Олег Ольгин - Опыты без взрывов
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 °C 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.
ДОЛГАЯ ЖИЗНЬ БАТАРЕЙКИ
Представьте, что случилось такое: вы принялись за электрохимический опыт, собрали цепь — а батарейка вдруг «села», и запасной батарейки нет. Как быть? Но это еще полбеды. Гораздо хуже, когда карманный фонарик гаснет темным вечером, да еще в лесу. И как обидно, если батарейки транзисторного приемника отказывают как раз в ту минуту, когда по радио передают вашу любимую песню, или во время трансляции футбольного матча. Но что уж тут поделаешь…
А между тем кое-что предпринять можно. Если запасной батарейки нет, не спешите выбрасывать старую, а попробуйте ее «оживить».
Многие современные батарейки — «Крона», «Марс», «Сатурн», КБС и другие — состоят из элементов марганцево-цинковой системы. При работе отрицательный электрод этих батареек — цинковый стаканчик — постепенно, но очень медленно, растворяется, а положительный электрод — диоксид марганца МnО2, восстанавливается до гидроксида трехвалентного марганца (его формулу можно представить как МnООН). Он постепенно покрывает зерна оксида, проникает вглубь зерен и закрывает доступ электролиту. Еще и половина оксида марганца не использована, а элемент уже перестает работать; цинка же к тому времени остается еще больше, до четырех пятых! Словом, почти годную батарейку приходится выбрасывать.
Но если снять «скорлупу» МnООН, то электролит вновь сможет поступать к зернам и батарейка оживет. Только как ее снять? Самый простой способ: постучать по батарейке как следует молотком или камнем. Тогда зерна внутри элементов расколются, и электролит снова сможет в них проникнуть. Этот способ не ахти как хорош, но в лесу, пожалуй, лучшего не найти…
Если же батарейка отказала дома, то активировать диоксид марганца можно гораздо эффективнее. В цинковом стаканчике батарейки пробейте гвоздем отверстие и опустите батарейку в воду. Электролит в элементе не жидкий (это было бы неудобно), а загущенный. Он размокает в воде, разжижается, и ему легче проникнуть к зернам диоксида марганца. Этот нехитрый прием позволяет увеличить срок службы батарейки почти на треть. Но его можно еще более упростить.
Заливать батарейку водой совсем необязательно. Достаточно только пробить отверстие в цинковом стаканчике. Оксид марганца в элементе смешан с графитовым порошком — это нужно для того, чтобы увеличить электропроводность. Как только воздух начнет поступать внутрь, графит будет поглощать кислород, и наряду с диоксидом марганца появится еще один положительный электрод — так называемый воздушный, на котором кислород восстанавливается. Словом, простой гвоздь превращает марганцево-цинковый элемент в воздушно-цинковый!
Справедливости ради скажем, что после такой процедуры батарейка будет разряжаться малым током — таковы уж свойства самодельного воздушно-цинкового элемента. Зато служить будет очень долго.
И последнее: сделаем так, что старая батарейка станет почти совсем как новая. Для этого батарейку надо зарядить электрическим током, т. е. поступить с ней так же, как с аккумулятором. Реакция, идущая в батарейке, обратима, и МnООН может вновь превратиться в МnO2.
Заметьте, что подзаряжать можно не все батарейки, а только те, в которых не засохла паста и корпус не поврежден. И заряжать надо не обычным постоянным током, как заряжают аккумуляторы. В этом случае цинк станет осаждаться на корпусе батарейки в виде разветвленных нитей — дендритов, и очень скоро это приведет к тому, что произойдет короткое замыкание и батарейка выйдет из строя. Заряжать ее надо так называемым асимметричным током. Чтобы получить его, надо выпрямлять переменный ток не полностью, например: включить в цепь диод-выпрямитель и параллельно ему — сопротивление (около 50 Ом). Напряжение источника должно быть около 12 В, поэтому использовать ток непосредственно от сети нельзя, нужен понижающий трансформатор.
Марганцево-цинковые элементы можно заряжать до трех раз, их емкость при этом падает совсем незначительно. А маленькие, так называемые пуговичные элементы (в них использована ртутно-цинковая система) можно подзаряжать до десяти раз. Но пробивать их гвоздем или стучать по ним молотком нет смысла — в этих элементах после разряда практически не остается активных веществ.
ИСТОЧНИКИ ТОКА ИЗ ПОДРУЧНЫХ СРЕДСТВ
Чтобы оживить старую батарейку, действительно требуется ловкость рук. Но. в еще большей степени она будет вам нужна, если вы решите изготовить самодельный источник тока. Он может пригодиться для различных электрохимических опытов, например с анодированием алюминия или с никелированием.
Есть множество химических источников тока, но, пожалуй, самый простой в изготовлении — элемент Грене. Для него нужны две пластинки — цинковая и угольная такого размера, чтобы они входили в стеклянную банку. Подберите к ней полиэтиленовую крышку, проколите ее в двух местах шилом и пропустите в отверстия проволочки. На этих проволочках подвесьте пластинки-электроды так, чтобы они не касались друг друга.
Электролитом будет служить водный раствор, содержащий 16 % серной кислоты и 12 % бихромата калия (хромпика). Когда вы будете готовить раствор, лейте, как всегда, кислоту в воду и будьте очень осторожны.
Электролит аккуратно перелейте в банку; раствор должен закрывать пластинки примерно на три четверти. Банку плотно закройте заготовленной крышкой с проводами и электродами. В тот момент, когда электроды, соприкоснутся с электролитом, возникнет электрический потенциал. Если цепь замкнуть, по ней пойдет электрический ток. Это легко проверить, подсоединив к проволочкам вольтметр: он покажет напряжение около 2 В. Однако сила тока не слишком велика, от элемента не будет даже работать лампочка для карманного фонаря. Но если вы изготовите не один, а два или три элемента Грене и соедините их последовательно — цинковую пластину с угольной, то лампочка будет гореть. А для опыта с никелированием достаточно и одного элемента Грене.
Хотя элемент Грене работает надежно, у него есть как минимум два недостатка: во-первых, неудобно иметь дело с жидким электролитом, да к тому же содержащим серную кислоту, во-вторых, не всегда есть под рукой цинковые и угольные пластинки. Поэтому займемся и другими самодельными источниками тока. Пусть они и уступают жидкостным элементам, зато не будет проблем с материалами.
Чай и сигареты часто заворачивают в фольгу, у которой одна сторона «серебряная», а другая — бумажная. В магазинах «Юный техник» продают медную фольгу. И ту и другую нарежьте на квадраты примерно 5 х 5 см и кладите одну на другую вперемежку так, чтобы медь ложилась на «серебро». Самый нижний слой должен быть бумажным, самый верхний — медным. У вас получилась батарея элементов; чем выше стопка, т. е. чем больше элементов, тем выше и напряжение.
