DE2742370A1 - Coupled photochemical synthesis of hydrazine and hydrogen peroxide - by reacting nitrogen and water with sodium and sodium peroxide formed photochemically - Google Patents

Coupled photochemical synthesis of hydrazine and hydrogen peroxide - by reacting nitrogen and water with sodium and sodium peroxide formed photochemically

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DE2742370A1 DE19772742370 DE2742370A DE2742370A1 DE 2742370 A1 DE2742370 A1 DE 2742370A1 DE 19772742370 DE19772742370 DE 19772742370 DE 2742370 A DE2742370 A DE 2742370A DE 2742370 A1 DE2742370 A1 DE 2742370A1
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Abstract

Synthetis is effected by (a) converting Na2O, dissolved in molten NaOH, to Na and Na2O2 by a photochemical reaction; (b) reacting the Na in part directly with the NaOH, forming H2 and Na2O, and in part with the H2 formed and with N2, forming NaNH2; (c) oxiding the NaNH2 with part of the Na2O2, forming N2H4 and Na2O, and hydrolysing part of the Na2O2 with H2O forming H2O2 and NaOH; and (d) recycling the soln. of Na2O in NaOH formed to stage (a). The process allows solar energy to be stored in the form of metastable chemical cpds., which can be used directly as fuels. They can be stored and transported easily as liquids (stabilised by mixing with water), can be used in normal technical systems without major modification and do not upset the ecological balance.

Description

Photochemisches Verfahren zur gekoppelten Synthese Photochemical method for coupled synthesis

von Hydrazin und Wasserstoffperoxid Wir gehen bei unteren Überlegungen von der Annahme aus, daß der flüssige Energietrager Erdol in wenigen Jahrzehnten nicht mehr zur Verfugung stehen wird. Unser Ziel ist, it unseren Arbeiten über Technische Photosynthese zur Entwicklung einer neuen Technologie beizutragen, die es ernöglicht, Sonnenenergie in Fora metast-biler chemischer Verbindungen zu speichern. Diese Verbindungen sollen als Energieträger an die Stelle des Erdols und seiner Produkte sowie des pflanzlich erzeugten Sauerstoffs treten. Es ist vordringlich, vorwiegend solche energiereichen cheiischen Verbindungen zu erzeugen, die als Energieträger in herkömmlichen technischen Systemen ohne große Modifikationen eingesetzt werden können, die als Flüssigkeiten leicht zu speichern und zu transportieren sind und die keinen Einfluß auf das ökologische Gleichgewicht haben. Vir sehen eine weitere Nebenbedingung als wichtig an, nailich die Forderung, daß diese Energieträger sich möglichst leicht in Brennstoffzellen ohne den Umweg uber einen theriodynaiischen Kreisprozeß in elektrische Energie umsetzen lassen sollen Das Feld, auf der sich eine Technische Photosynthese zur Nutzung der Sonnenenergie ansiedeln kann, ist nach zwei Seiten hin begrenzt: der ein Grenzfall ist das sogar geheizt Daipfkraftwerk zur Bereitstellung elektrischer Energie für bereits bekannte elektrochemische Verfahren zur Synthese der Energieträger, der andere Grenzfall ist die Pflanze. Die nähere Betrachtung des biologischen Vorbildes zeigt folgendes: alle Pflanzen - soweit wir heute wissen - produzieren zunächst den gleichen internen Energieüberträger ATP (Adenosintriphosphat) im Verlauf der Lithtreaktion ii Chlorophyll, der dann in Folgereaktionen dazu tervendet wird, pflanzen-spezifische Kohlenhydrate und Sauerstoff zu bilden. of hydrazine and hydrogen peroxide we go at the bottom considerations on the assumption that the liquid energy carrier petroleum in a few decades will no longer be available. Our goal is to improve our work on technical Photosynthesis to contribute to the development of a new technology that enables To store solar energy in fora metastatic chemical compounds. These connections should be used as an energy source to replace petroleum and its products as well as plant-produced oxygen. It is urgent, mostly such high-energy cheiischen compounds to produce, which are used as energy sources in conventional technical systems can be used without major modifications, which as Liquids are easy to store and transport and which do not affect have on the ecological balance. Vir see a more secondary condition than important to, nailich the requirement that these energy sources are as easy as possible in fuel cells without the detour via a theriodynaiischen cycle process in electrical The field on which a technical photosynthesis takes place should be able to convert energy for the use of solar energy is limited on two sides: the one borderline case is the even heated Daipf power plant to provide electrical power Energy for already known electrochemical synthesis processes the Energy carrier, the other borderline case is the plant. A closer look at the biological model shows the following: all plants - as far as we know today - initially produce the same internal energy carrier ATP (adenosine triphosphate) in the course of the lithium reaction ii chlorophyll, which is then used in subsequent reactions will produce plant-specific carbohydrates and oxygen.

