Олег Ольгин - Опыты без взрывов
Сначала, как вы и догадываетесь, лампа загорится, потому что раствор в банке электропроводен. Но примерно через полчаса она станет светить заметно слабее, а потом и вовсе погаснет. Ложка стала выпрямителем. Она пропускает ток только в одном направлении - от банки к ложке.
В этом было бы легко убедиться, будь у вас осциллограф: на его экране в начале опыта светилась бы синусоида, а в конце нижняя ее ветвь исчезла бы: в цепи течет так называемый импульсный ток. Осциллограф помог бы сразу установить, где положительный полюс выпрямителя, а где отрицательный (это очень важно, если вы собираетесь ставить с самодельным выпрямителем электрохимические опыты). Но можно обойтись и без приборов: полярность выпрямителя легко установить, пользуясь полоской фильтровальной бумаги, смоченной слабым раствором поваренной соли с добавкой индикатора фенолфталеина.
Отключите ток, прижмите листок к ложке и к банке и закрепите его, например, пластмассовыми бельевыми прищепками. Включите ток, и несколько минут спустя фильтровальная бумага покраснеет у одного из полюсов. Этот полюс отрицательный. При электролизе воды (соль нужна только затем, чтобы увеличить электропроводность) на отрицательном электроде (катоде) выделяется водород, а ионы ОН- остаются в избытке. Эти ионы и обусловливают щелочные свойства, поэтому индикаторная бумага краснеет.
Такое же испытание влажной индикаторной бумагой с солью и фенолфталеином можно провести и в том случае, если вы перепутали полюса аккумулятора или батарейки. Так как здесь напряжение невелико, полоску бумаги можно просто прижать руками к обоим полюсам источника тока.
Но отчего алюминиевая ложка стала выпрямителем? После включения тока на ней, как и при анодировании алюминия, растет пленка оксида алюминия. А эта пленка - полупроводник: пропускает ток только в одном направлении. Это ее свойство нередко используют в технике.
С помощью самодельного выпрямителя можно ставить некоторые электрохимические опыты, которые описаны в этой книге. Но в соответствии с условиями опыта включайте выпрямитель через понижающий трансформатор. Напряжение ни в коем случае не должно превышать 40 В. А ток, который можно снимать с алюминиевой ложки, может достигать нескольких десятков ампер.
Но обязательно ли брать для выпрямителя ложку и консервную банку? Разумеется, нет. Вместо ложки можно взять алюминиевый электрод любой формы, вместо банки - железный, свинцовый или графитовый электрод и погрузить их в стеклянный сосуд, в который налит раствор электролита. Более того, так мы и советуем вам поступить, если вы решите использовать самодельный выпрямитель на практике. Но если вы собираетесь продемонстрировать, как оксид алюминия выпрямляет переменный ток, то ложка с банкой выглядят гораздо эффектнее...
ЗАЖГИТЕ ЛАМПУ СПИЧКОЙ!
Для этого опыта удобнее взять настольную лампу. Один из ее проводов отсоедините от вилки и удлините, не забывая о хорошей изоляции.
Возьмите небольшую узкую стеклянную трубку с тонкими стенками (проще всего воспользоваться стеклянными рейсфедерами с оттянутыми концами). Вставьте в трубку с двух концов электроды - проводки диаметром около 1 мм; закрепите их в трубке изоляционной лентой. Электроды не должны соприкасаться, расстояние между ними 1-2 мм.
Удлиненный провод от лампы присоедините к одному из электродов, а другой электрод соедините проводом со свободным гнездом вилки и изолируйте. У вас получится цепь, разомкнутая в одном участке - между электродами. Закрепите стеклянную трубку в горизонтальном положении. Это совсем просто сделать, если провода жесткие, с пластмассовой изоляцией: зажмите провод, и трубка будет на нем держаться. Подготовка к опыту закончена, можно включать вилку в сеть. Лампа, конечно, гореть не будет.
Поднесите к трубке, в которую вставлены электроды, зажженную спичку. Если трубка из не тугоплавкого стекла, то стекло размягчится и трубка при этом чуть-чуть провиснет. И тут же загорится лампа, несмотря на то, что цепь по-прежнему остается разомкнутой. Дело в том, что соли, входящие в состав стекла, при нагревании ионизируются, и стекло становится проводником.
Если опыт не получается из-за того, что трубка широка, то вместо спички возьмите свечку или спиртовку. Зажечь лампу свечкой - тоже эффектный опыт.
