Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Например, водородный топливный элемент состоит из двух отсеков, разделенных пористой мембраной (илл. 8). В одном из отсеков молекула газообразного водорода H₂ отдает два электрона с образованием двух ионов H⁺; эта реакция требует присутствия катализатора. Ионы H⁺ проникают через мембрану, которая при этом должна обладать замечательным свойством пропускать ионы, но не электроны. Остающимся по другую стороны мембраны электронам ничего не остается, кроме как устремиться в электрическую цепь, тем самым создавая электрический ток, который и питает, к примеру, двигатель. Пройдя по цепи, на другой стороне мембраны, электроны вновь соединяются с ионами H⁺, а также с содержащим кислород потоком воздуха. В результате образуется вода. Уравнение соответствующей химической реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O (из двух молекул водорода и одной кислорода образуется две молекулы воды). В таком топливном элементе химическая энергия превращается в электрическую энергию с хорошим КПД, однако все же единице не равным. Часть энергии, выделяемой во время химической реакции, теряется в виде выделяемого тепла.

8. Принцип действия топливного элемента, реагентами которого являются молекулы водорода и кислорода. Единственным продуктом реакции топливного элемента является вода

Замечательно, что единственным продуктом реакции водородного топливного элемента является вода! Поэтому автомобиль, электрический двигатель которого питает такой топливный элемент, при движении не загрязняет окружающую среду, он передвигается с собственным водородным баком, который следует регулярно пополнять. Однако с экологической точки зрения в общем балансе должно учитываться и производство водорода. А водород – не то топливо, которое легко получать и хранить (см. главу 13, врезку «Вода – уголь будущего?»). Кроме того, необходимый для работы топливного элемента катализатор, чаще всего платина, стоит недешево. Текущие исследования направлены на устранение этих двух недостатков.

В заключение укажем, что представленная в этой главе информация фрагментарна. Читатель может дополнить ее чтением специализированной литературы (см. «Библиографию»).

9. В «водородном» автомобиле электрический двигатель питается от топливного элемента, который потребляет хранящийся в резервуарах водород

Глава 14

Nunc est bibendum[12]

«Теперь – пируем!» – призывал древнеримский поэт Гораций в I веке до нашей эры. Он был мудрее, чем его предшественник Алкей, чья лира семью веками ранее восхваляла радость опьянения: «До забвения пей со мной»[13]. Прежде чем рассмотреть физические свойства алкогольных напитков, кратко вспомним историю виноградарства и виноделия.

Химики по случаю

По легенде, вино появилось при дворе персидского царя за несколько тысячелетий до нашей эры. Одна разочарованная жизнью дама решила покончить с собой. По совету жреца она выпила странную жидкость, образовывающуюся на дне больших бочек, в которых хранили виноград. Однако в результате ее депрессия вдруг отступила, а мрачные мысли уступили место радости! Выявленные таким образом достоинства этого напитка побудили царя, в свою очередь, попробовать его, а затем и начать пить вино регулярно. Это случайное открытие получило известность, а впоследствии виноградарство и потребление вина приобрели множество последователей во всем мире. Древние греки воспевали вино, поклоняясь богу Дионису, которого позже в древнеримской мифологии заменил Бахус (или Либер) (илл. 1). Они знали, что вино обладает целебными свойствами как при непосредственном употреблении, так и в качестве антисептика при врачевании ран. Христиане тоже наделили вино важной ролью, поместив его в центр религиозного таинства.

1. Фрагмент мозаики «Икарий и Дионис» из атриума дома Диониса (Пафос, Кипр). Бог виноделия Дионис (слева) и нимфа Акме с чашей вина

Каким же чудом виноградный сок превратился в вино при дворе персидского царя? Сами того не зная, античные химики-любители открыли алкогольную ферментацию – химическую реакцию, которая превращает сахар (см. главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») в алкоголь, то есть вещество, в молекуле которого углерод связывается с группой OH. В виноградном соке эта химическая реакция происходит с помощью микроорганизмов: обитающие на кожице винограда дрожжи под названием Saccharomyces cerevisiae преобразуют в спирт содержащиеся в ягодах природные сахара. Брожение простейшего моносахарида, глюкозы (и ее изомера фруктозы), приводит к возникновению этанола C₂H₅OH и углекислого газа CO₂:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO_2.