Содержание
Введение
Практическаячасть
Выводы
Литература
Приложение1. Процесс электролиза в растворах и расплавах электролитов
Приложение2. Краткая биография Луиджи Гальвани
Приложение3. Первый период физики последнего столетия
Приложение4. Гальванические элементы
Приложение5. Тяжелая вода
Приложение6. Получение металлов путем электролиза
Приложение7. Гальваническое производство
Приложение8. Завод в Челябинске
Приложение9. Эксперименты
Введение
Актуальность выбраннойтемы
Еще в восьмом классе науроках физики мы коснулись такого процесса как электролиз. Нас особеннозаинтересовал электрический ток в жидких проводниках. С этим явлением связаномного непонятных до этого слов, а также имен ученых, в честь которых названыизобретения, процессы и т. д. Поэтому мы решили выяснить историю открытияэлектролиза, что оказалось очень занимательно.
Тема занятна еще и тем,что дает возможность интеграции школьных предметов: химии, биологии, ведь мыучимся в естественнонаучном классе.
Электролиз расплавов ирастворов электролитов имеет очень широкое применение на практике. Почти вкаждом заводе есть гальванический цех. В нашей жизни мы каждый деньсталкиваемся с изделиями, полученными на основе этого процесса.
Кроме этого, недавно,на уроках химии мы изучали процесс получения металлов, в котором, конечно же,не обошлось без электролиза. К сожалению, этот момент был изучен недостаточноподробно, а нас он очень заинтересовал, в связи с этим подробно ознакомились стеоретической частью данного процесса, а также раскрыли его на практике.
Таким образом, темаочень актуальна в наше время, дает возможность её глубокого раскрытия, а такжедальнейшего изучения и разработки.
Цели и задачи
Цель исследования:
выяснение природыэлектрического тока в жидких проводниках и рассмотрение его применения напрактике.
Поставленная цельпотребовала решения ряда взаимосвязанных задач:
изучение механизмаэлектрического тока в жидких проводниках;
рассмотрение открытияявления электролиза;
ознакомление с краткимибиографиями ученых, участвующих в исследовании этого процесса;
сравнение первыхгальванических элементов с современными батарейками ведущих фирм мира;
сравнение батареекведущих фирм мира между собой;
изучение примененияэлектролиза (тяжёлая вода, получение металлов, гальваническое производство);
проведение экспериментовв домашних условиях с использованием процесса электролиза, создание инструкции.
Практическаячасть
Сначала мы подробноизучили процесс электролиза и сделали вывод, что электрический ток в растворах(или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаковв противоположных направлениях.
Далее была рассмотренабиография Луиджи Гальвани, его открытия, пробы и ошибки. Подробное изучениепервого периода физики последнего столетия помогло нам понять, как многовремени, средств и сил затрачено на это открытие, выяснение его природы.Толчком к открытию процесса электролиза стали исследования Луиджи Гальвани оживотном электричестве, раскрытие истинной природы данного процесса принадлежитдругому учёному – Алессандро Вольту. Он же нашёл применение на практике –создал вольтов столб.
От Вольтова столба мыперешли к изучению других гальванических элементов. Их оказалось огромноемножество. Со временем они усложнялись, приобретали новые особенности. Каждыйиз них имел свои минусы и плюсы. Например, одни были удобны для переноски,другие служили источником тока на телеграфных станциях. Изучив этот материал,мы сделали следующие выводы. Достоинство гальваническогоэлемента измеряется силой тока, им развиваемого, и продолжительностью его действия,а именно произведением первой величины на другую. Стоимость устройства ипользование батареей имеет большое значение в технических вопросах. Почти вовсех лучших элементах употребляется цинк, который во время действия элементаокисляется и растворяется в количестве, эквивалентном количеству электричества,протекающему в это время по проводникам, т. е. силе тока. Сопротивленияэлементов, как зависящие от размеров пластинок, величины погруженной части их вжидкость, от качества глиняных банок в элементах, где таковые содержатся,представляют величины, имеющие определенное значение лишь в конкретных частныхслучаях. Электровозбудительные силы не зависят от размеров элементов, нозависят от крепости кислоты и степени насыщенности солей, в которые погружены однии те же пластинки.
Создание гальваническихэлементов – долгий путь к современным батарейкам.
В последние десятилетиявозрос объем производства щелочных аналогов элементов Лекланше, в том числевоздушно-цинковых. Так, например в Европе производство щелочныхмарганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в 1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска.
Использованиесвободного электролита ограничивает возможности применения автономных и восновном используется в стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследованиянаправлены на создание так называемых сухих элементов, или элементов сзагущенным электролитом, свободных от таких элементов, как ртуть и кадмий,которые представляют серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды.
Такая тенденцияявляется следствием преимуществ щелочных ХИТ в сравнении с классическимисолевыми элементами:
существенное повышениеразрядных плотностей тока за счет применения пастированного анода;
повышение емкости ХИТза счет возможности увеличения закладки активных масс;
созданиевоздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22) за счет большей активностисуществующих катодных материалов в реакции электровосстановления дикислорода вщелочном электролите.
Фирма Duracell –признанный лидер в мире по производству щелочных гальванических источниководноразового действия. История фирмы насчитывает более 40 лет. Сама фирмарасположена в Соединенных Штатах Америки. В Европе ее заводы находятся вБельгии. По мнению потребителей как у нас, так и за рубежом по популярности,продолжительности использования и соотношению цены и качества батарейки фирмыDuracell занимают ведущее место. Плотности разрядного тока в литиевыхисточниках не велики (по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2.При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током рациональноиспользовать литиевые элементы Duracell в высокотехнологичных системах.Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана(TiO2) и других технологических особенностей способствует повышению мощности иэффективности использования марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell. Внутристального корпуса щелочных элементов «Duracell» расположенцилиндрический графитовый коллектор, в котором находится пастообразныйэлектролит в контакте с игольчатым катодом. Гарантированный срок храненияэлементов 5 лет, и при этом — емкость элемента, указанная на упаковке,гарантируется в конце срока хранения.
Концерн Varta – один измировых лидеров по производству ХИТ. 25 заводов концерна расположены в болеечем 100 странах мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов ибатареек. Основные производственные мощности занимает Департамент стационарныхпромышленных аккумуляторов. Однако порядка 600 наименований гальваническихэлементов от батареек для часов до герметичных аккумуляторов производятся назаводах концерна Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии ит.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от географическогорасположения завода. В фотографической камере первого человека, ступившего наЛуну, были установлены батарейки концерна Varta. Они достаточно хорошо известнынашим потребителям и пользуются устойчивым спросом. PanasonicCorporation — крупная японская машиностроительнаякорпорация, один из крупнейших в мире производителей бытовой техники иэлектронных товаров. В 2007 году компания заняла 59-е место по объёму выручки вглобальном рейтинге компаний Fortune Global 500 ru.wikipedia.org/wiki/Panasonic
- cite_note-0. До 1 октября 2008 года носила название MatsushitaElectric Industrial Co., Ltd. (Panasonic была одной из торговых марок этойкомпании). Штаб-квартира — в городе Кадома префектуры Осака (Япония).
Диаграмма 1.
/>
Диаграмма 2.
/>
Диаграмма 3.
/>
Важнейшее значениеэлектролиз имеет при получении тяжелой воды Тяжёловодородная вода имеет ту жехимическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного лёгкого протиясодержит два атома тяжёлого изотопа водорода – дейтерия. История её открытия иполучения подробно раскрыта в приложении 5. Сначала тяжёлая вода была полученав малых количествах, затрачено много средств, в особенности объёмов воды,которые подвергаются электролизу. Далее процесс был усовершенствован. Тяжёлаявода нашла широкое применение. Важнейшим её свойством является то, что онапрактические не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторахдля их торможения и в качестве теплоносителя. Также применяется в качествеизотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарныхчастиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейшийдетектор солнечных нейтрино SNO(Канада) содержит 1000 тонн тяжёлой воды.
Получение металловтакже не обошлось без использования электролиза. Так, к примеру, получаюталюминий из его расплава.
Более широкоеприменение данный процесс нашёл в гальваническом производстве. Гальваническое покрытие– это металлическая пленка толщиной от долей микрона до десятых долеймиллиметра, наносимые на поверхность неметаллических изделий методом гальваникидля придания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных,декоративных свойств. Из самых распространённых процессов сюда относитсямеднение, никелирование, хроматирование и др. Существует так же игальванопластика – осаждение толстого, массивного слоя металла на поверхностикакого-либо предмета, форму которого хотят воспроизвести, скопировать.
Данные процессы широкораспространены в наше время. Гальванические цеха есть на большинстве заводов.Один из таких заводов описан в приложении 8.
Некоторые механизмыгальванопластики и гальваностегии возможно осуществить и в домашних условиях.Это мы доказали, проведя некоторые опыты. (Приложение 9.) Конечным результатомработы стало создание инструкции по проведению таких опытов, которые вы можетепопробовать сами.
