В качестве более эффективного катализатора может применяться рутений с оксидом алюминия . Процесс описывается следующей реакцией:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O + энергия ∆H = −165.0 кДж/моль (для запуска реакции требуется некоторое начальное количество энергии/тепла)
Жизнеобеспечение космической станции
В настоящее время генераторы кислорода на борту Международной космической станции производят кислород из воды посредством электролиза и сбрасывают образующийся водород в космическое пространство. Во время дыхания кислородом образуется диоксид углерода, который необходимо удалять из воздуха и впоследствии избавляться от него. Этот подход требует регулярных поставок значительного количества воды на космическую станцию для производства кислорода, помимо воды для питья, гигиены и т. д. Такое значительное снабжение водой станет недоступно в будущих долговременных полётах за пределы околоземной орбиты.
Третьим и, возможно, более элегантным решением стехиометрической проблемы, было бы совмещение реакции Сабатье и реакции водорода с диоксидом углерода в едином реакторе следующим образом:
3CO 2 + 6H 2 → CH 4 + 2CO + 4H 2 O
Эта реакция слабо экзотермическая и при электролизе воды позволяет достичь соотношения 4:1 между кислородом и метаном, обеспечивая большой резервный запас кислорода. По схеме, когда с Земли доставляется лишь лёгкий водород, а тяжёлые кислород и углерод вырабатываются на месте, обеспечивается выигрыш в массе 18:1. Такое использование местных ресурсов привело бы к значительной экономии веса и стоимости в любых пилотируемых полётах на Марс (или автоматических полётах с доставкой грунта).
Напишите отзыв о статье "Реакция Сабатье"
Отрывок, характеризующий Реакция Сабатье
– Но если по каким либо причинам вам неприятен разговор со мною, – сказал старик, – то вы так и скажите, государь мой. – И он вдруг улыбнулся неожиданно, отечески нежной улыбкой.– Ах нет, совсем нет, напротив, я очень рад познакомиться с вами, – сказал Пьер, и, взглянув еще раз на руки нового знакомца, ближе рассмотрел перстень. Он увидал на нем Адамову голову, знак масонства.
– Позвольте мне спросить, – сказал он. – Вы масон?
– Да, я принадлежу к братству свободных каменьщиков, сказал проезжий, все глубже и глубже вглядываясь в глаза Пьеру. – И от себя и от их имени протягиваю вам братскую руку.
– Я боюсь, – сказал Пьер, улыбаясь и колеблясь между доверием, внушаемым ему личностью масона, и привычкой насмешки над верованиями масонов, – я боюсь, что я очень далек от пониманья, как это сказать, я боюсь, что мой образ мыслей насчет всего мироздания так противоположен вашему, что мы не поймем друг друга.
– Мне известен ваш образ мыслей, – сказал масон, – и тот ваш образ мыслей, о котором вы говорите, и который вам кажется произведением вашего мысленного труда, есть образ мыслей большинства людей, есть однообразный плод гордости, лени и невежества. Извините меня, государь мой, ежели бы я не знал его, я бы не заговорил с вами. Ваш образ мыслей есть печальное заблуждение.
– Точно так же, как я могу предполагать, что и вы находитесь в заблуждении, – сказал Пьер, слабо улыбаясь.
– Я никогда не посмею сказать, что я знаю истину, – сказал масон, всё более и более поражая Пьера своею определенностью и твердостью речи. – Никто один не может достигнуть до истины; только камень за камнем, с участием всех, миллионами поколений, от праотца Адама и до нашего времени, воздвигается тот храм, который должен быть достойным жилищем Великого Бога, – сказал масон и закрыл глаза.
– Я должен вам сказать, я не верю, не… верю в Бога, – с сожалением и усилием сказал Пьер, чувствуя необходимость высказать всю правду.
Масон внимательно посмотрел на Пьера и улыбнулся, как улыбнулся бы богач, державший в руках миллионы, бедняку, который бы сказал ему, что нет у него, у бедняка, пяти рублей, могущих сделать его счастие.
– Да, вы не знаете Его, государь мой, – сказал масон. – Вы не можете знать Его. Вы не знаете Его, оттого вы и несчастны.
– Да, да, я несчастен, подтвердил Пьер; – но что ж мне делать?
– Вы не знаете Его, государь мой, и оттого вы очень несчастны. Вы не знаете Его, а Он здесь, Он во мне. Он в моих словах, Он в тебе, и даже в тех кощунствующих речах, которые ты произнес сейчас! – строгим дрожащим голосом сказал масон.
Он помолчал и вздохнул, видимо стараясь успокоиться.