Auch in den zoologischen Organismen ist ATP der universelle interne Energieüberträger, der zur Unterhaltung aller Lebenvorgänge notwendig ist, der jetzt aber mittels der Energie der aufgenommenen Kohlenhydrate und des Sauerstoffs gebildet wird. Als Energieüberträger, der ausschließlich intern wirksam ist, erscheint ATP nicht in der Bruttogleichung Biol Photosynthese (1-) 6 C02 + 6 H20 C6Hl206 02 Atmung Unsere Vorstellung war es (wie in P 24 05 134 vom 30.1.74 angeführt), dieses Prinzip zu ubernehien und es it einer wesentlichen Modifikation stark vereinfacht auf die Technik zu übertragen: in den solaren Systsen zur Technischen Photosynthese wird ein Energietrager produziert, der unmittelbar in den technischen Systemen (z.B. Brennstoffzellen oder Wärmekraftmaschinen) universell genutzt werden kann und der aus zwei flüssigen Konponenten besteht. Diese beiden Komponenten können voneinander getrennt, aber direkt auf die technischen Systeme übertragen werden. (Das ist iu Falle des ATP der Pflanzen nicht möglich). Als Komponenten des technischen Energieträgers haben wir die beiden flüssigen metastabilen Verbindungen Hydrazin (N2H4) und Wasserstoffperoxid (H2O2) vorgeschlagen. Sie lassen sich am einfachsten durch Zumischen von Vasser stabilisieren, sind it Wasser beliebig mischbar und reagieren bei Berührung miteinander; dabei wird die gespeicherte Energie freigesetzt.In zoological organisms, too, ATP is the universal internal energy carrier, which is necessary for the maintenance of all life processes, but which is now formed using the energy of the carbohydrates and oxygen. As an energy carrier that is only effective internally, ATP does not appear in the gross equation Biol photosynthesis (1-) 6 C02 + 6 H20 C6Hl206 02 breathing It was our idea (as stated in P 24 05 134 of January 30, 1974) to take over this principle and, with an essential modification, to transfer it to technology in a greatly simplified manner: in the solar systems for technical photosynthesis, an energy carrier is produced that is directly can be used universally in technical systems (e.g. fuel cells or heat engines) and consists of two liquid components. These two components can be separated from one another, but transferred directly to the technical systems. (This is not possible in the case of the plants' ATP). We have proposed the two liquid metastable compounds hydrazine (N2H4) and hydrogen peroxide (H2O2) as components of the technical energy carrier. The easiest way to stabilize them is to add water, they can be mixed with water and react with each other when they come into contact; the stored energy is released in the process.

