Энергетическая ячейка - андивионский научный альянс. Большая энциклопедия нефти и газа

Высокие технологии требуют энергии - а иногда её расход может быть сравним с излучением звезды. Несмотря на то, что Альянсу известно множество самых разных источников питания, наибольшей популярностью среди них пользуется энергетическая ячейка - сложный симбиоз десятка научных достижений, который одинаково хорошо подходит для всех бытовых, научных и военных устройств, но при этом безопасен.

Механизмы энергетической ячейки защищены монолитным цилиндром из регихалка , размеры которого зависят от модели батареи. На его переднем торце находится разъём для подключения ячейки к любым машинам Альянса. Центральная часть корпуса - съёмный индикатор, надёжно закреплённый поверх металлической оболочки. Обычно он испускает мягкое синее свечение, но у ограниченных версий батареи цвет при работе последовательно меняется на фиолетовый, пурпурный, красный, оранжевый и жёлтый, после чего ячейка перегорает. Для разумных существ, не воспринимающих эту часть спектра, созданы другие версии индикаторов. Одновременно с этим батарея дублирует сигналы о своём состоянии на обруч сотрудника. Некоторые старые модели этих устройств имеют сзади переключатель в виде поворотного кольца - он позволяет регулировать мощность ячейки вручную. Современные батареи снабжены специальными датчиками и подстраиваются под оборудование автоматически. Все детали корпуса алфизически укреплены , так что даже при взрыве лишняя энергия останется внутри.

Основные системы батареи занимают около четверти её объёма, всё остальное - многочисленные предохранители. Центральное ядро ячейки состоит из энсоматрона , алфизических трансформаторов и компьютерного узла . В большинстве моделей громоздкое оборудование вынесено внутрь многомерного окна вроде МК-22. Энергию это устройство берёт из естественного источника - параллельных вселенных , находящихся на стадии "космического яйца", где пространство и материя сжаты в точку с бесконечной плотностью. Компьютер отыскивает подобный мир и открывает туда путь, меняя спектральный заряд фрагментов недифференцированной субстанции. Трансформаторы превращают её в другие, нормальные частицы - обычно электроны, но в зависимости от настроек это может быть что угодно. Особый механизм, дозатор, контролирует мощность энергетического потока. При его повреждении или других серьёзных сбоях срабатывают предохранители, переключая энсоматрон на обратное действие. Поисковая система прочно привязана к необходимым параметрам - открыть окно в другое место батарея не способна.

Энергетическая ячейка может вечно снабжать весь Альянс, но в целях безопасности используется много отдельных батарей - по одной для каждого устройства или комплекта оборудования. В стандартной ячейке есть аккумулятор, необходимый в том числе для её запуска, иногда даже несколько, а в продвинутые модели встроены и альтернативные источники питания - в основном алфизически настроенные излучатели.

Альянс создал несколько видов энергетических ячеек для разных задач, включая торговлю с другими организациями.

• ЭРИ-А - устаревшая батарея с минимумом систем, настраивается вручную, на высшей мощности перегорает.
• ЭРИ-Б - сразу встроена в некоторое оборудование, не может быть извлечена, однако снабжена выключателем.
• ЭРИ-В - компактная энергетическая ячейка в виде медальона, слабая, но идеальная для личного пользования.
• ЭРИ-Г - предназначена для продажи, ограничена по мощности, перестаёт действовать после ста часов работы.
• ЭРИ-Д - тяжёлая батарея для кораблей и энергетических станций, очень надёжная, имеет ручки для переноски.

Кроме них, существует не меньше десятка экспериментальных моделей, которые не пошли в производство, обозначаемых ЭРИ-Э и цифрой.

Cтраница 4

Статистика Ферми - Дирака построена на предположении о существовании частиц, подчиняющихся принципу Стонера - Паули. Поскольку спиновые координаты не применяются в статистике Ферми, наличие спина учитывается в возможности нахождения в каждой энергетической ячейке не одного, а двух электронов. Рассмотрим состояние газа, подчиняющегося статистике Ферми, в котором все имеющиеся ячейки - от ячейки с импульсом, равным нулю, до ячейки с некоторым максимальным импульсом - заняты.  

Ее появление связано с изменением формы закона распределения. Заметим, что сам закон распределения Бозе (70 7) имеет одну любопытную особенность: zh обозначающее число мест в энергетической ячейке, не может быть меньше 2, так как при zt 1 ячейка будет всегда пустой.  