– Ежели бы Его не было, – сказал он тихо, – мы бы с вами не говорили о Нем, государь мой. О чем, о ком мы говорили? Кого ты отрицал? – вдруг сказал он с восторженной строгостью и властью в голосе. – Кто Его выдумал, ежели Его нет? Почему явилось в тебе предположение, что есть такое непонятное существо? Почему ты и весь мир предположили существование такого непостижимого существа, существа всемогущего, вечного и бесконечного во всех своих свойствах?… – Он остановился и долго молчал.
Пьер не мог и не хотел прерывать этого молчания.
– Он есть, но понять Его трудно, – заговорил опять масон, глядя не на лицо Пьера, а перед собою, своими старческими руками, которые от внутреннего волнения не могли оставаться спокойными, перебирая листы книги. – Ежели бы это был человек, в существовании которого ты бы сомневался, я бы привел к тебе этого человека, взял бы его за руку и показал тебе. Но как я, ничтожный смертный, покажу всё всемогущество, всю вечность, всю благость Его тому, кто слеп, или тому, кто закрывает глаза, чтобы не видать, не понимать Его, и не увидать, и не понять всю свою мерзость и порочность? – Он помолчал. – Кто ты? Что ты? Ты мечтаешь о себе, что ты мудрец, потому что ты мог произнести эти кощунственные слова, – сказал он с мрачной и презрительной усмешкой, – а ты глупее и безумнее малого ребенка, который бы, играя частями искусно сделанных часов, осмелился бы говорить, что, потому что он не понимает назначения этих часов, он и не верит в мастера, который их сделал. Познать Его трудно… Мы веками, от праотца Адама и до наших дней, работаем для этого познания и на бесконечность далеки от достижения нашей цели; но в непонимании Его мы видим только нашу слабость и Его величие… – Пьер, с замиранием сердца, блестящими глазами глядя в лицо масона, слушал его, не перебивал, не спрашивал его, а всей душой верил тому, что говорил ему этот чужой человек. Верил ли он тем разумным доводам, которые были в речи масона, или верил, как верят дети интонациям, убежденности и сердечности, которые были в речи масона, дрожанию голоса, которое иногда почти прерывало масона, или этим блестящим, старческим глазам, состарившимся на том же убеждении, или тому спокойствию, твердости и знанию своего назначения, которые светились из всего существа масона, и которые особенно сильно поражали его в сравнении с своей опущенностью и безнадежностью; – но он всей душой желал верить, и верил, и испытывал радостное чувство успокоения, обновления и возвращения к жизни.
– Он не постигается умом, а постигается жизнью, – сказал масон.
– Я не понимаю, – сказал Пьер, со страхом чувствуя поднимающееся в себе сомнение. Он боялся неясности и слабости доводов своего собеседника, он боялся не верить ему. – Я не понимаю, – сказал он, – каким образом ум человеческий не может постигнуть того знания, о котором вы говорите.
Вообще, если честно, нобелевских лауреатов Полей Сабатье могло быть двое (удивительный случай), и они не родственники. Историк Поль Сабатье был пять раз номинирован на премию по литературе за биографию св. Франциска Ассизского, но увы… А химик премию получил, в полном соответствии с завещанием Нобеля, как принесший максимальную пользу обществу. Но обо всем по порядку.
Поль Сабатье
Нобелевская премия по химии 1912 года (разделил премию с Виктором Гриньяром). Формулировка Нобелевского комитета: «За предложенный им метод гидрогенизации органических соединений в присутствии мелкодисперсных металлов, который резко стимулировал развитие органической химии».
Будущий химик и нобелиат Поль Сабатье родился в небольшом французском городке Каркасон. Его папа был мелким землевладельцем, но лишился собственности за неуплату налогов и открыл шляпный магазин. Поль был младшим из семи детей и всегда отличался прилежанием и хорошими успехами в школе. Когда мальчик готовился к поступлению в лицей в Тулузе, он впервые попал на публичные лекции по физике и химии (да, тогда тоже уже были местные просветители). Эти лекции и побудили его к занятиям большой наукой. А для этого, полагал Сабатье, нужно быть самым лучшим.
Когда пришла пора поступать в высшую школу, Поль поступал одновременно в знаменитые Эколь Политекник и Эколь Нормаль. Пришлось выбирать, и в итоге молодой человек в 1877 году лучшим в группе окончил Высшую нормальную школу в Париже - один из самых престижных французских вузов.
Потом Поль еще год изучал физику в Ницце, а затем начал заниматься химией у великого Марселена Бертло в знаменитом Коллеж де Франс - учебно-научном заведении, основанном еще в первой половине XVI века. Сабатье стал ассистентом выдающегося химика. Кстати, любопытно, что сейчас площадь в Париже, на которой стоит это заведение, носит имя Бертло.
