Come ottenere un pezzo solido dal sale da cucina, è possibile? Alcune proprietà fisico-chimiche dei sali fusi e delle loro miscele Il processo di crescita di un cristallo.
L’industria dell’energia elettrica è uno dei pochi settori in cui non esiste uno stoccaggio su larga scala dei “prodotti” prodotti. Lo stoccaggio industriale dell'energia e la produzione di vari tipi di dispositivi di accumulo rappresentano il passo successivo nel grande settore dell'energia elettrica. Ora questo compito è particolarmente urgente, insieme al rapido sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili. Nonostante gli innegabili vantaggi delle fonti energetiche rinnovabili, rimane una questione importante che deve essere risolta prima dell’introduzione e dell’uso diffuso di fonti energetiche alternative. Sebbene l’energia eolica e quella solare siano rispettose dell’ambiente, la loro generazione è intermittente e richiede uno stoccaggio di energia per un uso successivo. Per molti paesi, un compito particolarmente urgente sarebbe quello di ottenere tecnologie di stoccaggio energetico stagionale, a causa delle grandi fluttuazioni del consumo energetico. Ars Technica ha preparato un elenco delle migliori tecnologie di stoccaggio dell'energia e parleremo di alcune di esse.
Accumulatori idraulici
La tecnologia più antica, matura e diffusa per immagazzinare energia in grandi volumi. Il principio di funzionamento dell'accumulatore idraulico è il seguente: ci sono due serbatoi d'acqua, uno sopra l'altro. Quando la domanda di elettricità è bassa, l'energia viene utilizzata per pompare l'acqua nel serbatoio superiore. Durante le ore di punta del consumo di elettricità, l’acqua viene scaricata in un idrogeneratore installato lì, l’acqua fa girare una turbina e genera elettricità.
In futuro, la Germania prevede di utilizzare vecchie miniere di carbone per creare serbatoi di stoccaggio pompati, e i ricercatori tedeschi stanno lavorando alla creazione di gigantesche sfere di idrostoccaggio in cemento collocate sul fondo dell’oceano. In Russia esiste la Zagorskaya PSPP, situata sul fiume Kunya vicino al villaggio di Bogorodskoye nel distretto di Sergiev Posad della regione di Mosca. Zagorskaya PSPP è un importante elemento infrastrutturale del sistema energetico del centro, partecipa alla regolazione automatica della frequenza e dei flussi di potenza, oltre a coprire i picchi di carico giornalieri.
Come ha affermato Igor Ryapin, capo del dipartimento dell'Associazione "Comunità dei consumatori di energia", alla conferenza "Nuova energia": Internet dell'energia, organizzata dal Centro energetico della Skolkovo Business School, la capacità installata di tutti gli accumulatori idraulici nel Il mondo è di circa 140 GW, i vantaggi di questa tecnologia includono un gran numero di cicli e una lunga durata, con un'efficienza di circa il 75-85%. Tuttavia, l’installazione degli accumulatori idraulici richiede condizioni geografiche particolari ed è costosa.
Dispositivi di accumulo di energia ad aria compressa
Questo metodo di stoccaggio dell'energia è simile in linea di principio all'idrogenerazione, tuttavia nei serbatoi invece dell'acqua viene pompata aria. Utilizzando un motore (elettrico o altro), l'aria viene pompata nel serbatoio di stoccaggio. Per generare energia, viene rilasciata aria compressa che fa ruotare la turbina.
Lo svantaggio di questo tipo di accumulatore è la bassa efficienza dovuta al fatto che parte dell'energia durante la compressione del gas viene convertita in forma termica. L'efficienza non è superiore al 55%, per un uso razionale l'azionamento richiede molta elettricità a basso costo, quindi al momento la tecnologia viene utilizzata principalmente per scopi sperimentali, la capacità totale installata nel mondo non supera i 400 MW.