Die gemeinsamen Reaktionsprodukte sind Wasser und Stickstoff. die beide zu den naturlichen Bestandteilen der Atmosphäre gehoren und wiederum Ausgangsstoffe für die Technische Photosynthese sind. Die Bruttogleichung lautet: Techn. Photosynthese (lb) N2 C H20 N2114 + 211202 Verbrennung Für die Verbrennung wird kein biologisch gebildeter Sauerstoff der Luft benötigt. Hydrazin vermag in Brennstoffzellen bei der Anodenreaktion 4 Elektronen freizusetzen: Die beiden Ko.ponenten, für die wir uns aus technischen Gründen entschieden haben, zeigen in ihrer cheiischen Struktur eine auffällige Ähnlichkeit: sowohl Hydrazin als auch Wasserstoffperoxid bestehen aus zwei jeweils gleichen Gruppen; Hydrazin setzt sich aus zwei Amidgruppen, (NH2)2 = N2H4, Wasserstoffperoxid aus zwei OH-Gruppen, (OH)2 = H2O2, zusammen Diese Strukturen legen es nahe zu versuchen, beide Stoffe elektrolytisch, d.h. durch anodische Oxidation, aus Alkaliasiden bzw. aus Alkalihydroxiden zu bilden. Die Amide der Alkalireihe sind salzartige Verbindungen. Sie bestehen überwiegend aus Alkali-Kationen und Amid-Anionen (besitzen Ionengitter analog NaOH). Zwei negativ geladene NH2-Gruppen werden nach Abgabe ihres Elektron zu Radikalen und koppeln sich unter Energieabgabe zum Hydrazinmolekül: (hG ist die freie Reaktionsenthalpie). Wir ließen uns dabei von den Vorstellungen leiten, die bereits um die Jahrhundertwende bei der Bildung von Wasserstoffperoxid durch die Elektrolyse von wässrigen Kaliumhydroxid Lösungen entwickelt wurden. Zwei negativ geladene OH-Ionen werden an der Anode entladen; die entsehenden Radikale koppeln sich zu Wasserstoffperoxid: In beiden Fällen ist jedoch die Schwierigkeit zu überwinden - was bisher nicht befriedigend gelang - die neu gebildeten Hydrazin- bzw. Wasserstoffperoxid-Moleküle vor den Zerfall an den Elektroden bzw. an der Reaktion mit den Ausgangsstoffen zu bewahren. Natriunaiid reagiert heftig mit Hydrazin unter Bildung von Natriumhydrazid und Ammoniak; unsere Versuche lassen veriuten, daß es auch bei der Uisetzung von Hydrazin in Ammoniak katalytisch wirksam ist. (Dennoch ist dieser Weg nöglich; wahlt man anstelle von Natriumamid Calciumamid und lost es in Formamid, so wird Hydrazin elektrolytisch in wesentlich größerer Ausbeute erhalten.) Wir haben in eine. nächsten Schritt (siehe P 26 54 514 vol 29.11.76) die beiden Reaktionsfolgen (3) und (4) mit Natriumperoxid (Na2O2) als gemeinsamen Elektronen-Akzeptor durchgeführt: Der zugehörige Elektronen-Donator ist metallisches Natrium (Na): Das Donator-Akzeptor-Paar wird in der Rückreaktion zu (5a) und (Sb) elektrolytisch aus einer Natriumoxid-Schmelze erzeugt: Wie von dem historischen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid bekannt, vermag Natriumperoxid je zwei Wassermoleküle im Verlauf der Hydrolyse zu spalten: Das entstandene Natriumhydroxid (NaOH) dient uns als Ubertrager für Wasserstoff, der in der Schmelze durch metallisches Natrium in einer schwach endergonischen Reaktion freigesetzt wird: Der Wasserstoff wird ait dem Stickstoff aus der Luft zur Azidgruppe (NH)z gebunden, wobei das Natrium ein Elektron zur Stabilisierung (in Form des negativen Amid-Ions) zur Verfugung stellt: Die Oxidation gemäß Gl. (3) zu Hydrazin wird mit Na2O2 durchgeführt.The common reaction products are water and nitrogen. which both belong to the natural components of the atmosphere and are in turn starting materials for technical photosynthesis. The gross equation is: Techn. Photosynthesis (lb) N2 C H20 N2114 + 211202 combustion No biologically formed oxygen in the air is required for combustion. In fuel cells, hydrazine is able to release 4 electrons during the anode reaction: The two components, which we have chosen for technical reasons, show a striking similarity in their chemical structure: both hydrazine and hydrogen peroxide consist of two identical groups; Hydrazine is made up of two amide groups, (NH2) 2 = N2H4, hydrogen peroxide consists of two OH groups, (OH) 2 = H2O2. from alkali hydroxides. The amides of the alkali series are salt-like compounds. They mainly consist of alkali cations and amide anions (have ion lattices analogous to NaOH). Two negatively charged NH2 groups become radicals after they have given up their electrons and couple with the release of energy to form the hydrazine molecule: (hG is the free enthalpy of reaction). We were guided by the ideas that had already been developed around the turn of the century for the formation of hydrogen peroxide through the electrolysis of aqueous potassium hydroxide solutions. Two negatively charged OH ions are discharged at the anode; the resulting radicals couple to hydrogen peroxide: In both cases, however, the difficulty has to be overcome - which has not yet been achieved satisfactorily - to protect the newly formed hydrazine or hydrogen peroxide molecules from disintegrating on the electrodes or from reacting with the starting materials. Sodium oxide reacts violently with hydrazine to form sodium hydrazide and ammonia; our experiments indicate that it is also catalytically active in the conversion of hydrazine into ammonia. (Nevertheless, this route is possible; if calcium amide is chosen instead of sodium amide and it is dissolved in formamide, then hydrazine is obtained electrolytically in much greater yield.) We have in one. next step (see P 26 54 514 vol 29.11.76) the two reaction sequences (3) and (4) are carried out with sodium peroxide (Na2O2) as a common electron acceptor: The associated electron donor is metallic sodium (Na): The donor-acceptor pair is generated electrolytically from a sodium oxide melt in the reverse reaction to (5a) and (Sb): As known from the historical process for the production of hydrogen peroxide, sodium peroxide is able to split every two water molecules in the course of hydrolysis: The resulting sodium hydroxide (NaOH) serves as a carrier for hydrogen, which is released in the melt by metallic sodium in a weakly endergonic reaction: The hydrogen is bound with the nitrogen from the air to form the azide group (NH) z, with the sodium providing an electron for stabilization (in the form of the negative amide ion): The oxidation according to Eq. (3) to hydrazine is carried out with Na2O2.