Коллеж де Франс
Wikimedia Commons
Учитель Сабатье стоял у истоков современного органического синтеза (а попутно и биохимии), многие из известных еще по школьному курсу веществ синтезировал именно он: бензол, этилен, этиловый спирт. Именно Бертло синтезировал аналоги природных жиров и показал, что они эфиры глицерина (а последний - трехатомный спирт, что показал тоже Бертло). Наконец, он синтезировал и аналоги жирных кислот.
Марселен Бертло
Wikimedia Commons
Правда, Сабатье сначала пришлось заняться неорганикой. Как он потом вспоминал с усмешкой, «я больше всего занимаюсь тем предметом, который мне меньше всего нравится». Первой исследовательской работой будущего нобелевского лауреата стала термохимия серы и сульфидов металлов. В 26 лет с этой работой он стал доктором химии. Сабатье сразу же стал очень авторитетным химиком. В 1884 году, как только ему исполнилось 30, минимальный возраст для занятия профессорской должности, наш герой получил кафедру общей химии в Университете Тулузы. В этом университете он оставался профессором до выхода в отставку через 45 лет.
Примечательный факт: через 23 года после назначения Сабатье получил сразу два лестных предложения, связанных с двумя тяжелыми утратами, которые понесла французская и мировая химия: с интервалом всего в месяц, 20 февраля и 18 марта 1907 года, умерли еще сравнительно молодой Анри Муассан и почтенный учитель Сабатье, Марселен Бертло. Тулузскому профессору предложили на выбор кафедру Муассана в Сорбонне и кафедру Бертло в Коллеж де Франс. Тот остался в провинции.
В Тулузе Сабатье занялся органикой. Как раз с опытами Муассана и оказался связан главный успех химика.
Анри Муассан
Wikimedia Commons
Началось все с неорганики. Людвиг Монд с соавторами получил комплексы металлов с группой СO – «карбонилметаллы». Сабатье получил такие же, но с молекулами NO, «нитрозометаллы», и, взяв в помощники студента (и священника) Жана-Баптиста Сендерана, начал пытаться получить комплексы металлов с ненасыщенными углеводородами: этиленом и ацетиленом. Упомянутый выше Муассан вместе с коллегой Шарлем Моро пытался присоединить ацетилен к свежевосстановленным из оксидов металлам: никелю, кобальту и железу. Но ничего не получалось, зато вроде бы выделялись водород и жидкость, которая казалась авторам смесью ароматических углеводородов. Но реакция была капризной, и Муассан оставил свои попытки.
В 1897 году Сабатье попросил у Муассана разрешение повторить его опыты, но взял вместо ацетилена менее активный этилен. С никелем и при 300 градусах реакция пошла, но получался этан, а не водород, как предполагал Муассан. Значит, сначала при 300 градусах частично разлагается этилен с выделением водорода, а потом водород в присутствии никеля присоединяется к этилену, образуя этан! Тогда Сабатье с Сандераном взяли смесь этилена и водорода, и такая реакция пошла уже при 30-35 градусах!
Реакция Сабатье - Сандерана
Wikimedia Commons
Так химики получили простой и дешевый метод гидрирования двойной и тройной связи, который сейчас известен под именем реакции Сабатье - Сандерана. А главное, этот метод получила промышленность. Почему реакция гидрогенизации имеет очень важное значение именно для промышленности, особенно для пищевой?
Вот вам пример: масло. Обычное сливочное масло. Вкусно и хорошо, но для хлебопекарной и кондитерской промышленности иногда слишком дорого. Было бы неплохо получить заменитель из растительных масел. Но они жидкие, в том числе потому, что жирах растительного происхождения присутствуют остатки ненасыщенных кислот. То есть наличествует двойная связь. Значит, можно попробовать присоединить к ней водород, гидрогенизировать. Действительно, если гидрогенизировать растительное масло, то получится знакомый всем нам маргарин. Но использовавшиеся тогда в качестве катализатора платина и палладий делали такое производство совершенно неактуальным.
Несмотря на то, что Сабатье не особо стремился к деньгам и славе (он совершил множество открытий в катализе, но получил лишь пару патентов, предпочитая заниматься наукой и преподаванием), признание пришло весьма быстро: уже в 1912 году Сабатье стал нобелевским лауреатом по химии, разделив премию с Виктором Гриньяром, открывшим эпоху металлоорганической химии и тоже давшим химикам выдающийся метод синтеза новых соединений.
Потом будет еще почти 30 лет жизни. Сабатье откроет процесс, получивший его имя, реакцию получения метана (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O), создаст теорию катализа, в которой будет спорить со Сванте Аррениусом , доказывая, что реакция происходит на поверхности катализатора...