Гальваностегияи гальванопластика
Урокгальванопластики
После анодированияалюминия естественно будет перейти к очередным электрохимическим опытам, благопод рукой есть и электролитическая ванна, и источник тока, и ключ с реостатом.В этих экспериментах мы будем извлекать металл из раствора и наносить его наповерхность. Этот процесс называют гальваностегией, а покрытия — гальваническими.Кстати, анодирование алюминия тоже относится к гальваностегии.
Сначала поучимся наноситьна стальную поверхность медь. Меднение очень распространено в промышленности, ине только как самостоятельный процесс, но и (пожалуй, даже чаще) какподготовительная операция перед покрытием другими, более прочными и наряднымипленками: хромовыми, никелевыми, серебряными. Причина в том, что медь,правильно нанесенная, очень прочно держится на стали и выравниваетшероховатости и дефекты его поверхности, а другие металлы, в свою очередь,хорошо осаждаются на медной пленке.
Казалосьбы, все просто: обработал стальную деталь раствором медного купороса, болееактивное железо вытеснило медь из раствора, и она осела на поверхность.Действительно, так и будет (можете проверить, опустив чистый гвоздь в растворCuSO4). Но слой меди на поверхности очень рыхлый — его легко стеретьдаже тряпкой. А при электрохимической обработке медный слой получается ровным ипрочным.
Вот очень простойспособ меднения. С одного конца мягкого многожильного провода снимите изоляциюи растеребите тонкие медные проволочки, чтобы получилась «кисть». Дляудобства работы привяжите ее к деревянной палочке или карандашу, а другой конецпровода подсоедините к положительному полюсу батарейки для карманного фонаря.Электролит — концентрированный раствор медного купороса, желательно слегка подкисленный,- налейте в широкую склянку, в которую удобно будет макать «кисть».Подготовьте стальную пластинку или другой небольшой предмет, желательно сплоской поверхностью. Протрите его мелкой наждачной шкуркой и обезжирьте,прокипятив в растворе стиральной соды. Положите пластинку в ванночку или кюветуи подсоедините ее проводом к отрицательному полюсу батарейки. Схема собрана,осталось только ввести электролит. Обмакните «кисть» в раствор медногокупороса и проведите ею вдоль пластинки, стараясь не дотрагиваться доповерхности; работайте так, чтобы между пластинкой и кистью был всегда слойэлектролита. Проводки все время должны быть смочены раствором. На глазахпластинка будет покрываться красным слоем металлической меди. На обработкумаленькой детали уйдут считанные минуты. Если же поверхность побольше, топотребуется не только дополнительное время, но и дополнительная батарейка;соедините ее с первой параллельно. Когда покрытие нанесено, высушите деталь навоздухе и матовый слой меди натрите до блеска шерстяной или суконной тряпкой.Кстати, этот опыт можно ставить и с алюминиевой, и с оцинкованной пластинкой.Такой процесс, при котором деталь не опускают в электролитическую ванну, аобрабатывают снаружи небольшими участками, добавляя все время электролит, поройиспользуют и на практике, особенно в тех случаях, когда деталь настольковелика, что для нее не подберешь подходящей ванны. Например, когда надоподновить покрытие на обшивке океанского корабля. Впрочем, если деталиневелики, их обычно все же погружают в ванну с электролитом — это быстрее иудобнее. Вот как это делают перед никелированием, ибо без предварительногомеднения в этом случае не обойтись
В банку или стаканопустите на проволочках (лучше медных) две медные пластинки — аноды. Между нимина проволочке же подвесьте деталь (все эти проволочки, напоминаем, удобнеевсего обмотать вокруг карандаша и положить его на края банки). Те проволочки,которые идут от медных пластинок, соедините вместе и подключите кположительному полюсу источника тока, а деталь — к отрицательному; включите вцепь реостат или радиосопротивления на 200-300 Ом, чтобы регулировать ток, имиллиамперметр (тестер). Источник постоянного тока — две-три батарейки длякарманного фонаря, соединенные параллельно, или аккумулятор с напряжением неболее 6 В. Раствор электролита — 20 г медного купороса и 2-3 мл серной кислотына 100 мл воды — налейте в стакан, раствор должен полностью покрыть электроды.Пользуясь реостатом или подбирая сопротивления, установите ток от 10 до 15 мАна каждый квадратный сантиметр поверхности детали. Минут через двадцатьвыключите ток и выньте деталь — она покрыта тонким слоем меди. Электролитмеднения не выливайте, он еще пригодится. Далее — собственно никелирование.Приготовьте новый электролит (30 г сульфата никеля, 3,5 г хлорида никеля и 3 г борной кислоты на 100 мл воды) и налейте этот электролит в другой стакан.Для никелирования нужны никелевые электроды. Опустите их в электролит, соберитесхему так же, как при меднении, и включите ток, вновь примерно на двадцатьминут. Выньте деталь, промойте и просушите ее. Она покрыта сероватым матовымслоем никеля. Чтобы покрытие приобрело привычный блеск, его надо отполировать. Электролит для хромирования содержит обычно хромовую кислоту. Но так как этойкислоты у вас, вероятно, нет, прибегнем к обходному маневру. Вы уже получали зеленыйхромовый пигмент. Если же вы не ставили тот опыт, то имейте в виду, что хромовыйзеленый продается в магазинах. Сплавьте оксид хрома с содой на воздухе, т. е.нагрейте смесь в чистой металлической банке. Вы получили хромат натрия Na2CrO4.Растворите его в воде, профильтруйте и подкислите серной кислотой; в этомрастворе можно проводить хромирование.
Разумеется,если у вас есть готовый хромат натрия, готовить его излишне. Небольшой предмет,который вы собираетесь хромировать, обработайте как обычно наждачной бумагой,обезжирьте, протравите слабым раствором кислоты и промойте. Он будет катодом,подсоедините его к отрицательному полюсу источника тока. Анод нужен инертный,например, графитовый. Разберите старую батарейку и извлеките из нее графитовыйстержень. Чтобы получить ток, достаточный для хромирования, надо взятьаккумулятор либо несколько батареек для карманного фонаря.
Времяопыта и требуемый ток подберите самостоятельно. По окончании электролиза выньтедеталь из электролита, тщательно промойте ее и отполируйте до блеска тряпочкойс зубным порошком.
Урокгальванопластики.
Еще один оченьраспространенный электрохимический процесс – гальванопластика, т.е. осаждениетолстого, массивного слоя металла на поверхности какого-либо предмета, формукоторого хотят воспроизвести, скопировать. Гальванопластику используют в техслучаях, когда у металлической детали очень сложная форма и обычными способами(литьем или механической обработкой) ее трудно или невозможно изготовить. Таквоспроизводят иногда скульптуры по моделям (колесница Аполлона на фронтонеБольшого театра сделана гальванопластикой); так же кодируют с записи-эталонаметаллические формы, в которых прессуют грампластинки, в точности воспроизводятончайший рельеф бороздок.
Если у вас не осталосьраствора для меднения, то приготовьте его вновь. Возьмите кусок воска илипарафина, очень тщательно разгладьте его поверхность, чтобы она стала повозможности плоской. На этом гладком участке процарапайте надпись, рисунок илиузор. Советуем написать свои инициалы — тогда у вас получится монограмма.Писать удобнее всего иглой, только, пожалуйста, не оставляйте слишком глубокихцарапин. Мягкой кисточкой нанесите на поверхность с рисунком электропроводящийпорошок. Можно, например, растолочь в ступке грифель простого карандаша илиграфитовый стержень батарейки. По краям рисунка прижмите к поверхности,покрытой графитом, тонкие оголенные медные проволочки (они будут служитьтокоотводами) и соедините их между собой. Восковой слепок подвесьте в стакан,налейте электролит, опустите медный электрод и соберите такую же схему, как и вопытах с меднением. Но в отличие от гальваностегии тут нужен намного меньшийток, примерно 5-10 мА. Поэтому придется передвинуть движок реостата или жеподобрать другое радиосопротивление. Включите ток и наберитесь терпения, потомучто при таком токе медь будет осаждаться на графитированной поверхности поменьшей мере пять часов, если не больше, однако увеличивать ток не надо:качество работы будет гораздо хуже. Разомкните цепь и выньте из стаканавосковой слепок. Осторожно опустите воск в горячую воду – он расплавится. А увас в руках окажется тонкий медный листок с узором.