Wichtig ist hierbei die Klammerfunktion, die das aus zwei NaO-Radikalen zusammengesetzt gedachte Natriumperoxid, (NaO)2 = Na2O2. hat. Es ermöglicht, je zwei benachbarte NH2-Ionen durch Abgabe ihrer beiden Elektronen zu Hydrazin zu koppeln. Die aus (3) und (5) gebildete Reaktion ist folglich Der eigentliche Elektronen-Akzeptor ist das NaO-Radikal. Versuche, die wir lit der Oxidation von Natriumamid-Schmelzen mit Sauerstoff gelacht haben, bestätigen diese Vorstellung. Der Sauerstoff wurde an metallisches Natrium in der Schmelze angelagert, wobei unnittelbar Hydrazin enstand. Problematisch ist hierbei die Höglichkeit, daß Hydrazin iit überschüssigem Sauerstoff reagiert, was sich durch Verpuffung bemerkbar macht.What is important here is the function of brackets, which is sodium peroxide, (NaO) 2 = Na2O2, which is composed of two NaO radicals. Has. It enables two neighboring NH2 ions to be coupled to hydrazine by releasing their two electrons. The reaction formed from (3) and (5) is thus The actual electron acceptor is the NaO radical. Experiments we laughed about with the oxidation of sodium amide melts with oxygen confirm this idea. The oxygen was attached to metallic sodium in the melt, with hydrazine directly being formed. The problem here is the possibility that hydrazine reacts with excess oxygen, which is noticeable in the form of deflagration.

Die Betrachtung über das NaO-Radikal ist für den ii folgenden beschribenen photochemischen Prozeß von Wichtigkeit Ursprünglich sahen wir keinen anderen Weg, als zur Nutzung der Sonnenenergie über Warte und weiter uber elektrische Energie zu gehen und das Elektronen-Donator-Akzeptor-Paar elektrolytisch zu erzeugen. Dabei war nicht an den Grenzfall des solaren Da.pfkraftwerkes gedacht, un die elektrische Energie bereitzustellen, sondern an ein solar beheiztes magnetohydrodynamisches (MHD)-Systei (P 24 oS 134 vou 30.1.74). Dieser Energiewandler, der ebenfalls ein Alkalimetall verwendet, und zwar als thermodynamisches und magnetohydrodynamisches Arbeitsmittel, vermag Wärme ohne den Umweg über Turbine und Generator in elektrische Energie umzuwandeln.The consideration of the NaO radical is described for the following photochemical process of importance Originally we saw no other way than to use solar energy via control room and further via electrical energy to go and electrolytically generate the electron donor acceptor pair. Included was not thought of the borderline case of the solar power plant, and the electrical one Provide energy, but to a solar-heated magnetohydrodynamic (MHD) -Systei (P 24 oS 134 from 01/30/74). This energy converter, which is also a Alkali metal used, namely as thermodynamic and magnetohydrodynamic Working equipment, can convert heat into electrical heat without going through the turbine and generator To convert energy.