А в Нобелевской лекции он скажет: «В течение последних 15 лет мысль о механизме катализа никогда не оставляла меня. Все мои успехи - это результат рожденных ею заключений. Теории не могут претендовать на бессмертие. Это всего лишь плуг, которым пахарь пользуется для того, чтобы провести борозду, и который он имеет полное право после жатвы заменить другим, более совершенным».
Согласно Википедии:
Реакция Сабатье связана с реакцией водорода с двуокисью углерода при повышенных температурах (оптимально 300-400 ° С) и давлением в присутствии никелевого катализатора для получения метана и воды. $$ CO_2 + 4H_2 \ rightarrow CH_4 + H_2O + \ text {Energy} $$
как вы можете видеть из предыдущей химической реакции, чтобы получить 1 KMole $ CH_4 $, у вас должно быть 4 Kmole водорода в качестве реагентов и реакционная среда 300-400 ° C (с богом знает, сколько необходимого вам катализатора).
По сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающим на метане:
- Водород не доступен в окружающем воздухе до такой степени, чтобы позволяют устойчивую реакцию Сабатье (это не кислород), что означает, что вам нужно отдельный резервуар для водорода вместе с вашим двигателем (не говоря уже о взрывной характер водорода).
- Предварительный нагрев реагентов до 300-400 ° C потребует внешнего если это будет сделано с использованием углеводородного топлива, для этого потребуется дополнительной камеры сгорания и теплообменника.
- Более высокая теплотворная способность метана = 889 кДж/моль и HHV водорода = 286 кДж/моль (Википедия), так теоретически говоря, реакция Сабатье предоставит вам 1 моль CH4 с теплотворной способностью 889 кДж подача реактора 4 Молей H2, который имел теплотворную способность 4 * 286 = 1144 кДж!!
- Полученный Метан и вода имеют отношение 1: 1, вводя это смесь с этим количеством воды до камера сгорания даст вам ОЧЕНЬ низкоэффективное сгорание процесс, поэтому, естественно, вам нужен механизм разделения, чтобы максимально снизить содержание воды до входа в камеру сгорания.
Так кто-нибудь исследовал/построил автомобиль, который сжигает метан, и он восстанавливает его (по крайней мере, часть) из выхлопных газов через реакцию Сабатье?
Я действительно понятия не имею, но из предыдущих пунктов я не вижу в этом возможности вообще обычного двигателя внутреннего сгорания, работающего на метане.
Алго дал вам хороший ответ о деталях. Существует гораздо более широкий, более широко используемый ответ.
Преобразование любой формы энергии в теплоту создает огромную неэффективность. Это низкокачественная форма энергии. Поэтому, если вы хотите вообще работать с этой энергией, лучше всего это сделать, прежде чем оно превратится в тепло, когда это возможно.
Когда он находится в форме тепла, то качество энергии (то, что мы называем его exergy , то есть способность работать) зависит от разницы между его температурой и температурой холода резервуар, который вы используете в качестве своего радиатора. Обычно это, но не всегда, температура окружающей среды. Если вы хотите выполнять какую-либо работу с этим теплом, вы делаете это, когда разница в температурах самая высокая, а температура холодного водохранилища самая низкая.
Поэтому вы не переходите от тепла к химической энергии к кинетической энергии.
Всякий раз, когда вы делаете энергетическое преобразование, вы теряете способность выполнять работу, то есть теряете какую-то эксерсию. Когда вы делаете не нагревание для преобразования тепла, вы теряете lot exergy. Таким образом, процесс перехода туда и обратно, где вы идете, скажем, с помощью химической энергии (метана) на тепло, а затем обратно, действительно неэффективен, и вы получите гораздо меньше, чем вы возвращаете.
Так что нет, вы бы не использовали процесс Sabatier для управления транспортным средством, потому что это включало бы:
chemical energy --> heat -->
chemical energy --> heat
--> kinetic energy
И действительно, не важно, какой процесс преобразования находится в этом поле, которое в настоящее время помечено как «Sabatier»: эта запутанная серия конверсий не имеет смысла, независимо от того, что этот процесс.
Вместо этого вы просто переходите от химической энергии к нагреванию до кинетической энергии, что и делают двигатели внутреннего сгорания.
Going from methane to heat to methane is going to be very inefficient. You"d only do it in really exceptional circumstances. I can"t think of any right now, but I"m sure someone could contrive a corner-case where it made sense; e.g. some peculiar circumstance where you were able to move high-grade heat but could not move methane.