Аккуратно оторвите отнего проволочки-токоотводы. Точная копия рисунка получена. Теперь можно перейтик весьма полезному делу: к изготовлению способом гальванопластики уникальныхзначков. Они будут только в вашей коллекции! Если же в кружке вы сделаетедвадцать-тридцать сувениров, они долго будут напоминать вам и вашим товарищам отуристическом походе, о спортивных соревнованиях. Советов художественногосвойства давать не будем: эскиз придумайте сами. Не надо сложных значков: иделать труднее, и смотрятся они хуже. По эскизу вырежьте шаблон из тонкогокартона — он должен повторять внешний контур значка. Положите шаблон на тонкуюмедную или латунную фольгу и аккуратно вырежьте по нему столько заготовок,сколько значков вы собираетесь сделать. Ваша заготовка мягкая. Чтобы она сталажесткой, покройте ее слоем меди в гальванической ванне. В принципе вы ужеумеете это делать; здесь вы найдете советы применительно к изготовлениюзначков. Заготовки проткните у края иглой и пропустите в отверстие тонкуюмедную проволочку. Промойте заготовки, протрите бензином и зубным порошком, ещераз промойте и, держа за подвеску или с помощью пинцета, опустите на полминутыв разбавленный, примерно 5%-ный раствор азотной кислоты. Напоследок промойте впроточной воде и подвесьте на металлический стержень. Всю подвеску опустите встакан с двумя медными пластинками-анодами (значки будут катодами). Листочкифольги должны быть расположены на разных уровнях, чтобы они не закрывали другдруга. В стакан налейте электролит — 25 г медного купороса и 1,5 мл серной кислоты на 100 мл воды, желательно дистиллированной. Источник тока — аккумулятор;можно использовать и трансформатор с выпрямителем. Ток в цепи около 10 мА на 1см2. Толщина медного слоя должна быть 0,5-0,8 мм. Когда меднение закончено, промойте детали. Если вы решили сделать на значке рельефноеизображение или надписи, наметьте их иглой. Ту часть поверхности, которую покрыватьне надо, закройте тонким слоем клея БФ, лака или парафина, опустите заготовки вэлектролит и опять включите ток, чтобы открытые участки покрылись слоем меди — тогда они станут выпуклыми. После этого клей или парафин снимите. Если сумеете,выгравируйте на значке надпись или изображение, и обязательно припаяйте собратной стороны булавку. Наконец, придадим значку нарядный вид. Химическаяокраска и никелирование вполне пригодны. Но еще лучше выглядят значки «подстарое серебро». Заготовьте 2-3%-ный раствор нитрата серебра (можнорастворить в воде аптечный ляписный карандаш). Небольшими порциями добавляйтесоляную кислоту — три-четыре объема на один объем раствора.
С выпавшего осадкахлорида серебра слейте раствор, осадок несколько раз промойте дистиллированнойводой, сливая воду очень аккуратно, по стеклянной палочке, чтобы не терять хлоридсеребра. К отмытому осадку добавьте небольшими порциями 30%-ный раствор иодидакалия до тех пор, пока осадок не растворится полностью. Долейте воду, чтобыдовести объем раствора до первоначального. У вас должно быть столько жеэлектролита для серебрения, сколько вы приготовили его для меднения. В этотэлектролит погрузите значки (они вновь будут катодами). Анодами могут служитьграфитовые стержни, лучше из батареек, а не из карандашей, потому что ихплощадь должна быть немного больше площади значков. Плотность тока небольшая,около 1 мА/см2. Так на значках образуется слой серебра и, конечно,оно выглядит как новое. Однако не такая уж хитрость почернить значки под староесеребро… Водный раствор сульфида калия примерно 0,5-1%-ной концентрациинагрейте до 50oС. Значки в этом растворе постепенно изменят цвет — они станут сначала серыми, потом синеватыми и, наконец, черными. Промойтезначки и потрите их фетром или суконкой. Тогда выпуклые части посветлеют,остальная же поверхность останется черной, и значки будут выглядеть именно так,как изделия из старого серебра.
Экологическая составляющая
Гальваническое производствоявляется одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды,главным образом поверхностных и подземных вод. Ввиду образования большогообъёма сточных вод, содержащие вредные примеси тяжёлых металлов, неорганическихкислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичныхсоединений, а также большого количества твёрдых отходов, особенно отреагентного способа обезвреживания сточных вод.
Экологическая опасностьгальванического производства характеризуется объёмом потребляемой исбрасываемой воды. Поэтому усилия по снижению экологической опасности должныбыть направлены на проведение мероприятий, снижающих объём и токсичностьобразующихся отходов.
На предприятии сточные воды послегальванического производства проходят очистку на станции нейтрализации, гдеобезвреживаются и после нейтрализации сбрасываются на городские очистныесооружения на дополнительную очистку.
Выводы
На основе изученного нами обширногоматериала и собственных исследований можно сделать вывод, что электрический токв жидких проводниках – важнейшее открытие в истории человечества, котороенаходит свое применение в разных средах: биологии, медицине, химии,промышленном производстве и т. д. Без этого процесса невозможно было быполучить некоторые чистые металлы, произвести обработку изделий, создатьвеликолепные памятники (гальванопластика), ювелирные украшения и многое другое.Велико значение электролиза в получении тяжелой воды для ядерных реакторов.Применение этого процесса можно перечислять бесконечно, т. к. со временем оностановится еще более незаменимым, быстро расширяет свои границы.
Литература
1. ГальваниА., Вольта А. «Избранные работы о животном электричестве.» — М.; Л.: ОГИЗ,1937.
2. РозенбергерФ. «История физики.» — М.; Л.: ОНТИ, 1937.
3. Большаясоветская энциклопедия. В 30 тт.
4. КудрявцевП.С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1982.
5. О.Ф. Кабардин, В. А. Орлов «Физика 10 класс» — М.: Просвещение, 1995.
6. КирилловаИ. Г. «Книга для чтения по физике» — М.: Просвещение, 1986.
7. Интернет:galvan.ru/.
Приложение 1
Процесс электролиза врастворах и расплавах электролитов
Электрический ток вметаллах никакими химическими процессами не сопровождается. Это объясняетсятем, что носителями тока в металлах являются электроны. Но существует такойкласс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождаетсяопределенными химическими изменениями: растворы солей, кислот и оснований, т.е. растворы электролитов, а также их расплавы.
Соединим с источникомтока последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой,в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводитэлектрического тока. Замкнув цепь, мы увидим, что лампа не горит. Однако еслимы растворим в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то лампазагорится, а на катоде из раствора выделится медь.
/>
При протеканииэлектрического тока через растворы электролитов вместе с зарядом всегдапереносится вещество (это явление называется электролизом). Отсюда следует, чтоносителями тока в этих проводниках являются заряженные атомы, или группыатомов, т. е. ионы. При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральныемолекулы этих веществ расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Этоявление называется электролитической диссоциацией.
Растворы электролитоввсегда содержат некоторое число ионов: катионов (положительных ионов) и анионов(отрицательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершаюттолько беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобноэлектронам в металлах, начинают дрейфовать в направлении действующей на нихсилы: катионы — к катоду, анионы — к аноду.
Электрический ток врастворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионовобоих знаков в противоположных направлениях.
/>
Приложение 2
Краткая биографияЛуиджи Гальвани
Итальянский анатом ифизиолог Луиджи Гальвани, один из основателей учения об электричестве,основоположник электрофизиологии, родился в Болонье. В 1759 г. окончил Болонский университет, в котором изучал сначала богословие, а затем медицину,физиологию и анатомию; в 1762 г. получил степень доктора медицины.Преподавал медицину в Болонском университете, откуда незадолго до смерти былуволен за то, что отказался принести присягу Цизальпинской республике,основанной в 1797 г. Наполеоном Бонапартом.
Первые работы Гальванипосвящены сравнительной анатомии. В 1771 г. он начал опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированнойлягушки под влиянием электрического тока; наблюдал сокращение мышц присоединении их металлом с нервами или спинным мозгом, обратил внимание на то,что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разныхметаллов. Гальвани объяснил эти явления существованием «животногоэлектричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке.Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 вработе «Трактат о силах электричества при мышечном движении» («De ViribusElectricatitis in Motu Musculari Commentarius»). Новыми опытами (опубликованы в1797) Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к нейметалла – в результате непосредственного её соединения с нервом. ИсследованияГальвани имели значение для медицинской практики и разработки методовфизиологического эксперимента.
Приложение 3
Первый период физикипоследнего столетия
Животное электричество(приблизительно от 1790 до 1800 г.).
После того каквызванные открытием электрической машины, лейденской банки и т. п., порывыэнтузиазма улеглись и радужные надежды, связанные с этими открытиями,значительно ослабели, было произведено внезапное, без всяких предвестников ибез всяких видимых причин, новое открытие в области электричества, котороеповлияло на судьбу физики сильнее всех прежних. Виновника этого открытияпочтили тем, что перенесли его имя на новую отрасль физической дисциплины,гальванизм.
Вопрос о новом видеэлектричества.