Viel vorteilhafter ist es aus heutiger Sicht, den direkten photocheiischen Weg zu verfolgen. Darunter verstehen wir, die Energieeinspeisung in das Alkalioxid-Alkaliamid-System nicht ehr durch elektrische Energie, sondern unmittelbar durch Lichtenergie vorzunehmen. Das bekannteste Beispiel für eine Anwendunq ist die Alkalioxid-Photozelle, vorzugsweise lit Kalium als Alkalimetall. Die zur Freisetzung von Elektronen in Photokathoden erforderliche Strahlung als Funktion der Wellenlänge # ist für Alkalimetalle bekannt. Die Messungen des Photostromes in Fig. 1 beziehen sich auf eine fur eine Photokathode typische Anordnung aus Tragermetall (Ag) für die Alkalioxidschicht, aus der Oxidschicht und der Alkalimetallschicht im Zustand bei ulgebungsteiperatur. Kurve 1 bezieht sich auf Na, 2 auf Kalium, 3 auf Rb und 4 auf Cs. Kurve 5 ist das Spektrum der Sonnenstrahlung auf Meereshöhe. In unserei Fall arbeiten wir aber gemäß der Erfindung nicht iit Festkörpern (bei Umgebungstemperatur) sondern mit Alkalischmelzen (in einei wesentlich höheren Temperaturbereich), die auch Oxid enthalten. Wir werden die in einer früheren Anmeldung (P 26 54 S14 vom 29.11.76) beschriebene elektrolytische Reaktion (5c) zur Erzeugung des Donator-Akzeptor-Paares durch die folgende Lichtreaktion mit Natrium ersetzen: Die in Fig. 1 gezeigten Spektralbereiche fur die Empfindlichkeit von Photokathoden mit verschiedenen Alkalimetallen und -oxiden stellen obere Grenzwerte für unsere Prozesse dar, da hier keine freien Elektronen benotigt werden und die Bereiche wegen der erholten Temperaturen der Schmelzen in das Gebiet größerer Wellenlängen verschoben werden. Dies ist eine sehr wichtige Tatsache. Die freie Enthalpie der Reaktion (lo) nimmt mit steigender Temperatur ab, sie ist Null im Temperaturbereich um 2300 C.From today's point of view, it is much more advantageous to follow the direct photographic path. By this we mean that the energy input into the alkali oxide-alkali amide system is not carried out by electrical energy, but directly by light energy. The best-known example of an application is the alkali oxide photocell, preferably with potassium as the alkali metal. The radiation required to release electrons in photocathodes as a function of the wavelength # is known for alkali metals. The measurements of the photocurrent in FIG. 1 relate to an arrangement, typical of a photocathode, of carrier metal (Ag) for the alkali oxide layer, of the oxide layer and the alkali metal layer in the state at ambient temperature. Curve 1 relates to Na, 2 to potassium, 3 to Rb and 4 to Cs. Curve 5 is the spectrum of solar radiation at sea level. In our case, however, according to the invention, we do not work with solids (at ambient temperature) but with alkali melts (in a much higher temperature range) which also contain oxide. We will replace the electrolytic reaction (5c) described in an earlier application (P 26 54 S14 of 11/29/76) for generating the donor-acceptor pair with the following light reaction with sodium: The spectral ranges shown in FIG. 1 for the sensitivity of photocathodes with various alkali metals and oxides represent upper limit values for our processes, since no free electrons are required here and the ranges are shifted to the region of longer wavelengths because of the recovered temperatures of the melts. This is a very important fact. The free enthalpy of reaction (lo) decreases with increasing temperature, it is zero in the temperature range around 2300 C.

Je hoher die Temperatur, desto geringer also ist die erforderliche Quantenenenergie. Man kann auf diese Weise (in den durch die Praxis gesetzten Grenzen) die Reaktion (lo) in einem möglichst optimalen Bereich des Spektrums der Sonnenstrahlung auch mit den billigen Alkalimetallen K und Na ablaufen lassen; andererseits wird das IR-Gebiet des Spektrums dadurch genutzt, daß diese Strahlung in Form von Warme zur Bildung der Schmelze und zum Erreichen des gewünschten Temperaturniveaus eingesetzt wird.The higher the temperature, the lower the required Quantum energy. In this way (within the limits set by practice) the reaction (lo) in an optimal range of the spectrum of solar radiation also drain with the cheap alkali metals K and Na; on the other hand will The IR region of the spectrum is used by the fact that this radiation is in the form of heat used to form the melt and to achieve the desired temperature level will.

Weniger bekannt sind Lithium-Verbindungen wie Lithiushydrid (LiH) und -Imid (LiNH), bei denen der Wasserstoff durch Lichteinfall abgespalten wird oder mit Lithium einen Platztausch eingeht. Wir werden zusätzlich von der folgenden Reaktion mit Lithium Gebrauch machen, bei der Lithiumnitrid und Lithiumamid gebildet werden: Beispiel 1 fur ein Technisches Photosynthese-System Natriumoxid wird in geschmolzenes NaOH eingebracht. Wird diese Schmelze mit sichtbarem Licht hv bestrahlt, so wird Natriumoxid zunächst in Natrium und NaO-Radikale gespalten; in einer Sekundarreaktion kombinieren sich zwei NaO-Radikale zu einem Molekül Natriumperoxid (1.1)°). Das metallische Natrium reagiert mit Natriumhydroxid unter Freisetzen von Wasserstoff weiter zu Natriumoxid (1.2), Man kann daran denken, diesen Wasserstoff noch in statu nascendi (bevor er sich zu Molekülen zusammenschließt und aus der Schmelze entweicht) zu verwenden, um ihn zusammen mit Stickstoff an Natriumatome in Form von Natriumamid anzulagern (1.3). Dabei ist zu erwarten, daß die Schmelze eine retardierende Wirkung auf die Rekombinationsgeschwin-°)Die in runden Klammern stehenden Ziffern stehen für die entsprechend numerierten Reaktionsgleichungen, auf die im Text Bezug genommen wird.Less well known are lithium compounds such as lithium hydride (LiH) and imide (LiNH), in which the hydrogen is split off by incident light or exchanges place with lithium. We will also make use of the following reaction with lithium, in which lithium nitride and lithium amide are formed: Example 1 for a technical photosynthesis system Sodium oxide is introduced into molten NaOH. If this melt is irradiated with visible light hv, sodium oxide is first split into sodium and NaO radicals; In a secondary reaction, two NaO radicals combine to form one molecule of sodium peroxide (1.1) °). The metallic sodium reacts with sodium hydroxide, releasing hydrogen to form sodium oxide (1.2). One can think of using this hydrogen in statu nascendi (before it combines to form molecules and escapes from the melt) in order to mix it with nitrogen Add sodium atoms in the form of sodium amide (1.3). It is to be expected that the melt will have a retarding effect on the recombination speed. The figures in round brackets stand for the correspondingly numbered reaction equations to which reference is made in the text.