Поэтому было бы бессмысленно ставить сабатье (или аналогичный) процесс на метановом автомобиле. Если вам нужна более высокая эффективность, нужно инвестировать в эффективность автомобиля: более низкие скорости, более чистые двигатели с более высокой температурой, более легкий вес автомобиля, более аэродинамический профиль, высокоэффективная трансмиссия, системы восстановления кинетической энергии и т. Д. , То, что вы не выполнили , - это добавить вес, добавив неэффективный ненужный набор, чтобы превратить ваше тепло обратно в топливо: просто сжигать меньше топлива.
Где K – константа Штерна–Фольмера, – время жизни возбуж- денного состояния в отсутствии тушителя, φ0 – квантовый выход без тушителя. Вторичные реакции (фотохимические и темновые) – идут с участием продуктов первичных фотохимических реакций. 4.3. Радиационно-химические реакции Идут в результате воздействия ионизирующего излучения с энергией кванта более 50эВ (>5000 кДж/моль). Радиационный выход G – число актов превращения на 100 эВ поглощенной энергии. 5. Катализ Катализ (сatalysis) – явление, состоящее в возбуждении или ускорении химических реакций под влиянием специальных ве- ществ – катализаторов, многократно вступающих в промежуточ- ное химическое взаимодействие с участниками реакции и восста- навливающих свой химический состав после каждого цикла про- межуточных взаимодействий. Гомогенный катализ (homogeneous catalysis) – катализ, при котором катализатор находится одной фазе с реакционной сме- сью. Ферментативный катализ (enzymatic catalysis) – катализ биологическими катализаторами – ферментами (энзимами). Гетерогенный катализ (heterogeneous catalysis) – катализ, при котором катализатор находится в отличной от реакционной смеси фазе. Степень компенсации: Di Ea , Di где Di – энергии связей, разрывающихся в реакции, Ea – энергия активации реакции. характеризует плавность протекания реак- ции – компенсацию энергии разрываемых связей за счѐт энергии образующихся связей. Способы увеличения – реализация пре- вращения в несколько стадий, слитный механизм, цепной меха- низм. Основные типы каталитических реакций: 1. Гидрирование R1=R2 + H2 R1H-R2H; 71 2. Гидроформилирование R1=R2 + CO + H2 R1H-R2-CHO; 3. Карбоксилирование R1=R2 + CO + H2O R1H-R2-COOH; 4. Карбонилирование R-X + CO R-COX; 5. Изомеризация; 6. Полимеризация; 7. Метатезис X=Y + Z=U X=Z + Y=U; 8. Окисление (соокисление). 5.1. Гомогенный катализ Катализатор и все участники реакции находятся в одной фазе. Типы катализаторов: комплексы металлов, ионы металлов, кисло- ты и основания, атомы и радикалы. Элементарные реакции комплексов металлов – присоедине- ние, замещение, отрыв лиганда; перегруппировка лигандов; окис- лительное присоединение, восстановительное элиминирование; внедрение по связи металл-лиганд. Кислотно-основной катализ (acid-base catalysis) – катализ ки- слотами и основаниями. Примеры важных реакций: изомеризация углеводородов, алкилирование, крекинг (расщепление на фраг- менты), образование эфиров, альдольная конденсация, дегидрата- ция, полимеризация. Простейший механизм кислотного катализа: k1 S + H+ SH+ , k 1 k SH+ 2 P + H+. Общий кислотно-основной катализ (general acid-base catalysis) – если скорость каталитической реакции зависит от кон- центрации кислоты (основания) либо диссоциированной (прото- нированной) формы. Специфический кислотно-основной катализ (specific acid-base catalysis) – если скорость реакции зависит преимущественно от концентраций Н+ и ОН-, либо кислотности среды при высоких концентрациях кислоты. Для одного и того же механизма реакции вид кислотно- основного катализа зависит от того, какая стадия – лимитирую- щая. Отличие специфического и общего кислотно-основного ката- лиза по изотопному эффекту: 72 – специфический катализ k H 2O 1, k D 2O – общий катализ k H 2O 2. k D2O Сильнокислые среды. Кислотность среды по Гаммету: S 1 h0 aH KSH , SH K [S] [S] Измеряется с помощью индикаторов. Функция кислотности среды Гамета: SH H0 lg h0 pH lg . S H Кислотность по Гаммету определяют с помощью серии протони- рующихся индикаторов – спиртов (реакция дегидратации), непре- дельных углеводородов и др. Суперкислоты – имеют Н0 < -12. Для щелочных растворов используют Н–, определяемую с помо- щью оснований: H pK AH lg pH lg AH . A H Функция кислотности HR Дено: для индикаторов-спиртов, например, трифенилкарбинола ROH + H+ = R+ + H2O, a ROH HR lg h R lg H . a H 2O R Соотношение Бренстеда для константы скорости общего ки- слотно-основного катализа: kA = a KA , где kA – константа скорости реакции переноса протона, KA – кон- станта кислотности (диссоциации) катализатора; а и – констан- ты. Пример катализа атомами (радикалами) – разложение озона: Cl + O3 k1 ClO + O2, 73 k2 ClO + O3 Cl + 2O2. 