Первое известие об этомоткрытии Гальвани сам сообщил в небольшой работе «De viribus electricitatismusculari commentanus» (Comment. Bonon., VII, 1791) («О влиянии электрическихсил на движение мускулов животных»). Многие физики относят начало работ Гальванипо этому вопросу к 1780 г.; но начальные слова Гальвани в приведенном сочиненииделают это мало вероятным. «Мне хотелось,— говорит Гальвани, — издать в светсочинения хотя бы в несовершенной и незаконченной… но, по крайней мере, не впервоначально грубой, едва начатой форме. Но так как я почувствовал, что у меняне хватит на это ни времени, ни досуга, ни умственных сил, я предпочел пользудела своему естественному желанию». Повод к своему открытию он описывает так:«Я разрезал лягушку… и положил ее без всякого умысла на стол, где стоялаэлектрическая машина, отдельно от кондуктора, на довольно значительном расстоянииот последнего. Но когда один из моих слушателей приблизил острие ножа кбедренному нерву, мышцы всех конечностей вдруг сократились, как от сильнойсудороги. Другой из присутствовавших утверждал, что это явление произошло лишьтогда, когда кондуктор дал искру. Он очень удивился этому новому явлению ирассказал мне о нем, так как я был занят в это время чем-то совершенно другим.У меня явилось желание тотчас же увидеть это новое явление и расследовать егоскрытую причину». Упомянутый «другой из присутствовавших» заставлялвпоследствии многих ломать себе голову над вопросом, кто бы это мог быть. ВБолонье утверждали, что это была жена Гальвани, которой в сущности ипринадлежит честь открытия явления. Замена слова «другой» именем определенноголица, конечно, увековечила бы последнее; но упрекать Гальвани за такуюзабывчивость все-таки нельзя.
То явление, котороенаблюдал «другой», представляло собою не более как особую форму общеизвестноготогда влияния разрядов электричества (от трения при прохождении их через теложивотного); а то обстоятельство, что здесь искра машины действовала не прямо,не должно было показаться удивительным, после того как стало известноэлектрическое влияние на расстоянии. Во всяком случае, сам Гальвани не разделялсильно распространенного и до сих пор, но ложного, мнения, будто в этомнаблюдении уже заключалось открытие нового вида электричества. Он лично сбольшим усердием занялся всесторонним исследованием влияния знакомых источниковэлектричества на мускулы животных. И только после продолжительных многократныхи тщательных опытов Гальвани пришел к неожиданным результатам: онконстатировал, что сокращения происходят лишь в то время, когда из машиныизвлекаются искры; что сокращения бывают более или менее сильны, независимо отнапряжения электричества машины, смотря по тому, прикасается ли рука к костянойрукоятке ножа, или к его железной оправе, или, наконец, к железным гвоздям.Опыты с железными прутьями и сухими стеклянными палочками ясно показали, чтовоспроизведения явления необходимо прикосновение к нерву при помощи проводящеготела, и притом достаточно большого. Сообщение мышц с неизолированным телом илиотведение их при помощи проволоки к земле в высокой степени способствовалополучению сильных сокращений. В соответствии с этим Гальвани установил различиемежду нервными и мышечными кондукторами как факторами, необходимыми длянаступления мышечных сокращений или, по крайней мере, способствующими им.Сокращение оказалось до известной степени в прямом отношении как к силе искры иживотного, так и к силе кондукторов, особенно нервного; но в обратном отношениик расстоянию от кондуктора машины. Искры отрицательного электричества неотличались по своему действию от искр положительного: искры электрофорадействовали так же, как искры от машины. Соприкосновение с нервами,отпрепарированными на живом животном, давало такие же сокращения, как и наумерших животных. Теплокровные животные тоже давали сокращения, но обыкновеннонесколько более слабые, чем холоднокровные. Затем Гальвани исследовал действиеестественных электрических искр, а именно молнии. С крыши дома была спущенадлинная проволока, которая была присоединена к нервам задних конечностейлягушки.
/>
Теплокровные животныетоже давали сокращения, но обыкновенно несколько более слабые, чемхолоднокровные. Затем Гальвани исследовал действие естественных электрическихискр, а именно молнии. С крыши дома была спущена длинная проволока, котораябыла присоединена к нервам задних конечностей лягушки.
Другой проводник(мышечный кондуктор), присоединенный к мышцам такого же препарата, был спущен вколодезь вплоть до воды. «Как только появлялись молнии, тотчас же мышцыприходили в сильные сокращения, которые совпадали по времени с молнией ипредшествовали грому. Согласие явлений было настолько велико, что сокращенияпроисходили и в случае, когда мышечного кондуктора не было или нервный былизолирован». Сокращения происходили и без молний, если только небо было покрытотучами, или когда облака проходили невысоко над нервным кондуктором. Но тогда ипоставленные рядом электрометры показывали присутствие электричества. Послеэтого Гальвани постарался выяснить, не действует ли и нормальное атмосферноеэлектричество на мышцы лягушки, оказавшиеся до сих пор столь чувствительнымэлектроскопом. «Так как мне часто случалось вешать приготовленных для опытовлягушек на окружавшую наш дом железную решетку при помощи железных крючков,проткнутых через спинной мозг, и я заметил сокращения мышц не только во времямолнии, но также в ясную тихую погоду, то я полагал, что причина этих явленийлежит в дневных колебаниях атмосферного электричества. Поэтому я стал наблюдатьпрепараты в разные часы в течение нескольких дней подряд, но едва заметилнесколько сокращений в мускулах. Утомленный ожиданием, я изогнул и плотноприжал к решетке крючок, пропущенный через спинной мозг, чтобы видеть, неудастся ли теперь вызвать мышечные сокращения и не получится ли каких-либоизменений в связи с различными состояниями атмосферы и электричества. Теперьсокращения появлялись нередко, однако, вне всякой связи с изменением состоянияатмосферы или электричества. Но так как сокращения эти наблюдались мною лишь наоткрытом воздухе (в других местах я этих опытов еще не делал), то легко былоприписать их атмосферному электричеству, которое входит в животное, скопляетсяздесь и сильно разряжается при соприкосновении с решеткой». До этих опытовмысль о новом источнике электричества еще не появлялась в уме Гальвани, поворотнаступил лишь тогда, когда Гальвани решил повторить те же самые опыты взакрытом помещении. «Когда я, — продолжает Гальвани, — внес лягушку в комнату,положил ее на железную пластинку и приблизил к последней крючок, проткнутыйчерез спинной мозг, то получились прежние движения, прежние сокращения. Затеммною было испробовано то же самое с различными металлами, в различных местах, вразные дни и часы, и всегда результат получался одинаковый; разница была лишь втом, что от различных средств получались и различные сокращения, в однихслучаях сильнее, в других слабее. Непроводящие тела вовсе не давали сокращений.Этот результат нас очень удивил, и мало-помалу мы пришли к мысли о присущемживотному электричестве. Предположение это усилилось еще более, когда мы вовремя явления стали замечать как будто перемещение тонкой нервной жидкости изнервов в мышцы, подобное такому же перемещению в лейденской банке. Именно,когда я держал препарированную лягушку одной рукой за крючок, пропущенный черезспинной мозг таким образом, что ноги лягушки касались серебряной чашки, адругой рукой прикасался при посредстве металлического тела к верхнему краю илик бокам серебряной чашки, на которой находились ноги лягушки, то животное,вопреки всякому ожиданию, приходило в сильнейшие сокращения и это происходилонеизменно каждый раз при повторении этого опыта». Последний опыт Гальванивидоизменил таким образом, что лягушку держал он сам, а прикасался к серебрянойчашке другой. Тогда явление не имело места; но стоило наблюдателям взяться заруки и образовать цепь, сокращения появлялись при каждом прикосновении. Ещекрасивее, однако, был следующий опыт. «Если держать лягушечий препарат скрючком в спинном мозгу приподнятым за одну ногу и опустить на серебрянуюпластинку таким образом, чтобы другая нога и крючок прикоснулись к серебру, товследствие сокращения мышц свободная нога подпрыгивает, затем опускается и,коснувшись серебряной пластинки, опять подпрыгивает и т. д., представляя кнемалому удивлению и удовольствию наблюдателей подобие электрическогомаятника». Для удачи опыта не нужно и металлической пластинки, — достаточносоединить металлической дугой бедренный нерв с мышцами. Замечательно при этом,что если применять для этого один и тот же металл, то движения чисто получаютсяслабые, или их даже вовсе не бывает; но стоит только ввести в цепь кусок медиили, еще лучше, серебра, и сокращения делаются тотчас же более сильными ипродолжительными. Всего сильнее получаются мышечные сокращения, если нервобложить оловянной фольгой (станиолем) и наложить проводящую дугу. Тогда в цепьможно ввести даже несколько человек без заметного ослабления движения.Вероятно, на обкладке, как в лейденской банке, своеобразное животноеэлектричество скопляется сильнее, чем без нее. Но где, собственно, находитсяэто электричество, находится ли одно из них в мышце, а другое в нерве, или жеоба они находятся в мышце, и из какой части оно течет, определить чрезвычайнотрудно. Если, однако, можно себе позволить высказывать предположения в таком темномделе, то я склоняюсь к мысли, что местопребывание обоих электричеств следуетискать в мышце… Если стать на эту точку зрения, то не покажется уже нинатянутым, ни невероятным гипотетическое уподобление мышечного волокнамаленькой лейденской банке или какому-либо другому телу, заряженному двумяпротивоположными электрическими зарядами, а именно уподобление нерва кондукторубанки, а, следовательно, всей мышцы — значительному количеству лейденскихбанок». Гальвани приводит целый ряд свойств животного электричества, вподкрепление только что приведенной параллели, упоминает и о таких, которыенаходятся с ней в противоречии, но, в конце концов, приходит к следующемувыводу: «Итак, да позволено нам будет следовать этой не слишком невероятнойгипотезе, которую, однако, мы тотчас же оставим, когда другие ученые выскажутболее верное суждение о предмете или установят лучшую гипотезу на основанииоткрытий и новых опытов». После того, как Гальвани, сравнив еще открытое имживотное электричество с электричеством рыб и с электричеством от трения,установил их различие, он перешел к наиболее интересному для него, как дляанатома, объяснению движений животных электричеством и к применению его длялечебных целей. Из мозга исходят импульсы, нарушающие равновесие обоих электричествсначала в нерве, а потом, так как нерв хороший проводник, и в соответствующихмышцах. Но, как показывают опыты с искусственным электричеством, каждоенарушение равновесия в мускулах вызывает сокращение мышц. Что же касаетсялечения болезней при помощи искусственного электричества, то оно может бытьосуществлено таким образом, что искусственному электричеству, в зависимости отхарактера болезни, можно дать направление одинаковое или уже противоположное сестественным животным электричеством, соответственно усиливая или ослабляя этимдействия последнего.