diqkeit des atomaren zum molekularen Wasserstoff hat. bei der hier angegebenen direkten Natriunasid-Herstellung wird nun in einer tertiären Folgereaktion die Hydrazinbildung durch die gereinsase Oxidation je zweier Natriumamid-Moleküle durch je ein Natriunperoxid erreicht (1.4). Venn es gelingt, Natriumamid stochiometrisch gemaß den Reaktionsgleichungen herzustellen, dann ist damit gegenuber den fruher angegebenen Verfahren die Gefahr der Hydrazid-Bildung wesentlich reduziert. Jedes neu gebildete Aeidnolekül wird unmittelbar zu Hydrazin weiterverarbeitet, so daß an sich keine überschüssigen Amidmoleküle fur die Folgereaktion mit Hydrazin zur Verfugung stehen. In diesem Prozeß, der ja keine direkte photochemische Hydrolyse vorsieht, wird die Wasserspaltung iurch Natriumperoxid vorgenormen (1.5). Dabei entsteht Vasserstoffperoxid sowie Natriumhydroxid, das als Überträger von Wasserstoff fur die Am bildung nach (1.2) und (1.3) dient - neben seiner Funktion als Lösungsmittel relativ geringer Temperatur fur Natriumoxid. 6hu (1.1) 6 Na20 6hv b 3 (Nau) + 6 Na enstpr.(lo) 2 (1.2) 4 NaOH * 4 Na zu4 Na, + 4 H (7) (1.3) 4 H + N2 * 2 Na - b 2 Na(NH2) (8) (1.4) 2 Na(NH2) + (NaO)2 , 2 Na,O + (NH?), (9) (1.5) 4 H20 + 2 (NaO)2 ----- 4 NaOH + 2 (OH)2 (6) Summe 4 H20 + N2 6hu (NH2)2 + 2 (OH)2 (lbs Beispiel 2 fur ein Technisches Photosynthese-System In dem soeben beschriebenen Beispiel 1 basiert der qesamte photochemische Prozeß auf dem Alkalimetall Natrium, das in Gemeinschaft mit Kalium oder auch stellvertretend fur Kalium als Basismaterial dient. So elegant es auch scheint, die Synthese der beiden Komponenten der Energietrager in einem einzigen Photosystem zu versuchen, so liegt doch die Schwierigkeit darin, daß hier mehrere Reaktionen aufeinander abgestimmt werden müssen Ein technisch einfacheres System entsteht, wenn man die Bildung der Amidgruppe vom Photosystem mit der Basis Natrium (Kalium) in ein zweites Photosystem mit der Basis Lithium verlagert. Ausgegangen wird von Lithiumimid, das bei der Bestrahlung mit Lichtquanten hv durch partiellen Platzwechsel zwischen Lithium und Wasserstoff innerhalb des Lithiumimids in Lithiumnitrid und Lithiumamid übergeht (2.7). Lithiumamid läßt sich thermisch leicht in Ammoniak und Lithiumimid spalten (2.6).atomic to molecular hydrogen. In the case of the direct sodium aside production indicated here, hydrazine formation is now achieved in a tertiary subsequent reaction by the pure oxidation of two sodium amide molecules each by a sodium peroxide (1.4). If it is possible to produce sodium amide stoichiometrically in accordance with the reaction equations, then the risk of hydrazide formation is considerably reduced compared with the previously mentioned processes. Each newly formed aeid molecule is processed further directly to hydrazine, so that there are no excess amide molecules available for the subsequent reaction with hydrazine. In this process, which does not provide for direct photochemical hydrolysis, the splitting of water is pre-established by sodium peroxide (1.5). This produces hydrogen peroxide and sodium hydroxide, which serves as a carrier of hydrogen for the formation according to (1.2) and (1.3) - in addition to its function as a solvent for sodium oxide at a relatively low temperature. 6hu (1.1) 6 Na20 6hv b 3 (Nau) + 6 Na enstpr. (Lo) 2 (1.2) 4 NaOH * 4 Na to 4 Na, + 4 H (7) (1.3) 4 H + N2 * 2 Na - b 2 Na (NH2) (8) (1.4) 2 Na (NH2) + (NaO) 2, 2 Na, O + (NH?), (9) (1.5) 4 H20 + 2 (NaO) 2 ----- 4 NaOH + 2 (OH) 2 (6) Total 4 H20 + N2 6hu (NH2) 2 + 2 (OH) 2 (lbs Example 2 for a technical photosynthesis system In Example 1 just described, the entire photochemical process is based on the alkali metal sodium, which serves as a base material in conjunction with potassium or as a substitute for potassium. As elegant as it seems to attempt the synthesis of the two components of the energy carriers in a single photosystem, the difficulty lies in the fact that several reactions have to be coordinated with one another based on sodium (potassium) in a second photosystem based on lithium. The starting point is lithium imide, which, when irradiated with light quanta hv, changes into lithium nitride and lithium amide due to a partial change of position between lithium and hydrogen within the lithium imide (2.7). Lithium amide can easily be broken down thermally into ammonia and lithium imide (2.6).