5.2. Ферментативный катализ Ферментативный катализ - это катализ биологическими ка- тализаторами белковой природы – ферментами (энзимами). Важнейшие классы ферментов: - оксидоредуктазы (окисление и восстановление), - трансферазы (перенос функциональных групп), - гидролазы (гидролиз), - лиазы (присоединение по двойной связи или элиминирование), - изомеразы (изомеризация), - лигазы (эндотермическое образование связей). Простейший механизм ферментативного катализа k1 S E ES , k 1 2 k ES P E, где S – субстрат, E – энзим (фермент), P – продукт. Уравнение Михаэлиса–Ментен (Michaelis–Menten equation) для скорости ферментативной реакции выведено при помощи ква- зистационарного приближения по комплексу фермент-субстрат ES: dC P k 2C0 E W , dt 1 K M / CS k k2 где K M 1 – константа Михаэлиса. k1 Конкурентное ингибирование – ферментативная реакция в присутствии ингибитора In, вступающего в конкуренцию за свя- зывание с активным центром фермента: k1 S E ES , k 1 k In E EIn , k 74 k2 ES P E. Связывание с ингибитором – равновесная стадия. Константа ин- гибирования KIn: k CIn CE K In . k CEIn Скорость ферментативной реакции с конкурентным ингибирова- нием: dC P k 2 C0 E W , dt 1 K M 1 K In / CIn / CS k 1 k2 где K M – константа Михаэлиса. k1 5.3. Гетерогенный катализ При гетерогенной каталитической реакции катализатор и участники реакции находятся в разных фазах. Типы катализаторов: массивные, нанесѐнные (нанесены на инертный носитель), закреплѐнные (активный центр закреплѐн на носителе). Примеры активных компонентов гетерогенных катализато- ров: металлы, комплексы металлов, оксиды, сульфиды, кислоты и основания, ферменты. Удельная каталитическая активность Ауд, моль/(с м2): Wк W0 Wк A уд, SАК SАК где WК – скорость реакции в присутствии катализатора (моль/с); W0 – скорость реакции в отсутствии катализатора (моль/с); SАК – площадь активного компонента катализатора (м2). Число оборотов (turnover frequency, TOF) (моль/с или с-1): WК W0 A АЦ, N АЦ где NАЦ – число активных центров катализатора (моль или штук). Изотерма адсорбции Лэнгмюра (Langmuir isotherm). Спра- ведлива для монослойной адсорбции на однородных поверхно- стях. – Молекулярная адсорбция (molecular adsorption): 75 KA A(газ) + Z A(адс), NK A C A K ACA AA , A , 1 K ACA 1 K ACA где AA – адсорбция вещества А (моль); N – число адсорбционных мест Z на поверхности; KA – константа адсорбции А (л/моль); СА – концентрация А в гомогенной фазе (моль/л); - заполнение по- верхности веществом А (безразмерно). Для многокомпонентной смеси в гомогенной фазе заполнение поверхности компонентом Аi: K Ai CAi Ai . 1 K A j CA j – Диссоциативная адсорбция (dissociative adsorption): KA A2 + 2Z 2AZ, K ACA A . 1 K AC A Закон действующих поверхностей: скорость химической ре- акции между частицами на поверхности пропорциональна запол- нениям поверхности реагентами: ni W k i . Механизм Лэнгмюра–Хиншельвуда (Langmuir–Hinshelwood mechanism) – реакция проходит между адсорбированными части- цами. Описывает большинство каталитических реакций. KA A+Z AZ, KB B+Z BZ, k AZ + BZ P + 2Z. Скорость реакции: kK A K BC A C B W k A B . 1 K A C A K BC B 2 Механизм Или–Ридила (Eley–Rideal mechanism) – это удар- ный механизм, включающий реакцию между адсорбированной 76 частицей и частицей в гомогенной (газовой) фазе. Описывает ре- акции осаждения на поверхности. KA A+Z AZ, k AZ + B P +Z, Скорость реакции: kK A C A C B W k ACB . 