Отсюда нетрудно определить, что хлор может проявлять валентность один, три, пять, семь. Следовательно, к валентности элемента, зависящей от числа неспаренных электронов в его атомах, добавляются, в зависимости от числа спаренных электронов и энергетических ячеек, две, четыре или шесть валентностей. Хотя в молекулах сложных веществ с атомной связью нет ионов, но электронная пара, как правило, смещена к тому или иному атому.  

Один из самых ранних проектов ЦРТ - универсальная зарядная система для батарей - был осуществлен при двух-стадийной поддержке со стороны ЦРТ. Технология для универсального зарядного устройства батарей была разработана в Исследовательском центре чистой энергии и средств передвижения Университета Южной Флориды и предназначалась для быстрой зарядки энергетических ячеек электрических транспортных средств, причем эти ячейки могли иметь различные мощности. Экспертиза, проведенная в области электроники и технологии батарей, показала совпадение интересов Университета и завода Пинеллас в этом вопросе, а предстоявшие изменения в законодательстве обещали быстрое расширение рынка электрического транспорта.  

В соответствии с принципом Паули в каждой энергетической ячейке может быть один или два электрона, причем в последнем случае они являются спаренными. Хунда, согласно которому в данном подуровне электроны располагаются так, чтобы сумма их спиновых чисел была максимальна, в связи с чем они занимают наибольшее число свободных энергетических ячеек.  

Для того чтобы отразить две последние характеристики поведения электронов в атомах, структуру электронных оболочек условно изображают посредством так называемых ячеек, или графических электронных схем. Каждая соответствующая данной орбитали ячейка изображается клеткой, в которой стрелками обозначаются электроны; направление стрелки - вверх или вниз - соответствует знаку спинового квантового числа; свободная от стрелок клетка означает свободную орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении атома. В каждой энергетической ячейке могут находиться максимум два электрона со спинами различных знаков, что изображается двумя противоположно направленными стрелками.  

Если орбиталь электрона ориентирована препендикулярно электромагнитному полю, то ее проекция равна нулю. Поле воздействует на электрон таким образом, что в пределах одного подуровня возможна более тонкая градация энергетических состояний. Иначе говоря, подуровни имеют энергетические ячейки. При одинаковом значении п орбитали вырождены: пр - трехкратно, nd - - пятикратно, nf - - семикратно.  

Переход от инертного газа гелия, завершающего 1 - й период, к первому члену 2-го периода требует уже принципиально другого подхода к рассмотрению атомов. Три и более электронов не могут располагаться на одной орбитали, так как это противоречит принципу Паули. Электроны начинают заселять 2 - й уровень, энергетические ячейки в котором не идентичны по энергиям. На эти энергетические подуровни заряд ядра действует по-разному. Электрон на 2 -орбитали более явственно ощущает заряд ядра через экран, созданный двумя внутренними прочно связанными 1 2-электронами. Это означает, что электрон в 25-состоянии способен проникать к ядру сквозь заслон из двух 1 2-электронов. Подуровни 2р близко к ядру находиться не могут: ведь эта волновая функция вблизи ядра обращается в нуль. Следовательно, на электрон в 2р - состоянии влияет только разница между зарядом ядра и суммой зарядов внутренних электронов. Принцип Паули и расщепление энергетических уровней позволяют понять закономерность изменения характера элементов при движении вдоль периодов.  

В дальнейшем сведения об электронных структурах атомов и энергетическом состоянии электронов, способных участвовать в образовании химических связей, позволили глубже проникнуть в смысл периодичности элементов, который можно выразить следующим образом: постепенное увеличение положительного заряда ядра атомов сопровождается появлением сходных энергетических состояний электронов. В каждом последующем периоде у атомов появляются сходные с предшествующими периодами энергетические ячейки электронов. Заполнение их в новом энергетическом уровне начинается всегда с s - орбитали. Первые два элемента любого периода - это s - элементы. Однако дальнейшее прибавление всего одного электрона сказывается на системе ядро - его электронное окружение различным образом в зависимости от периода. Во 2 - м и 3 - м периодах за s - злементами (бериллием и магнием соответственно) идут р-элементы - бор или алюминий. В остальных же периодах (с 4-го по 7 - й) появляющийся во внешнем энергетическом слое третий электрон не остается на нем, а переходит на cf - орбиталь предшествующего энергетического слоя. Только в таком случае получается наиболее стабильное состояние атома.  