Ammoniak nun ist die Verbindung, die gasförmig aus dem zweiten Photosystem entweicht und die gewünschte NH2-Gruppe in das erste Photosystem transportiert. Dort kann das Ammoniak entweder von metallischen Natrium oder (wie in unserem Beispiel) von Natriumoxid absorbiert werden (2.3), vobei im letzteren Fall Natriumamid entsteht; das überschüssige Wasserstoffatom wird in Form unseres Wasserstoffträgers Natriumhydroxid gebunden. (Dann läuft der Prozeß wie in Beispiel 1 weiter). Lithiumnitrid, das sich außer nach (2.7) auch unmittelbar aus Lithium und Stickstoff bildet (2.8), wird im vorliegenden Prozeß mit Wasserstoff zu Lithiumamid umgesetzt (2.9).Ammonia is now the compound that is gaseous from the second photosystem escapes and the desired NH2 group is transported into the first photosystem. There the ammonia can either come from metallic sodium or (as in our example) be absorbed by sodium oxide (2.3), in the latter case sodium amide is formed; the excess hydrogen atom becomes sodium hydroxide in the form of our hydrogen carrier bound. (The process then continues as in Example 1). Lithium nitride that is apart from (2.7) also forms (2.8) directly from lithium and nitrogen, becomes in the present process reacted with hydrogen to lithium amide (2.9).

Das dabei freiwerdende Lithium kann in einem nachsten Schritt wiederum Stickstoff nach (2.8) aufnehmen. Es ist die Fähigkeit des Lithiumatoms, leicht molekularen Stickstoff zu spalten und anzulagern, die den Weg über Ammoniak attraktiv erscheinen laßt; Natrium ist nach unseren Erfahrungen kaum in der Lage, rasch Nitrid zu bilden, was letztlich der Grund für die langsame Bildung von Natriumamid aus den Elementen sein dürfte. 6hv (2.1) 6 pa 0 --3 (NaO)2 + 6 Na ntapr (lo) 2 2 (2.2) 6 NaOH * 6 Na ~ 6 Na20 + 3 H2 ff (7) (2.3) ,,2 N113 * 2 Na20 ------*2 NaOH * 2 Na (2.6) 1 2 NaNH2 * (NaO)2 -2 NoaO * 2 Na20Na20 22 (9) (2.3) 1 4 H20 + 2 (NaO)2 4 N-OH * 2 (OH)2 (6) 2 2 I (2.6) 6 LINH j i2 Li2N11 T 2 NH3 (2.7) 2 Li2N11 > Li N LiNH2 1 (11) 3 (2.8) 6 Li * 2 ~v2 Li 3N (2.9> 6 112 + 3 Li3 (2.9) Li H, 3 LiN112 ¼ Summe 4 11 ° + N2 6hv + 2hv (NH2)2 + 2 (OH)2 (lb) 2 i (N1122 2 The lithium released in the process can in turn absorb nitrogen according to (2.8) in a next step. It is the ability of the lithium atom to easily split and store molecular nitrogen that makes the route via ammonia attractive; In our experience, sodium is hardly able to form nitride quickly, which is ultimately the reason for the slow formation of sodium amide from the elements. 6hv (2.1) 6 pa 0 --3 (NaO) 2 + 6 Na ntapr (lo) 2 2 (2.2) 6 NaOH * 6 Na ~ 6 Na20 + 3 H2 ff (7) (2.3) ,, 2 N113 * 2 Na20 ------ * 2 NaOH * 2 Na (2.6) 1 2 NaNH2 * (NaO) 2 -2 NoaO * 2 Na20Na20 22 (9) (2.3) 1 4 H20 + 2 (NaO) 2 4 N-OH * 2 (OH) 2 (6) 2 2 I. (2.6) 6 LINH j i2 Li2N11 T 2 NH3 (2.7) 2 Li2N11> Li N LiNH2 1 (11) 3 (2.8) 6 Li * 2 ~ v2 Li 3N (2.9> 6 112 + 3 Li3 (2.9) Li H, 3 LiN112 ¼ Total 4 11 ° + N2 6hv + 2hv (NH2) 2 + 2 (OH) 2 (lb) 2 i (N1122 2