А еще можно ее зажечь с помощью расплавленной селитры. Закрепите вертикально пробирку, на дно которой насыпано немного калиевой или натриевой селитры (нитрата калия или натрия), и опустите в нее две медные проволочки. Чтобы медные электроды не соприкасались, пропустите их сквозь пробку. Подсоедините к электродам лампу так же, как в предыдущем опыте. Когда вы включите ток, лампа, естественно, не загорится: твердая селитра ток не проводит.
Нагрейте селитру до плавления с помощью таблеток сухого горючего - лампа вспыхнет. Ионы, составлявшие кристаллическую решетку соли, приобретают подвижность, и цепь замыкается. Лампа будет гореть и после того, как вы уберете пламя: у расплава селитры высокое электрическое сопротивление, и то тепло, которое выделяется при прохождении тока, поддерживает селитру в расплавленном состоянии.
Подобным образом можно поставить опыт не с расплавом, а с раствором, например, поваренной соли. Электроды в этом случае лучше взять графитовые. Погрузите их сначала просто в банку с водой, а потом небольшими порциями добавляйте соль, и лампа будет разгораться все ярче.
Между прочим, таким способом удобно проверять электропроводность растворов. Проверьте, например, как проводят ток растворы соды, сахара и уксусной кислоты разной концентрации.
И еще один, не вполне обычный опыт с электрической лампочкой, но не с большой, а от карманного фонаря. Укрепите ее в полоске жести, согнутой под прямым углом, и вставьте полоску в небольшой химический стакан так, чтобы стеклянный баллон лампочки оказался внутри стакана и был обращен к его дну. Подключите лампочку к батарейке: выступ на цоколе, самый крайний его участок соедините с отрицательным полюсом, а полоску жести - с положительным. Обратите внимание: припаивать проводники нельзя, потому что во время опыта припой может расплавиться. Надо придумать механический контакт или же использовать патрон от старого карманного фонаря.
До начала опыта выньте лампу из стакана и насыпьте в него нитрат натрия (нитрат калия в этом случае не годится; почему - станет ясно позже). Поставьте стакан на асбестовую сетку или металлическую пластинку и нагрейте его на пламени газовой горелки или спиртовки; сухой спирт не очень удобен, так как трудно регулировать температуру расплава. Селитра плавится при 309+С, а при 390+С уже разлагается; вот в таком интервале и придется поддерживать температуру. Для этого изменяйте либо размер пламени, либо расстояние до стакана. Следите, чтобы расплав не застывал, даже с поверхности.
В расплавленную селитру осторожно опустите лампочку. Большая часть стеклянного баллона должна быть погружена в расплав, но следите за тем, чтобы верхняя часть цоколя, к которой припаян проводник, не соприкоснулась с селитрой - произойдет короткое замыкание. Зажженную лампочку подержите в селитре около часа, потом отключите ток, погасите горелку и аккуратно доставьте лампочку. Когда она остынет, промойте ее водой, и вы увидите, что лампочка изнутри покрыта зеркальным слоем!
Мы уже говорили, что при нагревании заряженные частицы в стекле приобретают подвижность (поэтому и зажглась лампа, когда трубку нагревали спичкой). Главные действующие лица - ионы натрия: уже при температуре выше 300+С они становятся достаточно подвижными. Само стекло остается при этом совершенно твердым.
Когда вы погрузили включенную лампочку в расплав селитры, то стекло, из которого сделан баллончик, оказалось в электрическом поле: спираль отрицательный полюс, расплав, который соприкасается с полоской жести, положительный. Подвижные ионы натрия начали двигаться в стекле в сторону катода, т. е. по направлению к спирали. Иными словами, они перемещались к внутренней стенке баллона.
Значит, зеркальный налет изнутри натриевый? Да. Но как же ионы превратились в металл?
Раскаленные металлы (в том числе и те, из которых изготовлена спираль) испускают электроны. От спирали они попали на внутреннюю поверхность стекла и соединились там с ионами натрия. Так образовался металлический натрий.
Но почему для опыта не годится калиевая селитра? Ведь нитрат вроде бы и не участвует в процессе... Нет, участвует. Когда ион натрия стал нейтральным атомом, в стекле осталась отрицательно заряженная ионная дырка. Тут и нужна натриевая селитра: из ее расплава под действием электрического поля в стекло проникают ионы натрия и заполняют дырки. А ионы калия примерно в полтора раза больше ионов натрия, они не смогут войти в стекло. В калиевой селитре лампа просто треснет.
Такой необычный электролиз через стекло иногда применяют на практике, чтобы получить слой очень чистого натрия, или, более строго, - спектрально чистого.