Интересно, что в комплексах с железом (III) лиганд ЭДТА имеет свою обычную дентатиость 6, а КЧ иона Рея в комплексе равно 7 за счет координации четырех атомов и двух атомов азота ЭДТА, а такж: е одного атома кислорода дополнительного лигаида - внутрисфернои гидратной воды. Для комплексов с преимущественно ковалентной связью КЧ - 7 не характерно, чаще всего здесь реализуются октаэдри-ческая, тетраэдрическая структуры и структура плоского квадрата. Но в ионных внешиеорбитальпых комплексах структура координационного полиэдра (ядра комплекса, по Вернеру) определяется не числом свободных энергетических ячеек, а соотношением геометрических параметров иона-комплексообразователя и лиганда.  

Распределение электронов в атоме по различным квантовым энергетическим состояниям называется электронной конфигурацией атома. В этом состоит одно из фундаментальных условий стабильной конфигурации атома - принцип наименьшей энергии. Если бы не принцип Паули, то в атоме все электроны стремились бы занять уровень Is с наименьшей энергией. Однако из-за того, что любой электрон должен иметь свои особенные квантовые характеристики, число электронов, занимающих каждую из энергетических ячеек, строго определено и ограничено.  

Заполнение орбиталей в не возбужденном атоме осуществляется таким образом, чтобы энергия атома была минимальной (принцип минимума энергии). Сначала заполняются орбитали первого энергетического уровня, затем второго, причем сначала заполняется орбиталь s-подуровня и лишь затем орбитали p-подуровня. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули установил фундаментальный квантово-механический принцип естествознания (принцип Паули, называемый также принципом запрета или принципом исключения). В соответствии с принципом Паули:

в атоме не может быть двух электронов, имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел.

Электронную конфигурацию атома передают формулой, в которой указывают заполненные орбитали комбинацией цифры, равной главному квантовому числу, и буквы, соответствующей орбитальному квантовому числу. Верхним индексом указывают число электронов на Данных орбиталях.

Водород и гелий

Электронная конфигурация атома водорода 1s 1 , а гелия 1s 2 . Атом водорода имеет один неспаренный электрон, а атом гелия - два спаренных электрона. Спаренные электроны имеют одинаковые значения всех квантовых чисел, кроме спинового. Атом водорода может отдать свой электрон и превратиться в положительно заряженный ион - катион Н + (протон), не имеющий электронов (электронная конфигурация 1s 0). Атом водорода может присоединить один электрон и превратиться в отрицательно заряженный ион Н - (гидрид-ион) с электронной конфигурацией 1s 2 .

Литий

Три электрона в атоме лития распределяются следующим образом: 1s 2 1s 1 . В образовании химической связи участвуют электроны только внешнего энергетического уровня, называемые валентными. У атома лития валентным является электрон 2s-подуровня, а два электрона 1s-подуровня - внутренние электроны. Атом лития достаточно легко теряет свой валентный электрон, переходя в ион Li + , имеющий конфигурацию 1s 2 2s 0 . Обратите внимание, что гидрид-ион, атом гелия и катион лития имеют одинаковое число электронов. Такие частицы называются изоэлектронными. Они имеют сходную электронную конфигурацию, но разный заряд ядра. Атом гелия весьма инертен в химическом отношении, что связано с особой устойчивостью электронной конфигурации 1s 2 . Незаполненные электронами орбитали называют вакантными. В атоме лития три орбитали 2p-подуровня вакантные.

Бериллий

Электронная конфигурация атома бериллия - 1s 2 2s 2 . При возбуждении атома электроны с более низкого энергетического подуровня переходят на вакантные орбитали более высокого энергетического подуровня. Процесс возбуждения атома бериллия можно передать следующей схемой:

1s 2 2s 2 (основное состояние) + hν → 1s 2 2s 1 2p 1 (возбужденное состояние).

Сравнение основного и возбужденного состояний атома бериллия показывает, что они различаются числом неспаренных электронов. В основном состоянии атома бериллия неспаренных электронов нет, в возбужденном их два. Несмотря на то что при возбуждении атома в принципе любые электроны с более низких по энергии орбиталей могут переходить на более высокие орбитали, для рассмотрения химических процессов существенными являются только переходы между энергетическими подуровнями с близкой энергией.

Это объясняется следующим. При образовании химической связи всегда выделяется энергия, т. е. совокупность двух атомов переходит в энергетически более выгодное состояние. Процесс возбуждения требует затрат энергии. При распаривании электронов в пределах одного энергетического уровня затраты на возбуждение компенсируются за счет образования химической связи. При распаривании электронов в пределах разных уровней затраты на возбуждение столь велики, что не могут быть компенсированы образованием химической связи. В отсутствие партнера по возможной химической реакции возбужденный атом выделяет квант энергии и возвращается в основное состояние - такой процесс называется релаксацией.