Sale fuso per lo stoccaggio dell'energia solare
Il sale fuso trattiene il calore a lungo, quindi viene collocato negli impianti solari termici, dove centinaia di eliostati (grandi specchi concentrati sul sole) raccolgono il calore della luce solare e riscaldano il liquido all'interno, sotto forma di sale fuso. Successivamente viene inviato al serbatoio, quindi, tramite un generatore di vapore, fa ruotare la turbina, che genera energia elettrica. Uno dei vantaggi è che il sale fuso funziona ad alta temperatura, oltre 500 gradi Celsius, il che contribuisce al funzionamento efficiente della turbina a vapore.
Questa tecnologia aiuta a prolungare l’orario di lavoro o a riscaldare le stanze e a fornire elettricità la sera.
Tecnologie simili sono utilizzate nel Parco Solare Mohammed bin Rashid Al Maktoum, la più grande rete mondiale di centrali solari, riunite in un unico spazio a Dubai.
Sistemi redox a flusso
Le batterie a flusso sono un enorme contenitore di elettrolita che viene fatto passare attraverso una membrana e crea una carica elettrica. L'elettrolita può essere vanadio, così come soluzioni di zinco, cloro o acqua salata. Sono affidabili, facili da usare e hanno una lunga durata.
Non ci sono ancora progetti commerciali, la capacità totale installata è di 320 MW, principalmente nell'ambito di progetti di ricerca. Il vantaggio principale è che finora è l'unica tecnologia di batteria con una produzione di energia a lungo termine - più di 4 ore. Gli svantaggi includono l’ingombro e la mancanza di tecnologia di riciclaggio, che è un problema comune a tutte le batterie.
La centrale elettrica tedesca EWE prevede di costruire in Germania la più grande batteria di flusso da 700 MWh del mondo in grotte dove precedentemente veniva immagazzinato il gas naturale, riferisce Clean Technica.
Batterie tradizionali
Si tratta di batterie simili a quelle che alimentano laptop e smartphone, ma di dimensioni industriali. Tesla fornisce tali batterie per centrali eoliche e solari e Daimler utilizza a questo scopo vecchie batterie per auto.
Accumulo termico
Una casa moderna ha bisogno di essere rinfrescata, soprattutto nei climi caldi. Gli impianti di accumulo termico consentono di congelare l'acqua immagazzinata nei serbatoi durante la notte; durante il giorno, il ghiaccio si scioglie e raffredda la casa, senza la solita costosa climatizzazione e inutili costi energetici.
L'azienda californiana Ice Energy ha sviluppato diversi progetti simili. La loro idea è che il ghiaccio venga prodotto solo durante i periodi non di punta della rete elettrica e quindi, invece di sprecare ulteriore elettricità, il ghiaccio venga utilizzato per raffreddare le stanze.
Ice Energy sta collaborando con aziende australiane che stanno cercando di portare sul mercato la tecnologia delle batterie a ghiaccio. In Australia, a causa del sole attivo, si è sviluppato l'uso dei pannelli solari. La combinazione di sole e ghiaccio aumenterà l’efficienza energetica complessiva e la compatibilità ambientale delle case.
Volano
Il supervolano è un accumulatore inerziale. L'energia cinetica del movimento immagazzinata in esso può essere convertita in elettricità utilizzando una dinamo. Quando si presenta la necessità di energia elettrica, la struttura genera energia elettrica rallentando il volano.
I singoli sali possono servire come elettroliti nella produzione di metalli mediante elettrolisi di sali fusi, ma solitamente, in base al desiderio di avere un elettrolita che sia relativamente fusibile, abbia una densità favorevole, caratterizzata da una viscosità piuttosto bassa e un'elevata conduttività elettrica, un tensione superficiale relativamente elevata, nonché bassa volatilità e capacità di dissolvere i metalli, nella pratica della metallurgia moderna vengono utilizzati elettroliti fusi di composizione più complessa, che sono sistemi di diversi (da due a quattro) componenti.Da questo punto di vista, le proprietà fisico-chimiche dei singoli sali fusi, in particolare dei sistemi (miscele) di sali fusi, sono molto importanti.
