если изготовить компоненты устройства из мягких сминаемых полимеров (литьевой полиуретан и т.д.), можно создавать весьма интересные устройства…
Сразу просится использовать нечто подобное для создания токогенерирующих стелек для обуви или подошв…
Интересно, что есть одна очень перспективная команда разработчиков, которая впервые заявила о себе (насколько можно судить по публикациям) ещё в 2011 году, разработав альтернативную конструкцию устройства, существенно превосходящего по генерируемой энергии описанный выше проточный вариант — так называемый «барботер» или «bubbler» (по англ.).
Вкратце, насколько можно понять, устройство эксплуатирует принцип переменного конденсатора, ёмкость которого постоянно меняется, за счёт внешней прикладываемой физической силы (подробную статью с чертежами и объяснением принципа действия можно найти в журнале Nature).
Устройство состоит из двух пластин, пространство между которыми заполнено диэлектрической жидкостью (уже не ионная жидкость, которую мы рассматривали, а чистый диэлектрик).
Нижняя пластина конденсатора имеет большое количество отверстий, через которые продавливается газ (например, воздух).
Верхняя пластина конденсатора также содержит большое количество отверстий, предназначенных для выхода жидкости и воздуха наружу.
При подаче газа, он начинает выходить из нижних отверстий и из нижней пластины начинают расти пузырьки, которые как раздвигают диэлектрическую жидкость в стороны, так и частично выдавливают через отверстия в верхней пластине наружу и во время роста пузырька, происходит генерация электрического тока.
Как только пузырёк становится достаточно большим, чтобы коснуться верхней пластины, он лопается, жидкость возвращается на своё место, и процесс повторяется.
Большое количество отверстий и высокая частота возникновения/пропадания пузырьков делают процесс крайне эффективным, позволяя достигать высоких показателей генерации — насколько можно судить по словам разработчиков, использование такого подхода позволяет генерировать каждой подошве ботинка порядка 10 Вт (кстати, статью об этом устройстве по ссылке выше рекомендую для прочтения, так как там есть виды подошвы в разобранном варианте и интересно на это глянуть).
Подытоживая, можно сказать, что есть великое множество интересных вариантов добычи электроэнергии и рассмотренные довольно интересны сами по себе, что, возможно, даже заставляет задуматься, а не повторить для нечто подобное самостоятельно? :-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
