氢氧化合的机理

志勰

本文为证明能量守恒和转化定律不能成立的三个方法中能量存储的失效的说明文件。本文主要从力学原理说明氢氧化合反应的微观能量过程,提出氢氧化合反应过程中,释放能量的过程主要在氧分子分解或化合成其它物质的过程。该文的分析过程所采用的氧原子核模型为球壳式原子核结构模型 ——和原子核外电子的力学分布方法中的16O(2),在原子核原子的结构的分析中,可参见该文。


一、氢氧燃烧的化学反应过程

    研究氢氧燃烧的过程,尤其是精确的采用物理的方法来研究,我们必须知道氢氧分子的准确结构,才可以对氢氧燃烧的过程进行正确的判断,否则即便拼凑出和结果相吻合的过程,我们所推论出的过程也未必是氢氧燃烧过程中真实的过程,下面我们先来看氢氧分子的结构。

    1、氢氧的分子结构

    在传统分子结构都采用19世纪原子轨道的理论模式来进行构建的分子结构,其实只要稍微有点力学常识的人就会知道,那样的结构根本不可能存在。(这个问题可参见物质存在栏目中的物质的分子属性与原子核外的电子分布状态——核外电子的存在状态和物质分子对光吸收的关系,本人写的)没有力学结构的物质结构可能么?我本人对这样的结构没有任何的信心。在物理上进行说明,我想还是采用我本人这两年探索的力学结构模式更为可靠一些。

    分子是由原子组成,而原子核外的电子分布依赖于原子核的结构。那么在讨论氢氧的分子结构中,需要首先确定原子核的结构,来进一步确定原子的结构。

    (1)氢原子、氢分子结构

    氢原子结构是没有争议的,和传统化学中的轨道理论中的空间位置是相似的,如图:

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    其中红色的为质子,黑色的小球是电子。氢原子在所有的原子中对外作用是最特殊的,原因在于只有一个带正电的质子和一个带负电的电子组成,对外空间的电的作用上,表现为一种极易发生作用的结构。任何一个表现为负电作用源的分子,质子一端则会对其产生电引力;而任何一个表现为正电作用源的分子,电子一段则会产生电引力。两者电性相反。因此氢原子是非常特殊的一种原子,是最易和其它分子、原子发生作用的原子。顺便捎带说一下,有意思的是还存在另一个与此相反的非常特殊的原子,就是氦原子,如图:

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    在原子的尺度空间,它是以两个质子和两个电子组成的稳定的力学结构,正负电对外空间作用相削,不对其它原子分子产生电作用。它是最稳定的力学结构,仅以单质氦原子的结构存在,不会和任何其它的原子发生化学反应。

    两个氢原子所组成的氢分子,其力学结构就和氦原子的力学结构相似的,是非常稳定的力学结构。因此在大于分子尺度,氢分子对外没有电的作用,表现为电中性。

    (2)氧原子、氧分子结构

    氧原子和氢原子则不同了,传统的氧原子核外电子结构为

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   采用球壳式原子核模型所得到的氧原子核力学结构如下图:

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    16O(2)应该是化学反应中所采用的原子核结构。氧原子核中包含有8个质子,形成以质子为顶角的正立方体。那么氧原子核具有6个面。分别可以排布六个电子。并且六个方向各向同性。余下的两个电子必须对称排布在第二层稳定的作用面上。至于为什么是这样的结构,可参见球壳式原子核结构模型——和原子核外电子的力学分布方法

    由于氧原子核最外电子层上存在两个自由电子,并且原子核最外层的质子的排布结构为四个质子为一个面,那么氧分子的稳定排布结构为4个自由电子分别位于两个氧原子对角的四个面上,如图:

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    一个绿色的正立方体的六个角为一个氧原子核外六个电子稳定分布的空间位置。这样的结构为两个氧原子组合的最稳定的力学结构。

    由于氧分子的大部分电子都位于两个原子核之间的区域,那么相对于两个原子核连线的外端,电子分布比较稀疏,这样的结构导致氧分子原子核连线的轴上,原子核对分子外的作用表现为正电,容易吸引表现为电负作用的分子或原子。由于大部分电子都位于两个原子核之间的区域,多达14个电子,那么在外来作用下两个原子容易断开,并且这14个电子之间的排斥力,会使氧原子获得很大的动力,加速氧原子的分离速度,是氧原子获得动量。所以氧化反应通常都是放热。氧气表现为容易参加化学反应,并且氧分子分离的过程是放热过程。

    2、氢氧的燃烧过程

    常规温度下的氢气和氧气燃烧

    (1)氢分子、氧分子燃烧过程中的第一产物——氢氧分子

    前面我们看到了氢分子是非常稳定的分子,在大于分子尺度,对外显示电中性,并且具有稳定的力学结构。因此在常温下,氢气和氧气可以共存。但是在小于分子尺度上,由于分子的力学结构都是由原子核和核外电子组成的,那么在两个分子接近到一定程度,原子间必然会发生强烈的作用。