Una grande quantità di materiale sperimentale accumulato in quest'area mostra che le proprietà fisico-chimiche dei sali fusi sono in una certa connessione tra loro e dipendono dalla struttura di questi sali sia allo stato solido che allo stato fuso. Quest'ultimo è determinato da fattori quali la dimensione e la quantità relativa di cationi e anioni nel reticolo cristallino del sale, la natura della connessione tra loro, la polarizzazione e la tendenza degli ioni corrispondenti a formare complessi nelle fusioni.
Nella tabella 1 mette a confronto i punti di fusione, i punti di ebollizione, i volumi molari (al punto di fusione) e la conducibilità elettrica equivalente di alcuni cloruri fusi, disposti secondo i gruppi della tavola della legge periodica degli elementi di D.I. Mendeleev.
Nella tabella 1 mostra che i cloruri di metalli alcalini appartenenti al gruppo I e i cloruri di metalli alcalino terrosi (gruppo II) sono caratterizzati da elevati punti di fusione e di ebollizione, elevata conduttività elettrica e volumi polari inferiori rispetto ai cloruri appartenenti ai gruppi successivi.
Ciò è dovuto al fatto che allo stato solido questi sali hanno reticoli cristallini ionici, le forze di interazione tra gli ioni in cui sono molto significative. Per questo motivo è molto difficile distruggere tali reticoli, motivo per cui i cloruri di metalli alcalini e alcalino terrosi hanno punti di fusione e di ebollizione elevati. Il volume molare più piccolo dei cloruri dei metalli alcalini e alcalino terrosi deriva anche dalla presenza di una grande percentuale di forti legami ionici nei cristalli di questi sali. La struttura ionica delle fusioni dei sali in esame determina anche la loro elevata conduttività elettrica.
Secondo le opinioni di A.Ya. Frenkel, la conduttività elettrica dei sali fusi è determinata dal trasferimento di corrente, principalmente da cationi mobili di piccole dimensioni, e le proprietà viscose sono dovute ad anioni più voluminosi. Da qui la diminuzione della conduttività elettrica da LiCl a CsCl all'aumentare del raggio del catione (da 0,78 A per Li+ a 1,65 A per Cs+) e, di conseguenza, diminuisce la sua mobilità.
Alcuni cloruri dei gruppi II e III (come MgCl2, ScCl2, УСl3 e LaCl3) sono caratterizzati da una ridotta conduttività elettrica allo stato fuso, ma allo stesso tempo da punti di fusione e di ebollizione piuttosto elevati. Quest'ultimo indica una percentuale significativa di legami ionici nei reticoli cristallini di questi sali. L'Ho nelle fusioni interagisce notevolmente con gli ioni semplici per formare ioni complessi più grandi e meno mobili, il che riduce la conduttività elettrica e aumenta la viscosità delle fusioni di questi sali.
La forte polarizzazione dell'anione cloro da parte dei piccoli cationi Be2+ e Al3+ porta ad una forte riduzione della frazione di legami ionici in questi sali e ad un aumento della frazione di legami molecolari. Ciò riduce la resistenza dei reticoli cristallini di BeCl2 e AlCl3, per cui questi cloruri sono caratterizzati da bassi punti di fusione e di ebollizione, grandi volumi molari e valori di conduttività elettrica molto bassi. Quest'ultimo è apparentemente dovuto al fatto che (sotto l'influenza del forte effetto polarizzante di Be2+ e Al3+) si verifica una forte complessazione nel berillio fuso e nei cloruri di alluminio con la formazione di voluminosi ioni complessi.
I sali cloruro degli elementi del gruppo IV, così come il primo elemento del gruppo III, il boro, che hanno reticoli puramente molecolari con deboli legami residui tra le molecole, sono caratterizzati da temperature di fusione molto basse (i cui valori sono spesso inferiori zero) e bollente. Non ci sono ioni nella fusione di tali sali e, come i cristalli, sono costituiti da molecole neutre (sebbene possano esserci legami ionici all'interno di queste ultime). Da qui i grandi volumi molari di questi sali nel punto di fusione e la mancanza di conduttività elettrica delle fusioni corrispondenti.