Таким образом, Гальванис несомненной гениальностью разрешил очень большую задачу. Несмотря натрудности, он открыл существование непрерывного электрического тока в цепи,составленной из металлов и лягушечьих мышц, установил ряд его свойств иправильно определил на опыте влияние на этот ток металлов, а равно и телаживотных. За то, что он ошибся в определении действительного источника этогоэлектричества, он поплатился своею славою в большей мере, чем бы следовало; вовсяком случае, сильно распространенное мнение, будто он с самого началаприменил для своих опытов два разнородных металла и, следовательно, обладаяизвестной даровитостью, должен был бы придти к мысли о контактном илиметаллическом электричестве, совершенно неверно. Считая металлы в этих явленияхтолько проводниками, он употреблял медь или серебро наряду с железом толькоиз-за их большей проводимости. Впоследствии эти опыты удавались ему и безприменения металлов, когда он даже препарирование мышц производил стеклянныминожами. Действительно открытое им и не признанное его противниками животное илифизиологическое электричество помешало ему заметить, что в большинстве прежнихего опытов наблюденные им явления вызывались не этим электричеством, а другим,более сильным металлическим электричеством.
Открытия Гальванипроизвели огромное впечатление и вызвали ряд последователей. В письме от 5апреля 1792 г. д-р Евсевий Валли подтверждает опыты Гальвани и описывает электричествомножества различных животных, особенно таких, которые были им умерщвленыкаким-нибудь необыкновенным образом. В том же письме он сообщает, что Вольта(«один из первых авторитетов в области электричества, гений между физиками»)очень усердно занимается этими вопросами. Сам Вольта описал эти работы в письмек миланскому врачу от 3 апреля 1782 г. Подобно Гальвани, он находит, чтолягушки наиболее чувствительны, если обнаженные бедренные нервы обложить тонкойметаллической пластинкой. Тогда для их сотрясения достаточны такие слабыезаряды лейденской банки, которых уже нельзя измерить электрометрам, и которые,следовательно, соответствуют не более 1/10° беннетовского (с золотымилисточками) электрометра. Далее он констатирует, что лягушки действительнопредставляют собою самый чувствительный из всех существующих до сих порэлектроскопов. Как в этом письме, так и в двух последующих, помещенных в том же 1792 г. в «Giornale fisico-medico Brugnatelli» он является сторонникомживотного электричества; но уже и здесь чувствуется, что он скоро покинет путь,которому следовал Гальвани. Перечисляя условия, при которых происходятсокращения мышцы, Вольта говорит: «В-третьих, эти обкладки должны состоять изразнородных металлов, одна — из свинца или олова, другая — из золота, серебра,латуни и железа. Разнородность металлов совершенно необходима; если жеприменяется один металл, то, по крайней мере, его необходимо прикладыватьвозможно различным образом». При этом, в согласии с наблюдениями Гальвани, онотмечает, что вообще наличие двух металлов способствует явлению, и полагает,что если оно происходит и при наложении дуги из одного металла, то, вероятно, вданном случае металл на всем своем протяжении не вполне однороден. Наконец, онделит металлы в зависимости от того, как они распределяют животноеэлектричество, на три класса, а именно: 1) олово и свинец; 2) железо, медь,латунь и 3) золото, серебро и платина. Позднее Вольта указывает на то, чтосокращения можно вызвать не только на целых животных или на отдельных членах,но даже на отдельных кусочках мышц, если только применить разнородные обкладки.«Если последние состоят с одной стороны из плотно наложенного листка станиоля,а с другой — из серебряной обкладки, которая лишь прикасается к члену, то опытыудаются лучше всего». Наконец, в этих же сообщениях находится совершенно новоеоткрытие Вольты. Разнородные обкладки вызывают иногда при прохожденииэлектрической материи через мускулы языка не сокращения, а вкусовые ощущения.Чтобы вызвать последние, лучше всего плотно наложить гладкую полоску станиоляна кончик языка, а на середину или на другую часть языка положить серебрянуюили золотую монету, или вообще какой-нибудь предмет, сделанный из этих металлов,и затем соединить обе эти обкладки. Тогда, смотря по роду металлов, получаетсяболее или менее сильный кислый вкус. «Замечательно, что этот вкус длится всевремя, пока олово и серебро сообщены между собою, и даже постоянно нарастает всиле. Это показывает, что переход электрической материи с одного места надругое происходит непрерывно… Не менее замечательно и то, что с переменойместа обкладок, т. е. если на кончик языка положить серебро, а на серединуязыка олово или серебряную бумагу, изменяется и характер вкуса, ощущение накончике языка тогда уже не кислое, а скорее щелочное, резко приближающееся кгорькому». Вольта ожидает многого от этого открытия, но, не желая вдаваться вобласть предположений, пока остается исключительно на почве опытов.
И в самом деле, уже вследующем году (в том же бруньятеллевском журнале) он описывает новоеинтересное и многообещающее видоизменение того же опыта. «При помощи тех жеразличных обкладок, которыми вызывается ощущение вкуса, мне удалось вызвать иощущение света. — Я накладываю на глазное яблоко конец оловянного листочка,беру в рот серебряную монету или ложку и затем привожу обе эти обкладки всоприкосновение при помощи двух металлических острий. Этого оказываетсядостаточно, чтобы тотчас же или каждый раз, как производится соприкосновение,получить явление света или преходящей молнии в глазу… Из всех этих опытов…никоим образом нельзя заключить о существовании действительного животногоэлектричества… Я произвел опыты, которые показывают такой же переход электрическойжидкости, если металлы разных родов приложены не к животным частям, а ккаким-либо влажным предметам, например, бумаге, коже, сукну и т. д.,пропитанным водою или, еще лучше, к самой воде. Это и составляет пока весьэффект подобного соединения металлов, причем в данном случае они являются непросто проводниками, то настоящими возбудителями электричества; в этом изаключается главное открытие». Вольта, по его собственным словам, по мереувеличения числа опытов все более и более убеждается, что электрическая материяникак не вызывается жизненною силою и не возникает в органах тела, а происходитвследствие различия, иногда крайне незначительного, металлов. «Но если это так,то что, собственно, остается от гальванического животного электричества, существованиекоторого Гальвани как будто доказал своими прекрасными опытами. Ничего, кромечрезвычайной чувствительности нервов..., т. е. чисто пассивной восприимчивостипо отношению к всегда постороннему и искусственному электричеству, которое ониощущают в виде, так сказать, простого электрического ножа».
Наконец, в 1794 г. Вольта открыто и решительно покидает мысль о животном электричестве. Соответствующая статьяего появилась в 1794 г. в журнале Бруньятелли в форме письма к доктору Вазалли.Здесь он прямо ставит основной вопрос: «Что вы думаете о так называемомживотном электричестве? Что касается меня, то я уже давно убедился, что вседействие исходит из металлов, от соприкосновения которых электрическая жидкостьвходит во влажное или водянистое тело, причем из одного металла оно истекаетсильнее, чем из другого». Таким образом, Вольта утверждает, что присоприкосновении различных металлов электричества распределяются в них такимобразом, что один род электричества собирается на одном металле, другой род надругом; когда же металлы приводятся в соприкосновение посредством проводящейдуги, то в последней устанавливается непрерывный ток электричества. Здесь же ондополняет свои прежние данные, указывая, что электрический ток бывает темсильнее, чем далее отстоят примененные металлы друг от друга в следующем ряду:цинк, олово, свинец, железо, латунь, бронза, медь, платина, золото, серебро,ртуть; при этом он отмечает, что графит и твердый уголь действуют то же, какметаллы. Противоречащие этому наблюдения Гальвани, согласно которым сокращениялягушек могут происходить и при наличии одного металла, он объясняет имеющейсявсегда более или менее незначительной разнородностью частей в одном и том жекуске металла; он показывает на прямом опыте, что металлическая дуга, невызывающая сокращений, приобретает это свойство после того, как обе половины еебыли различно закалены, выкованы или окислены. Он указывает и на то, чтоподобные же явления могут быть обнаружены и в электричестве от трения. Еслитереть друг о друга два одинаковых тела, то они вообще не наэлектризовываются.Но иногда для получения этого эффекта достаточно только изменить поверхностьодного из тел. На этом основании он считал себя вправе приписать все новыеэлектрические явления металлам и заменить название «животного» электричествавыражением «металлическое» электричество.