Бор

Электронные конфигурации атомов элементов 3-го периода Периодической системы элементов будут в определенной степени аналогичны приведенным выше (нижним индексом указан атомный номер):

11 Na 3s 1
12 Mg 3s 2
13 Al 3s 2 3p 1
14 Si 2s 2 2p2
15 P 2s 2 3p 3

Однако аналогия не является полной, так как третий энергетический уровень расщепляется на три подуровня и у всех перечисленных элементов имеются вакантные d-орбитали, на которые могут при возбуждении переходить электроны, увеличивая мультиплетность. Особо это важно для таких элементов, как фосфор , сера и хлор .

Максимальное число неспаренных электронов в атоме фосфора может достигать пяти:

Этим объясняется возможность существования соединений, в которых валентность фосфора равна 5. Атом азота , имеющий конфигурацию валентных электронов в основном состоянии такую же, как и атом фосфора , образовать пять ковалентных связей не может.

Аналогичная ситуация возникает при сравнении валентных возможностей кислорода и серы , фтора и хлора . Распаривание электронов в атоме серы приводит к появлению шести неспаренных электронов:

3s 2 3p 4 (основное состояние) → 3s 1 3p 3 3d 2 (возбужденное состояние).

Это отвечает шести валентному состоянию, которое для кислорода недостижимо. Максимальная валентность азота (4) и кислорода (3) требует более детального объяснения, которое будет приведено позднее.

Максимальная валентность хлора равна 7, что соответствует конфигурации возбужденного состояния атома 3s 1 3p 3 d 3 .

Наличие вакантных Зd-орбиталей у всех элементов третьего периода объясняется тем, что, начиная с 3-го энергетического уровня, происходит частичное перекрывание подуровней разных уровней при заполнении электронами. Так, 3d-подуровень начинает заполняться только после того, как будет заполнен 4s-подуровень. Запас энергии электронов на атомных орбиталях разных подуровней и, следовательно, порядок их заполнения, возрастает в следующем порядке:

Раньше заполняются орбитали, для которых сумма первых двух квантовых чисел (n + l) меньше; при равенстве этих сумм сначала заполняются орбитали с меньшим главным квантовым числом.

Эту закономерность сформулировал В. М. Клечковский в 1951 г.

Элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами s-подуровня, называются s-элементами. К ним относятся по два первых элемента каждого периода: водород , Однако уже у следующего d-элемента - хрома - наблюдается некоторое «отклонение» в расположении электронов по энергетическим уровням в основном состоянии: вместо ожидаемых четырех неспаренных электронов на 3d-подуровне в атоме хрома имеются пять неспаренных электронов на 3d-подуровне и один неспаренный электрон на s-подуровне: 24 Cr 4s 1 3d 5 .

Явление перехода одного s-электрона на d-подуровень часто называют «проскоком» электрона. Это можно объяснить тем, что орбитали заполняемого электронами d-подуровня становятся ближе к ядру вследствие усиления электростатического притяжения между электронами и ядром. Вследствие этого состояние 4s 1 3d 5 становится энергетически более выгодным, чем 4s 2 3d 4 . Таким образом, наполовину заполненный d-подуровень (d 5) обладает повышенной стабильностью по сравнению с иными возможными вариантами распределения электронов. Электронная конфигурация, отвечающая существованию максимально возможного числа распаренных электронов, достижимая у предшествующих d-элементов только в результате возбуждения, характерна для основного состояния атома хрома. Электронная конфигурация d 5 характерна и для атома марганца : 4s 2 3d 5 . У следующих d-элементов происходит заполнение каждой энергетической ячейки d-подуровня вторым электроном: 26 Fe 4s 2 3d 6 ; 27 Co 4s 2 3d 7 ; 28 Ni 4s 2 3d 8 .

У атома меди достижимым становится состояние полностью заполненного d-подуровня (d 10) за счет перехода одного электрона с 4s-под-уровня на 3d-подуровень: 29 Cu 4s 1 3d 10 . Последний элемент первого ряда d-элементов имеет электронную конфигурацию 30 Zn 4s 23 d 10 .

Общая тенденция, проявляющаяся в устойчивости d 5 и d 10 конфигурации, наблюдается и у элементов ниже лежащих периодов. Молибден имеет электронную конфигурацию, аналогичную хрому : 42 Mo 5s 1 4d 5 , а серебро - меди : 47 Ag5s 0 d 10 . Более того, конфигурация d 10 достигается уже у палладия за счет перехода обоих электронов с 5s-орбитали на 4d-орбиталь: 46Pd 5s 0 d 10 . Существуют и другие отклонения от монотонного заполнения d-, а также f-орбиталей.