I fluoruri dei metalli dei gruppi I, II e III sono caratterizzati, di regola, da punti di fusione e di ebollizione elevati rispetto ai corrispondenti cloruri. Ciò è dovuto al raggio più piccolo dell'anione F+ (1,33 A) rispetto al raggio dell'anione Cl+ (1,81 A) e, di conseguenza, alla minore tendenza degli ioni fluoro a polarizzarsi e, di conseguenza, alla formazione di reticoli cristallini ionici forti da questi fluoruri.
I diagrammi di fusibilità (diagrammi di fase) dei sistemi salini sono di grande importanza per la scelta di condizioni favorevoli di elettrolisi. Pertanto, nel caso di utilizzo di sali fusi come elettroliti nella produzione elettrolitica di metalli, di solito è innanzitutto necessario disporre di leghe di sale relativamente bassofondenti che forniscano una temperatura di elettrolisi sufficientemente bassa e un minore consumo di energia elettrica per mantenere l'elettrolita in uno stato fuso.
Tuttavia, con determinati rapporti di componenti nei sistemi salini, possono formarsi composti chimici con punti di fusione elevati, ma che possiedono altre proprietà favorevoli (ad esempio, la capacità di dissolvere più facilmente gli ossidi allo stato fuso rispetto ai singoli sali fusi, ecc.).
Le ricerche dimostrano che quando si ha a che fare con sistemi di due o più sali (o sali e ossidi), possono verificarsi interazioni tra i componenti di questi sistemi, portando (a seconda dell'intensità di tale interazione) alla formazione di eutettici, registrati sulla diagrammi di fusibilità, o regioni di soluzioni solide, o di composti chimici che fondono incongruentemente (con decomposizione), o congruentemente (senza decomposizione). Il maggiore ordine della struttura della materia nei punti corrispondenti della composizione del sistema, dovuto a queste interazioni, si conserva in un modo o nell'altro nel fuso, cioè al di sopra della linea del liquidus.
Pertanto, i sistemi (miscele) di sali fusi sono spesso più complessi nella loro struttura rispetto ai singoli sali fusi e, nel caso generale, i componenti strutturali delle miscele di sali fusi possono essere contemporaneamente ioni semplici, ioni complessi e persino molecole neutre, soprattutto quando nei reticoli cristallini dei sali corrispondenti è presente una certa quantità di legami molecolari.
Ad esempio, consideriamo l'effetto dei cationi di metalli alcalini sulla fusibilità del sistema MeCl-MgCl2 (dove Me è un metallo alcalino, Fig. 1), caratterizzato da linee di liquidus nei corrispondenti diagrammi di fase. Dalla figura si vede che man mano che il raggio del catione cloruro di metallo alcalino aumenta da Li+ a Cs+ (rispettivamente da 0,78 A a 1,65 A), il diagramma di fusibilità diventa sempre più complesso: nel sistema LiC-MgCl2 i componenti formano soluzioni solide; nel sistema NaCl-MgCl2 esiste un minimo eutettico; nel sistema KCl-MgCl2 in fase solida si forma un composto a fusione congruente KCl*MgCl2 e, eventualmente, un composto a fusione incongruente 2КCl*MgCl2; nel sistema RbCl-MgCl2 il diagramma di fusibilità presenta già due massimi, corrispondenti alla formazione di due composti fondenti congruenti; RbCl*MgCl2 e 2RbCl*MgCla; infine, nel sistema CsCl-MgClg, si formano tre composti chimici che fondono congruentemente; CsCl*MgCl2, 2CsCl*MgCl2 e SCsCl*MgCl2, nonché un composto a fusione incongruente CsCl*SMgCl2. Nel sistema LiCl-MgCb, gli ioni Li e Mg interagiscono con gli ioni cloro approssimativamente nella stessa misura, e quindi le fusioni corrispondenti sono vicine nella struttura alle soluzioni più semplici, per cui il diagramma di fusibilità di questo sistema è caratterizzato