    在氢分子和氧分子的碰撞过程中,一旦氢分子动量达到可以进入到氧分子的电子密集区,那么氢分子的力学分布状态便会打破两个氧原子的稳定力学结构,那么氧原子便会分离。由于氢分子是对称的,并且在破坏氧分子力学结构的过程中其作用区域远小于分子区域,那么氢分子的原子核电子也会和氧分子中的电子、原子核发生作用,那么会形成对称破裂。形成两个分别由一个氢原子和一个氧原子组合的分子。我想可以叫做氢氧分子。该过程为力学的对称破裂过程,不会形成除此之外的其它的物质结构。

    氢分子动量达到进入氧分子的电子密集区的动量,反映在温度上,就是我们通常所说的燃点。

    大家一定会有疑问,为什么不把它叫做氢氧离子。因为该物质结构总体上电中性。该结构如下:

qyhhdjl008.jpg (1960 字节)

    由于氧原子为正立方体力学结构,一个质子和氧原子只有三个可以填充力学结构的作用点,四个才可以达到力学的稳定状态,这决定两个原子核之间的链接为不稳定链接,该结构需要获得一个电子达到四个电子的结构连接才可以达到稳定的力学分布状态。我们知道,氢氧离子就是这样的状态。但却表现为电负性了,不是分子是离子了。因此,大量的该过程可以吸附电子,燃料电池可利用该过程获得电源的正极。

    氢分子、氧分子碰撞过程产生氢氧分子是放热过程。

    (2)氢氧分子和氧气、氢气的碰撞

    两个氢氧分子分离后,原子势能得以释放,获得较高的动量。相对来说氢氧分子在最初的混合气体里算是高能分子了。由于碰撞的随机性,它和气体中任一种分子都会发生碰撞。

    (一)两个氢氧分子发生的碰撞:由于力学结构是相同的,那么两个氢氧分子碰撞后保持原结构,该碰撞过程为弹性碰撞。不吸热也不放热。

    (二)氢氧分子和氧分子碰撞:由于氢氧分子不是对称的,在碰撞过程中打破氧分子的稳定力学分布状态,并吸收一个电子,该过程为放热过程。并形成如下的物质结构:带有一个正电荷的氧离子、氧原子以及氢氧分子本身吸收一个电子而形成的带一个单位负电的氢氧离子。根据原子势能的大小,可以判定该次释放热能的量要大于氢氧分子分离时所放出的热能。或者说获得更大的动量。

    (三)氢氧原子和氢分子的碰撞:氢氧原子和氢分子的碰撞最初形成H3O。主要原因是氢氧分子中的氢已经通过三个电子和氧原子结合。那么在和氢分子的碰撞后,由于氢分子是对称的,该力学结构在和氢氧分子结合后,不会受到核外电子的排斥力,前面已经说过了,氢原子是非常特殊的是最易和其它分子、原子发生作用的原子。在碰撞初始,没有任何力学依据会导致分离出一个氢原子或者氢离子。该过程是吸热过程。

    但是氢氧分子和氢分子化合后,碰撞前的氢分子会由于两个氢原子核之间的作用力。分别分布到氧原子核外层的6个稳定作用面剩余的5个面上的两个面上。同时分布过程中遵守所受到的最小作用力的位置上。该结构为不稳定的结构。在该分子振动过程或者和其它分子碰撞过程中,则会脱落一个氢原子,发生分解。该过程为吸热过程,形成水。

    化学方程式为H3O=H2O+H。该过程吸收的量很小,或者几乎不吸收热量。

    (四)氢原子和氢氧原子的碰撞

    氢氧原子和氢原子的碰撞过程为吸热过程。该过程氢氧分子和氢分子化合所吸收的动量只有氢氧分子和氢分子本身总动量的1/17。

    (3)在氢气和氧气燃烧的过程中,放热过程主要是氧分子中的氧原子由于受到氧原子核外电子斥力的作用相互分离的过程。在每形成一个水分子的过程中,O2至少释放两次热能。这是氢气燃烧值高的主要原因之一。

二、高温的氢气和氧气化合生成水的过程

    上面我们已经看了常温状态下的氢气和氧气的燃烧,那么在能量的逻辑结构中提出的证明能量不守恒的第二个问题能量存储的失效中提到,将氢气和氧气单独加热到很高的温度,然后再将它们会合到一起,那么该化学能将会失效。下面我们来看这个问题:

    氢分子是稳定的力学结构,它在非常高的温度下才会变成氢原子。但氢分子并不是释放热能的关键。关键是氧分子。

    氧分子在很高的温度下会变成氧原子。那么再和氢原子(大部分仍为氢分子)汇合到一起。氧分子由于变成了氧原子,已经没有释放能量的条件。因此该化学能消失。过程则是:

    H+O=HO (吸热)

    HO+O=H2O  (吸热)

2005.1.24


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