Однако все сказанное неубедило ни Гальвани, ни некоторых других физиков, например Карминати, Валли,Альдини (племянник Гальвани) и др. Последних и нельзя упрекать за это, так какдо сих пор все явления одинаково хорошо еще объяснялись как животным, так иметаллическим электричеством, но при этом за первым из них оставалось правопервородства. Чтобы отстоять свое мнение, названные физики избрали правильныйпуть, исключив полностью из своих опытов металлы, в которых Вольта видитглавных деятелей, и в самом деле, уже в 1794 г. Альдини в сочинении «De animali electricitate» (Bologna 1794) («О животном электричестве») сообщает об удачесвоих опытов, которые показывают, что сокращения могут быть получены и безучастия металлов — в цепи, составленной из частей животных. Несколько позднее исам Гальвани, который, как это уже было отмечено, довел свою осторожность дотого, что даже препарировал лягушек стеклянными ножами, зачастую получалсокращения, просто приводя в соприкосновение бедренный нерв лягушки с еемышцей. Тем не менее, победа осталась не за ним. В письмах к Грену 1795 г. и в письмах к Альдини 1798 г. Вольта сообщает, что ему удалось при помощи своего конденсаторапрямо доказать и измерить электричество, получающееся при соприкосновенииметаллов без всякого участия животных мышц; следовательно, даже те, которыепризнавали животное электричество, должны были признавать наряду с ним иметаллическое. Гальвани сам уже не был в состоянии продолжать борьбу; уже вследующем году, удрученный невзгодами, он умер; последователи же его вынужденыбыли замолчать, когда вскоре затем был открыт вольтов столб.
С опытами ГальваниГерманию познакомил впервые майнский профессор Аккерманн и вскоре за повторениеих принялись с большим рвением и успехом многие ученые: Креве, Э. И. Шмук,Грен, И. X. Рейль, Александр фон-Гумбольдт и X. Г. Пфафф. В общем онисклонялись больше в сторону Гальвани, чем Вольты; некоторые же из них, какКреве и еще в большей мере А. Гумбольдт, видели в реакциях мышц вовсе неэлектрические действия, а проявления особого агента жизненной силы,обнаруживавшего свое действие при соприкосновении нервов с мышцами.
Во Франциигальваническим электричеством стали заниматься позднее, когда несколькоулеглись бури революции. Созванная лишь в 1798 т. комиссия Национальногоинститута подтвердила все известные до того времени факты, но не высказалаопределенного мнения об их причине.
В Англии Р. Фоулерпроизвел несколько новых опытов с гальваническим электричеством и, подобнонемецким физикам, пришел к выводу, что причина, вызывающая эти явления, отличнаот электричества. Другие англичане, например А. Монро, д-р И. Ч. Уэлль иКовалло, считали, наоборот, эти явления тождественными с электрическими, такимобразом и здесь, покуда, вопрос оставался нерешенным.
Но, далее, к идее ометаллическом электричестве пришли также в результате новых наблюдений, имевшихпрямое соотношение к опытам Вольта над вкусовыми ощущениями. Фабброни уже в 1792 г. сообщил Флорентийской академии об интересных опытах, о которых более подробно он изложил лишьв 1796 г. Он нашел, что если два металла, погруженные в воду, привести в полноеили частичное взаимное соприкосновение, то металл, окисляющийся вообще сильнее,в воде окисляется значительно быстрее, чем на воздухе, причем в воде окисляютсяв этом случае даже такие металлы, которые на воздухе не соединяются скислородом. Подобные же явления наблюдал, независимо от Фабброни, д-р Эд. Аш вОксфорде. Он заметил значительное ускорение окисления цинка, когда последнийбыл положен на смоченное серебро, то же самое получилось, когда свинец былположен на ртуть и железо на медь. Гумбольдт в упомянутом выше исследовании,сообщив об опытах д-ра Аша и полностью их подтвердив, прибавил к ним новоенаблюдение, касающееся разложения воды, но не объяснил его причины (вероятно,вследствие своих воззрений на животное электричество). И все-таки при некоторомвнимании к ходу физических исследований уже и в то время было нетрудно заметитьродство этих явлений с электрическими, так как химическое действиеэлектричества от трения было уже давно открыто и описано. Беккариа уже в 1758 г. утверждал, что металлические земли, например сурик, свинцовые белила, цинковая зола и пр.,восстанавливаются электрической искрой, а граф де-Милли подтвердил этинаблюдения. Правда, другие физики, например Каде и Бриссон, полагали, чтообразовавшийся металл происходит от плавления проводников; но мнение их уже в 1787 г. было опровергнуто голландцами ван-Марумом и Паэтсом ван-Труствиком, которые, пропускаяэлектрические искры через каналы, наполненные суриком и пр., наблюдали вполнеопределенное восстановление металлических земель при прохождении электричества.Около того же времени Генри Кавендиш заметил изменение объема воздуха припропускании электрических искр и объяснил это химическим действиемэлектричества. Он установил, что как в чистом дефлогистированном воздухе (вкислороде), так и в чистом флогистированном (в азоте) электрическая искра непроизводит действия, а в смеси этих газов она вызывает образование химическогосоединения, сходного с азотной кислотой. Эти опыты, в свою очередь, былиподтверждены ван-Марумом, наблюдавшим, сверх того, выделение водорода изалкоголя при посредстве электрических искр и разложение аммиака на азот иводород. Наконец, Паэтс ван-Труствик и Дейман 3 в 1789 г. заметили, что при пропускании искр через воду из нее выделяются с соответственным постепеннымуменьшением количества воды, газы, которые, в свою очередь, превращаются вводу, если через них пропустить электрическую искру. Однако все эти опытыобратили на себя очень мало внимания.
Такие давно известныедействия электричества (от трения), как свет и теплота, конечно, должны былипобудить обратиться к вопросу о сущности этого замечательного агента. Легкопонять, что открытие химических действий электричества должно было еще болееусилить интерес к вопросу. В том обстоятельстве, что электричеству присущехимическое действие, видели подтверждение мысли, что электричество представляетсобою особое элементарное вещество, или, по крайней мере, своеобразнуюжидкость, состоящую из немногих элементов. Многочисленные связи, которые былиустановлены между электричеством, с одной стороны, и светом и теплотой, сдругой — сделали эту точку зрения вероятной и приводили к мысли, чтоэлектричество состоит из светового и теплового вещества, или, по крайней мере,содержит их в себе, как элементы. (Таким образом, в сущности оставались оченьблизко к старой мысли, что электричество представляет собою некоторуюразновидность огня.) Относительно же характера сочетания этих элементов немогли придти к какому-либо приемлемому соглашению.