dalla presenza di soluzioni solide in esso. Nel sistema NaCi-MgCl2, a causa dell'aumento del raggio del catione sodio, si verifica un leggero indebolimento del legame tra gli ioni sodio e cloro e, di conseguenza, un aumento dell'interazione tra gli ioni Mg2+ e Cl-, ma ciò non porta però alla comparsa di ioni complessi nella massa fusa. Il risultante ordinamento leggermente maggiore della massa fusa provoca la comparsa di eutettico nel diagramma di fusibilità del sistema NaCl-MgCl2. Il crescente indebolimento del legame tra gli ioni K+ e Cl- a causa del raggio ancora maggiore del catione potassio provoca un tale aumento dell'interazione tra gli ioni e Cl-, che porta, come mostra il diagramma di fusibilità KCl-MgCl2, a la formazione di un composto chimico stabile KMgCl3 e nella fusione - alla comparsa dei corrispondenti anioni complessi (MgCl3-). Un ulteriore aumento dei raggi di Rb+ (1,49 A) e Cs+ (1,65 A) provoca un indebolimento ancora maggiore del legame tra gli ioni Rb e Cl-, da un lato, e gli ioni Cs+ e Cl-, dall’altro. dall'altro, portando ad un'ulteriore complicazione del diagramma di fusibilità del sistema RbCl-MgCb rispetto al diagramma di fusibilità del sistema KCl - MgCb e, in misura ancora maggiore, alla complicazione del diagramma di fusibilità del sistema CsCl- Sistema MgCl2.
La situazione è simile nei sistemi MeF-AlF3, dove nel caso del sistema LiF - AlF3, il diagramma di fusibilità indica un composto chimico SLiF-AlFs che fonde congruentemente, e il diagramma di fusibilità del sistema NaF-AIF3 indica uno congruente e uno composto chimico che si scioglie in modo incongruente; rispettivamente 3NaF*AlFa e 5NaF*AlF3. A causa del fatto che la formazione nella fase salina durante la cristallizzazione dell'uno o dell'altro composto chimico si riflette nella struttura di questa fusione (ordine maggiore associato alla comparsa di ioni complessi), ciò provoca un cambiamento corrispondente, oltre alla fusibilità, e altre proprietà fisico-chimiche che cambiano bruscamente (non soggette alla regola dell'additività) per le composizioni di miscele di sali fusi corrispondenti alla formazione di composti chimici secondo il diagramma di fusibilità.
Esiste quindi una corrispondenza tra i diagrammi composizione-proprietà nei sistemi salini, che si esprime nel fatto che laddove un composto chimico è annotato sul diagramma di fusibilità del sistema, la massa fusa ad esso corrispondente in composizione è caratterizzata da una massima cristallizzazione temperatura, una densità massima, una viscosità massima, una conducibilità elettrica minima e una elasticità minima.
Tale corrispondenza nella variazione delle proprietà fisico-chimiche delle miscele di sali fusi in punti corrispondenti alla formazione dei composti chimici registrati sui diagrammi di fusibilità non è, tuttavia, associata alla comparsa di molecole neutre di questi composti nella massa fusa, come è avvenuto precedentemente creduto, ma è dovuto al maggiore ordinamento della struttura del fuso corrispondente, maggiore densità di impaccamento. Da qui il forte aumento della temperatura di cristallizzazione e della densità di tale fusione. La presenza in una tale fusione del maggior numero di grandi ioni complessi (corrispondenti alla formazione di alcuni composti chimici nella fase solida) porta anche ad un forte aumento della viscosità della fusione a causa della comparsa di voluminosi anioni complessi al suo interno e ad una diminuzione della conduttività elettrica del fuso dovuta alla riduzione del numero di portatori di corrente (dovuta alla combinazione di ioni semplici in ioni complessi).