1 K ACA Размерности констант скорости реакций на поверхности: первого порядка – с-1, второго порядка – с-1см2 , при размерности концентраций в см-2. Принцип Сабатье (the principle of Sabatier) – для достижения максимальной скорости гетерогенной каталитической реакции промежуточные вещества должны быть адсорбированы сильно, но не слишком сильно. Логарифм скорости реакции линейно рас- тет и затем линейно падает с увеличением теплоты адсорбции ин- термедиата (вулканообразный график). 6. Автокаталитические и колебательные реакции 6.1. Автокаталитические реакции Автокаталитическая реакция катализируется одним из про- дуктов реакции, например, иодирование ацетона, катализатор – продукт Н+. Имеет период индукции (induction period), когда на- капливается продукт-катализатор. Автокаталитическая реакция может развиться, если изначально присутствует продукт- катализатор (затравка) или параллельно идет некаталитическая реакция. Пример: A B k 2B , A 0 a, B 0 b . k b a t b e 1 B b . b ka b t 1 e a 77 6.2. Исследование на устойчивость стационарных состояний по Ляпунову Кинетические уравнения для промежуточных продуктов реакции представляют собой систему дифференциальных уравнений: C1 F1(C1,C2 ,...) , t C2 F2 (C1,C2 ,...) , t …. Сокращенно обозначим систему в векторном виде X F(X, k) , t где X – вектор концентраций промежуточных веществ; k – вектор параметров. Процедура исследования на устойчивость 1. Нахождение стационарных состояний (особых точек) путем приравнивания каждого кинетического уравнения для про- межуточных продуктов к нулю: F(X, k) =0. Получаем стационарные состояния (C10, C20, …)1, (C10, C20, …)2, … Обозначим их векторно X1, X2, … 2. Линеаризация системы кинетических уравнений в окрестно- сти стационарных состояний. Разлагаем дифференциальные уравнения в ряд Тейлора до первого члена в окрестности каждого стационарного состояния Xj. C1 F1 0 (Ci Ci) , t i Ci X j C2 F2 0 (Ci Ci) , t i Ci X … 3. Делаем замену переменных i = Ci – Ci0. Получаем систему линейных дифференциальных уравнений. 78 i Fi j. t j Cj X X0 4. Составляем характеристическое уравнение. Находим собст- венные числа полученной системы линейных дифференци- альных уравнений. Для этого для каждого стационарного состояния составляем и решаем характеристическое уравне- ние F1 F1 ... C1 X C2 X j j F2 F2 ... 0. C1 X C2 X j j ... ... ... Получаем корни уравнения 1, 2, … – собственные числа матрицы. 5. Производим оценку устойчивости каждого стационарного состояния исходя из полученных для него значений i. если для всех Re() < 0, то особая точка асимптотически устой- чива; если хотя бы для одного Re() > 0, то особая точка неустойчи- ва; если 1 < 0, 2 > 0, то это особая точка типа седло, бифурка- ция; если Re() = 0, то исследование не может дать ответ на вопрос об устойчивости, необходимо рассматривать разложение до более высоких степеней. Если Im() 0, то это особая точка типа фокус – траектории сис- темы вращаются вокруг этой точки. Происходят колебания кон- центраций промежуточных веществ. При этом если все Re() < 0, то фокус сходящийся, колебания затухающие, а если есть Re() > 79 0, то фокус расходящийся, если все Re() = 0, то это негрубый фо- кус. Пример. Схема Лотки–Вольтерра. A – трава, x1 – зайцы, x2 – волки. A x1 k1 2 x1 , k2 x1 x 2 2 x2 , k3 x2 F. Ниже для упрощения принято x1 ≡ , x2 ≡ . 1. Нахождение всех стационарных состояний (особых точек) из системы уравнений: dx1 dx2 k1[ A] x1 k2 x1 x2 0, k2 x1 x2 k3 x2 0. dt dt k3 k1[A] Стационарные состояния: (x1=0, x2=0); (x1 , x2). k2 k2 2. Линеаризация системы кинетических уравнений путем раз- ложения в ряд до первого члена в окрестности стационарного состояния: dx1 k1[ A] k2 x2 Xj (x1 x10) k2 x1 Xj (x2 x2 0) , dt dx2 k2 x2 Xj (x1 x10) k2 x1 k3 Xj (x2 0 x2) . dt Для первого стационарного состояния: dx1 dx2 k1[ A] x1 0 x2 , 0 x1 k3 x2 . dt dt Для второго стационарного состояния: dx1 0(x1 x1 0) k3 (x2 0 x2) , dt dx2 k1[ A] (x1 x10) 0(x2 0 x2) . dt 3. Замена переменных 1 = x1 – x10, 2 = x2 – x20. 4. Составляем характеристическое уравнение и находим его корни. Для первого стационарного состояния: 80
At Огромное ледяное озеро на Марсе и план Маска
План по колонизации Марса всегда предполагал наличие относительно лёгкого доступа к воде. Найденное огромное озеро (14,300 кубических километров льда) — карта на картинке — идеально хорошо ложится в План.