Вильке принял различиемежду обоими элсктричествами подобным противоположности между огнем и кислотой,в связи с чем он даже предложил заменить знаки + электричества и —электричества названиями огонь и кислота. Аналогичных взглядов придерживалисьКратценштейн, Люстенберг, Карстен и др. И. Ф. Мейер считал главною составноючастью электричества жирную кислоту, выделяющуюся из некоторых тел при трении.Грен отождествлял электричество с световой материей; Ахард настаивал, наоборот,на тождестве его с тепловым веществом. Пристли утверждал, что электрическаяжидкость должна содержать в себе флогистон, или же прямо быть флогистоном.Генли тоже смотрел на электричество, как на видоизменение того основноговещества, которое в состоянии покоя называется флогистоном, а в состояниисильного движения — огнем. Он выставляет на вид то обстоятельство, что некоторые(растительные) вещества, богатые флогистоном, т. е. легко сгорающие, отдают притрении огонь и затем наэлектризовываются отрицательно. Наиболее подробноразработанную теорию дал Делюк, построивший электрическую теорию совершенно пообразцу своей тепловой теории. Подобно тому как водяной пар состоит из воды ирасширяющей жидкости, так и электричество состоит из тяжелогособственно-электрического вещества и расширяющей жидкости (fluidedéférent). Тела, наэлектризованные положительно и отрицательно,отличаются друг от друга тем, что первые, при одинаковом содержании расширяющейсилы, богаче электрическим веществом, чем вторые. Электрическая индукцияобъясняется очень удовлетворительно следующим образом. Если к телу,наэлектризованному положительно, приблизить изолированный проводник AB, торасширяющая жидкость, в силу своей природы, перейдет на этот проводник; но таккак конец А проводника, ближайший к наэлектризованному телу, будет подверженэтому действию сильнее, чем конец В, то на первом напряжение электрическойматерии будет сильнее, чем на втором, а так как АВ является проводником, тоэлектрическая материя будет течь от А к В, пока не установится равновесие.Поэтому, при равном напряжении, А будет содержать меньше электрической материи,чем В, т. е. A будет —, а В будет +. Подобно теории испарения и электрическаятеория Делюка имела в свое время многих приверженцев. Однако последняя не моглапродержаться так долго, как первая, может быть, оттого, что вообще уже большене признавали удобным допускать существование весомой электрической материи, аскорее, пожалуй, потому, что в скором времени признали всякие суждения осущности электричества, кроме свойственных ему притягательных иотталкивательных сил, невозможными, а потому и бесполезными. Известный электрикПфафф в 1827 г., сделав обзор существовавших до того времени электрическихтеорий, приходит к следующему выводу: «Мне кажется, установленным, что в основеэлектрических явлений лежит особая материя, которую следует отнести к числуэфирных жидкостей… В такой же мере представляется мне выясненным, чтосуществуют два рода электричества… Что же касается до отношения обеих этихэфирных жидкостей к прочим невесомым, особенно к тем, от которых зависитсветовая и тепловая деятельность, то представляется также установленным, чтоони не тождественны с последними… Но столь же несомненно, с другой стороны,что они находятся с указанными невесомыми в тесной связи, которая, однако, досих пор не могла быть вполне выяснена».
Приложение 4
Гальванические элементы
Г. элементом, илигальванической парой, называется прибор, состоящий из двух металлическихпластинок (одна из которых может быть заменена коксовой), погружаемых в однуили две различные жидкости, и служащий источником гальванического тока.Некоторое число Г. элементов, соединенных между собой известным образом,составляет гальваническую батарею. Простейший по устройству Г. элемент состоитиз двух пластинок, погружаемых в глиняный или стеклянный стакан, в которомналита жидкость, соответствующая роду пластинок; пластинки не должны иметьметаллического соприкосновения в жидкости. Г. элементы называются первичными,если они суть самостоятельные источники тока, и вторичными, если они становятсядействующими лишь после более или менее продолжительного действия на нихисточников электричества, их заряжающих. Рассматривая происхождение Г.элементов, нужно начать с вольтова столба, родоначальника всех последующихгальванических батарей, или с чашечной батареи Вольта.
Вольтов столб.Для составления его Вольта брал пары разнородных металлических кружков,сложенных или даже спаянных по основанию, и картонные или суконные кружки,смоченные водой или раствором едкого кали. Первоначально употреблялисьсеребряные и медные кружки, а потом обычно цинковые и медные. Из нихсоставлялся столб, как показано на черт. 1, а именно: сперва кладется медная ина нее цинковая пластинка (или наоборот), на которую накладывается смоченныйкартонный кружок; это составляло одну пару, на которую накладывалась вторая,составленная опять из медного, цинкового и картонных кружков, наложенных другна друга в таком же порядке, как и в первой паре.
/>
/>
Продолжая накладывать втаком же порядке последующие пары можно составить столб; столб, изображенный начерт. 1, слева состоит из 11 вольтовых пар. Если столб установлен на пластинкеизолирующего, т. е. не проводящего электричество, вещества, например, настеклянной, то, начиная от середины его, одна половина столба (нижняя на нашемчертеже) окажется заряженной положительным электричеством, а другая (верхняя почертежу) — отрицательным. Напряженность электричества, неощутимая посередине,растет по мере приближения к концам, на которых она наибольшая. К самой нижнейи самой верхней пластинкам припаиваются проволоки; приведение в соприкосновениесвободных концов проволок дает начало движению положительного электричества отнижнего конца столба через проволоку к верхнему и движению отрицательногоэлектричества по противоположному направлению; образуется электрический, илигальванический, ток. Вольта считал парой две пластинки разнородных металлов, ажидкости приписывал только способность проводить электричество (см.Гальванизм); но по взгляду, установившемуся позднее, пара состоит из двухразнородных пластинок и жидкого слоя между ними; поэтому самая верхняя и самаянижняя пластинки столба (черт. 1 справа) могут быть сняты. Такой столб будетьсостоять из 10 пар, и тогда самая нижняя пластинка его будет медная, а самаяверхняя — цинковая и направление движения электричества, или направлениегальванического тока, в нем останется прежнее: от нижнего конца столба (теперьот цинка) к верхнему (к меди). Медный конец столба был назван положительнымполюсом, цинковый — отрицательным. Впоследствии по терминологии Фарадеяположительный полюс назван анодом, отрицательный — катодом. Вольтов столб можетбыть уложен горизонтально в корытце, покрытое внутри изолирующим слоем воска,сплавленного с гарпиусом. Ныне вольтов столб не употребляется по причинебольшого труда и времени, нужных на его составление и разборку; но в прежнеевремя пользовались столбами, составленными из сотен и тысяч пар; в Петербургпрофессор В. Петров пользовался в 1801—2 гг. при своих опытах столбом,состоявшим иногда из 4200 пар, Вольта строил свой аппарат и в другой форме,которая и есть форма позднейших батарей. Батарея Вольта (corona di tazze)состояла из чашек, расположенных по окружности круга, в которые наливаласьтеплая вода или раствор соли; в каждой чашке находились две металлическиеразнородные пластинки, одна против другой. Каждая пластинка соединенапроволокой с разнородной пластинкой соседней чашки, так что от одной чашки к другойпо всей окружности пластинки постоянно чередуются: цинк, медь, потом опять цинки медь и т. д. В том месте, где окружность замыкается, в одной чашке имеетсяцинковая пластинка, в другой — медная; по проволоке, соединяющей эти крайниепластинки, будет идти ток от медной пластинки (положительного полюса) кцинковой (отрицательному полюсу). Эту батарею Вольта считал менее удобной, чемстолб, но на самом деле именно форма батареи получила всеобщее распространение.В самом деле устройство вольтова столба вскоре было изменено (Крюйкшанк):продолговатый деревянный ящик, разделенный поперек пластинками меди и цинка,спаянными между собой, на маленькие отделения, в которые наливалась жидкость,был удобнее обычного вольтова столба. Еще лучше был ящик, разделенный наотделения деревянными поперечными стенками; медная и цинковая пластинкиставились по обе стороны каждой перегородки, будучи спаяны между собой сверху,где оставлялось, кроме того, ушко. Деревянная палка, проходившая через всеушки, служила для поднятия всех пластинок из жидкости или для погружения их.
Элементы с однойжидкостью. Вскоре после того стали делать отдельные пары илиэлементы, которые могли быть соединены в батареи различными способами, пользакоторых особенно ясно обнаружилась после того, как Ом выразил формулой силутока в зависимости от электровозбудительной (или электродвижущей) силыэлементов и от сопротивлений, встречаемых током как во внешних проводниках, таки внутри элементов. Электровозбудительная сила элементов зависит от металлов ижидкостей, их составляющих, а внутреннее сопротивление — от жидкостей и отразмеров элементов. Для уменьшения сопротивления и увеличения тем силы токанадо толщину слоя жидкости между разнородными пластинками уменьшать, а размерыпогружаемой поверхности металлов увеличивать. Это выполнено в элементеВолластона (Wollaston — по более правильному выговору Вульстен). Цинк помещенвнутри согнутой медной пластинки, в которой вставлены кусочки дерева илипробки, не допускающие соприкосновения пластинок; к каждой из пластинокприпаяна проволока, обычно медная; концы этих проволок приводятся всоприкосновение с предметом, через который хотят пропустить ток, идущий понаправлению от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди повнутренним частям элемента. Вообще, ток идет внутри жидкости от металла, накоторый жидкость действует химически сильнее, к другому, на который онадействует слабее. В этом элементе обе поверхности цинковой пластинки служат дляистечения электричества; такой способ удвоения поверхности одной из пластинокпотом вошел в употребление при устройстве всех элементов с одной жидкостью. Вэлементе Волластона употребляется разведенная серная кислота, разлагающаяся вовремя действия тока; результатом разложения будет окисление цинка и образованиецинкового купороса, растворяющегося в воде, и выделение водорода на меднойпластинке, приходящей от этого в поляризованное состояние, уменьшающее силутока. Изменчивость этого поляризованного состояния сопровождается изменчивостьюсилы тока. Из многих элементов с одной жидкостью называем элементы Сми (Smee) иГрене, в первом — платина или платинированное серебро среди двух цинковыхпластинок, все — погруженное в разбавленную серную кислоту. Химическое действиетакое же, как и в элементе Волластона, и поляризуется водородом платина; но токменее переменчив. Электровозбудительная сила больше, чем в медно-цинковом.