Nella fig. 2, a titolo esemplificativo, si confronta il diagramma composizione-proprietà dei fusi dei sistemi NaF-AlF3 e Na3AlF6-Al2O3, dove nel primo caso il diagramma di fusibilità è caratterizzato dalla presenza di un composto chimico, e nel secondo - eutettico. In conformità con ciò, sulle curve dei cambiamenti nelle proprietà fisico-chimiche dei fusi a seconda della composizione, nel primo caso ci sono gli estremi (massimi e minimi), e nel secondo le curve corrispondenti cambiano in modo monotono.
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Per far crescere un cristallo di sale avrai bisogno di:
1) - sale.
Dovrebbe essere il più pulito possibile. Il sale marino è il più adatto, poiché il normale sale da cucina contiene molti detriti invisibili alla vista.
2) - acqua.
L'opzione ideale sarebbe quella di utilizzare acqua distillata, o almeno bollita, purificandola il più possibile dalle impurità mediante filtraggio.
3) - cristalleria, in cui verrà coltivato il cristallo.
I principali requisiti per questo: deve anche essere perfettamente pulito; al suo interno durante l'intero processo non devono essere presenti corpi estranei, nemmeno piccoli granelli, poiché possono provocare la crescita di altri cristalli a scapito di quello principale.
4) - cristallo di sale.
Può essere “ottenuto” da una confezione di sale oppure da una saliera vuota. Quasi sicuramente ce ne sarà uno adatto sul fondo che non potrà passare attraverso il foro della saliera. Bisogna scegliere un cristallo trasparente con una forma più vicina ad un parallelepipedo.
5) - bacchetta magica: ceramica di plastica o di legno, oppure un cucchiaio degli stessi materiali.
Uno di questi elementi sarà necessario per miscelare la soluzione. Probabilmente non sarebbe necessario ricordarvi che dopo ogni utilizzo vanno lavati e asciugati.
6) - vernice.
La vernice sarà necessaria per proteggere il cristallo finito, perché senza protezione si sbriciolerà nell'aria secca e nell'aria umida si diffonderà in una massa informe.
7) - garza o carta da filtro.
Il processo di crescita di un cristallo.
Il contenitore con l'acqua preparata viene posto in acqua tiepida (circa 50-60 gradi), vi viene versato gradualmente il sale, mescolando continuamente. Quando il sale non riesce più a dissolversi, la soluzione viene versata in un altro contenitore pulito in modo che non vi penetrino sedimenti dal primo contenitore. Per garantire una migliore purezza, puoi versare attraverso un imbuto con filtro.
Ora il cristallo precedentemente “estratto” su un filo viene immerso in questa soluzione in modo che non tocchi il fondo e le pareti della nave.
Quindi copri i piatti con un coperchio o qualcos'altro, ma in modo che non penetrino corpi estranei e polvere.
Metti il contenitore in un luogo buio e fresco e sii paziente: il processo visibile inizierà tra un paio di giorni, ma per far crescere un grande cristallo ci vorranno diverse settimane.
Man mano che il cristallo cresce, il liquido diminuirà naturalmente e quindi, circa una volta ogni dieci giorni, sarà necessario aggiungere una soluzione fresca preparata secondo le condizioni sopra indicate.
Durante tutte le operazioni aggiuntive non dovrebbero essere consentiti movimenti frequenti, forti sollecitazioni meccaniche e sbalzi di temperatura significativi.
Quando il cristallo raggiunge la dimensione desiderata, viene rimosso dalla soluzione. Questo deve essere fatto con molta attenzione, perché in questa fase è ancora molto fragile. Il cristallo rimosso viene asciugato dall'acqua utilizzando tovaglioli. Per aggiungere forza, il cristallo essiccato è rivestito con vernice incolore, che può essere utilizzata sia per scopi domestici che per manicure.
E infine, un neo.
Un cristallo cresciuto in questo modo non può essere utilizzato per realizzare una lampada di sale a tutti gli effetti, poiché utilizza uno speciale minerale naturale: l'alite, che contiene molti minerali naturali.
Ma da quello che hai, è del tutto possibile realizzare una sorta di artigianato, ad esempio un modello in miniatura della stessa lampada di sale, inserendo un piccolo LED nel cristallo, alimentandolo da una batteria.