Claims (3)

"Photochemisches Ver fallrcrl /ur gelcoppel ten Synthese von Hydrazin und Wasserstoffperoxid" Pntentansprüche Verfahren zur gemeinsamen lierstellung von Hydrazin und Wasserstoffperoxid aus Stickstoff und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß Natriunioxid, das in geschmolzenem Natriumhydroxid gelöst ist, in einer Lichtreaktion in Natrium und Natriumperoxid überführt wird, von denen das Natrium teilweise unmittelbar mit dem Natriumhydroxid unter Freisetzung von Wasserstoff zu Natriumoxids teilweise mit dem so gebildeten Wasserstoff und mit Stickstoff zu Natriumamid reagiert, und von denen das Natriumperoxid teilweise zur Oxidation des Natriumamide zu Hydrazin und Natriumoxid, teilweise zur hydrolytischen Spaltung von Wasser zu Wasserstoffperoxid und Natriumhydroxid verbraucht wird, wobei das in diesen Reaktionen entstandene Natriumoxid in dem gleichfalls entstandenen Natriumhydroxid gelöst wiederum der Lichtreaktion zugefuhrt wird."Photochemical Decay in the Coupled Synthesis of Hydrazine and hydrogen peroxide Hydrazine and hydrogen peroxide from nitrogen and water, characterized in that sodium dioxide dissolved in molten sodium hydroxide, in a light reaction is converted into sodium and sodium peroxide, some of which the sodium is directly with the sodium hydroxide with the release of hydrogen to sodium oxide in part reacts with the hydrogen formed in this way and with nitrogen to form sodium amide, and of which the sodium peroxide partially oxidizes the sodium amides to hydrazine and sodium oxide, partly for the hydrolytic cleavage of water to hydrogen peroxide and sodium hydroxide is consumed, which is produced in these reactions Sodium oxide dissolved in the likewise formed sodium hydroxide in turn Light reaction is supplied. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kalium an die Stelle des Natriums tritt. 2. The method according to claim 1, characterized in that potassium takes the place of sodium. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Natriumamid mit Hilfe eines zweiten Photosystems vorgenommen wird, indem Ammoniak im zweiten Photosystem aus Stickstoff und aus dem im ersten Photosystem als Folge der Lichtreaktion mit Natriumoxid entstandenen Wasserstoff gebildet wird, und indem dieser Ammoniak an das erste Photosystem übertragen dort init Natriumoxid unter i3ildung von amid und Natriumhydroxid zur Reaktion gebracht wird, wobei die Ammoniakbildung im zweiten Photosystem durch Anlagerung des dem ersten Photosystem entstammenden Wasserstoffes an Lithiumnitrid unter Bildung von Lithium und Lithiumamid vor sich geht, von denen das Lithium Stickstoff zur Bildung von Lithiumnitrid aufnimmt, und von denen das Lithiumamid durch thermische Spaltung in Ammoniak und Lithiumimid zersetzt wird, und wobei schließlich das Lithiumimid durch eine Lichtreaktion in Lithiumnitrid und Lithiumamid zurück verwandelt wird. 3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that the formation of sodium amide is carried out with the help of a second photosystem, by removing ammonia in the second photosystem from nitrogen and from that in the first photosystem hydrogen formed as a result of the reaction of light with sodium oxide is formed, and adding this ammonia to the first Photosystem broadcast there reacted with sodium oxide to form amide and sodium hydroxide is, whereby the ammonia formation in the second photosystem by the addition of the dem first photosystem originating hydrogen on lithium nitride with the formation of Lithium and lithium amide is going on, the lithium of which is used to form nitrogen of lithium nitride, and of which the lithium amide by thermal cleavage is decomposed into ammonia and lithium imide, and eventually the lithium imide is converted back into lithium nitride and lithium amide by a reaction of light.
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EP0070346A1 (en) * 1981-07-17 1983-01-26 Arbeitsgruppe Technische Photosynthese Process and arrangement for carrying out the process for the photochemical cleavage of water and reduction of nitrogen from the atmosphere using a structure of molecular dimensions

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DE2405137A1 (en) * 1974-01-31 1975-08-07 Jakob Dr Morein Graphical blood-pressure recorder - has proximal and distal pneumooptical transducers connected to oscillographic recorder

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