Вспомним план Маска — цитирую дословно, а потом перевод, комментарии и детализация из других выступлений Илона.
1.
Send Dragon scouting missions, initially just to make sure we know how to land without adding a crater and then to figure out the best way to get water for the CH4/O2 Sabatier Reaction.
2.
Heart of Gold spaceship flies to Mars loaded only with equipment to build the propellant plant.
3.
First crewed mission with equipment to build rudimentary base and complete the propellant plant.
4.
Try to double the number of flights with each Earth-Mars orbital rendezvous, which is every 26 months, until the city can grow by itself.
Его текст — италик , мои комментарии — прямым.
1. Послать Дракона на разведку. Вначале, чтобы удостовериться, что мы знаем как посадить корабль без того, чтобы добавить ещё один кратер, и затем найти лучший способ добычи воды для CH4/O2 реакции Сабатье.
Не добавить кратер
Илон шутит, добавить кратер — имеется ввиду разбить посадочный модуль. Его выступление происходило сразу после того, как миссия Экзо Марс добавила хороший кратер к поверхности планеты. Дракон — миссия Красный Дракон, которая должна стартовать в 2018. Имеется ввиду отработка и демонстрация вертикальной посадки на двигателях, аналогичной посадке на космодром и плавучую платформу "Конечно, я всё ещё люблю тебя".
Миссия Красный Дракон
Дракон будет нагружен роботами для разведывательных работ и добычи полезных ископаемых. По-видимому, SpaceX будет заказывать роботов другим организациям. Но это решение пока не озвучено. У Маска есть и собственная компания, занятая роботами, в которую уже вложен по крайней мере миллиард долларов.
Вода и реакция Сабатье
Две химические реакции и, соответсвенно, две установки для химических реакций будут главными на начальном этапе колонизации: а. Реакция электролиза воды, б. Реакция Сабатье
а. 2Н2О = 2Н2 + О2 — В этой реакции разложение воды образует кислород и водород
б. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + энергия — Реагируя с углекислым газом марсианской атмосферы, водород даёт выход метана и воды. Реакция Сабатье идёт с выделением энергии, которая может/должна быть утилизирована.
Метан и кислород — являются топливом и окислителем для кораблей серии ITS (Межпланетные Транспортные Корабли), первый из которых получит культовое имя "Золотое Сердце".
Интересно, что установка для реакции Сабатье уже построена и испытана при концентрациях CO2, соответствующих марсианской атмосфере. Но это будет развиваться и совершенствоваться.
2. "Золотое Сердце" полетит к Марсу, нагруженное только оборудованием, необходимым для строительства завода по производству топлива.
"Золотое Сердце" полетит в беспилотном режиме и забросит на поверхность Марса до 100 тонн оборудования и материалов. В основном это будет оборудование необходимое для осуществления в промышленных масштабах добычи воды и производства этих 2 реакций: электролиза воды и Сабатье. Очевидно, что источники энергии входят в это оборудование.
3. Задача первой пилотируемой миссии — строительство рудиментарной базы и завершение предприятия по производству топлива.
В первой пилотируемой миссии будет 12 человек. У Илона есть много конкретных идей из чего должна состоять "рудиментарная база" — её имя Mars Base Alpha — но сейчас не время обсуждать все детали. Предполагается активное использование естественных тоннелей и пещер, которые уже нашло НАСА, и строительство других подземных помещений. На поверхности предполагаются прозрачные шатры из стекла и с арматурой из углепластиков.
Очевидно, что основной работой будет завершение налаживания предприятий, оборудование для которых доставит "Золотое Сердце": добыча воды, энергия, реакция электролиза, реакция Сабатье.
4. После этого задача будет удваивать число посылаемых кораблей на каждом сближении Земли и Марса, которые происходят каждые 26 месяцев, пока город не начнёт расти независимо.
Тут нечего комментировать. Нерешённых проблем сотни. Хотя трудными представляются только две: правила взаимодействия с родной биосферой Марса (которая наверняка есть и наверняка очень хрупкая) и будут ли бэби нормально вынашиваться и рождаться при 1/3 земной тяжести.
Ледяное озеро находится в удобном районе Марса, средние широты, есть много очень ровных мест подходящих для посадки. Слой грунта, покрывающего лёд, толщиной от одного метра до десяти. Лёд частично перемешен тоже с песком, но чистота льда в пределах 50-85%. Глубина ледяного озера от 100 до 200 метров.
Запас воды сравнимый с одним из американских Великих Озёр — "Верхним".