Элемент Гренесостоит из цинковой пластинки, помещающейся между двух плиток, выпиленных изкокса; жидкость для этого элемента приготавливается по разным рецептам, новсегда из двухромокалиевой соли, серной кислоты и воды. По одному рецепту на 2500 грамм воды надо взять 340 грамм названной соли и 925 грамм серной кислоты. Электровозбудительнаясила больше, чем в элементе Волластона. Во время действия элемента Гренеобразуется, как и в предыдущих случаях, цинковый купорос; но водород,соединяясь с кислородом хромовой кислоты, образует воду; в жидкости образуютсяхромовые квасцы; поляризация уменьшена, но не уничтожена. Для элемента Гренеупотребляется стеклянный сосуд с расширенной нижней частью. Жидкости наливаетсястолько, чтобы цинковую пластинку Z, которая короче коксовых С, можно было,потянув прикрепленный к ней стержень Т, вынуть из жидкости на то время, когдаэлемент должен оставаться без действия. Зажимы В, В, соединенные — один соправой стержня Т, а следовательно, с цинком, а другой с оправой углей,назначены для концов проволок-проводников. Ни пластинки, ни их оправы не имеютметаллического соприкосновения между собой; ток идет по соединительнымпроволокам через внешние предметы по направлению от кокса к цинку.Угольно-цинковый элемент может быть употребляем с раствором поваренной соли (вШвейцарии, для телеграфов, звонков) и тогда действует 9—12 мес. без ухода.
Элемент Лаланда иШаперона, усовершенствованный Эдисоном, состоит из плиткицинка и другой, спрессованной из окиси меди. Жидкость — раствор едкого кали.Химическое действие — окисление цинка, образующего потом соединение с кали;отделяющийся водород, окисляясь кислородом окиси цинка, входит в составобразующейся воды, а медь восстанавливается. Внутреннее сопротивление малое.Возбудительная сила не определена с точностью, но меньше, чем у элементаДаниэля.
Элементы с двумяжидкостями. Так как выделение водорода на одном из твердых телГ. элементов есть причина, уменьшающая силу тока (собственноэлектровозбудительную) и сообщающая ему непостоянство, то помещение пластинки,на которой водород выделяется, в жидкости, способной отдать кислород насоединение его с водородом, должно сделать ток постоянным. Беккерель первыйустроил (1829) медно-цинковый элемент с двумя жидкостями для названной цели,когда еще не были известны элементы Грене и Лаланда. Позднее Даниэль (1836)устроил подобный же элемент, но более удобный в употреблении. Для разделенияжидкостей нужны два сосуда: один стеклянный или глазурованный глиняный,содержит в себе цилиндрический, глиняный, слабообожженный, а потому пористый,сосуд, в который наливается одна из жидкостей и помещается один из металлов; вкольцеобразном промежутке между двумя сосудами налита другая жидкость, вкоторую погружена пластинка другого металла. В элементе Даниэля цинк погружен вслабую серную кислоту, а медь в водный раствор медного (синего) купороса. Фиг.1 таблицы изображает 3 элемента Даниэля, соединенные в батарею; цилиндры,гнутые из цинка, помещены во внешние стеклянные стаканы, медные пластинки тожев форме цилиндра или согнутые наподобие буквы S — помещены во внутренниеглиняные цилиндры. Можно расположить и обратно, т. е. медь во внешних сосудах.Ток идет от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди черезжидкость в самом элементе или батарее, причем разлагаются одновременно обежидкости: в сосуде с серной кислотой образуется цинковый купорос, а водородидет к медной пластинке, в то же время медный купорос (CuSO 4)разлагается на медь (Cu), осаждающуюся на медную пластинку, и отдельно несуществующее соединение (SO4), которое химическим процессом образуетс водородом воду прежде, чем он успеет выделиться в виде пузырьков на меди.Пористая глина, легко смачиваемая обеими жидкостями, дает возможностьпередаваться химическим процессам от частицы к частицам через обе жидкости отодного металла к другому. После действия тока, продолжительность которогозависит от его силы (а эта последняя отчасти от внешних сопротивлений), а такжеот количества жидкостей, содержащихся в сосудах, весь медный купоросиздерживается, на что указывает обесцвечивание его раствора; тогда начинаетсяотделение пузырьков водорода на меди, а вместе с тем поляризация этого металла.Этот элемент называется постоянным, что однако надо понимать относительно:во-первых и при насыщенном купоросе есть слабая поляризация, но главное — внутреннеесопротивление элемента сначала уменьшается, а потом растет. По этой второй иглавной причине замечается в начале действия элемента постепенное усилениетока, тем значительнейшее, чем менее ослаблена сила тока внешними иливнутренними сопротивлениями. Через полчаса, час и более (продолжительностьрастет с количеством жидкости при цинке) ток начинает ослабевать медленнее, чемвозрастал, и еще через несколько часов доходит до первоначальной силы,постепенно ослабевая далее. Если в сосуде с раствором медного купороса помещензапас этой соли в нерастворенном виде, то это продолжает существование тока,равно как и замена образовавшегося раствора цинкового купороса свежейразбавленной серной кислотой. Однако при замкнутом элементе уровень жидкостипри цинке мало-помалу понижается, а при меди повышается — обстоятельство самопо себе ослабляющее ток (от увеличения сопротивления по этой причине) и притомуказывающее на переход жидкости из одного сосуда в другой. В сосуд с цинкомпросачивается медный купорос, из которого цинк чисто химическим путем выделяетмедь, заставляя ее осаждаться частью на цинк, частью на стенки глиняногососуда. По этим причинам происходит большая бесполезная для тока трата цинка имедного купороса. Однако все же элемент Даниэля принадлежит к числу самыхпостоянных. Глиняный стакан, хотя и смачиваемый жидкостью, представляет большоесопротивление току; употребляя пергамент вместо глины, можно значительноусилить ток путем уменьшения сопротивления (элемент Карре); пергамент можетбыть заменен животным пузырем. Вместо разбавленой серной кислоты можно прицинке употреблять раствор поваренной или морской соли; возбудительная силаостается почти та же. Химические действия не исследованы.
Элемент Мейдингера.Для частого и продолжительного и притом довольно постоянного, но слабого токаможет служить элемент Мейдингера (фиг. 2 таблицы), составляющий видоизменениеэлемента Даниэля. Внешний стакан имеет расширение наверху, где на внутреннююзакраину ставится цинковый цилиндр; на дне стакана помещен другой маленький, вкоторый поставлен цилиндрик, свернутый из листовой меди, или же кладется медныйкружок на дно внутреннего сосуда, наполняемого потом раствором медногокупороса. После этого осторожно наливают сверху раствор сернокислой магнезии,который заполняет все свободное пространство внешнего сосуда и не смещаетраствора купороса, как имеющего больший удельный вес. Тем не менее по диффузиижидкостей купорос медленно достигает цинка, где и отдает свою медь. Дляподдержания насыщенности этого раствора внутрь элемента ставится ещеопрокинутая стеклянная колба с кусками медного купороса и водой. От металловидут наружу проводники; части их, находящиеся в жидкости, имеют гуттаперчевуюоболочку. Отсутствие глиняной банки в элементе позволяет пользоваться им долгоевремя без перемены его частей; но внутреннее сопротивление его велико,переносить его с места на место надо очень осторожно и в нем бесполезно длятока издерживается много медного купороса; в колбе даже маленького элементапомещается около 1/2 килограмма купороса. Он весьмапригоден для телеграфов, электрических звонков и в других подобных случаях ивыстаивает месяцы. Элементы Калло и Труве-Калло похожи на элементы Мейдингера,но проще последних. Крестен в Петербурге также устроил полезное видоизменениеэлемента Мейдингера. Элемент Томсона в форме блюда или подноса есть измененныйданиэлевский; пористые плоские перепонки из пергаментной бумаги отделяют однужидкость от другой, но можно обходиться и без перепонок. Элемент Сименса и Гальскетакже относится к разряду даниэлевских.
Элемент Минотто.Медный кружок на дне стеклянной банки, на который насыпаются кристаллы медногокупороса, а сверху толстый слой кремнистого песку, на который накладываетсяцинковый кружок. Все заливается водой. Служит от 1 1/2 до2 лет на телеграфных линиях. Вместо песка можно взять порошок животного угля(Дарсонваль).
Элемент Труве.Медный кружок, на котором столбик кружков из пропускной бумаги, снизупропитанный медным купоросом, сверху — цинковым купоросом. Небольшое количествоводы, смачивающей бумагу, приводит элемент в действие. Сопротивление довольнобольшое, Действие продолжительно и постоянно.
Элемент Грове,платиново-цинковый; платина погружается в крепкую азотную кислоту, цинк вслабую серную кислоту. Выделяющийся действием тока водород окисляется за счеткислорода азотной кислоты (NHO2), переходящей в азотный ангидрид (N2O4),выделяющиеся красно-оранжевые пары которой вредны для дыхания и портят всемедные части аппарата, которые потому лучше делать из свинца. Эти элементымогут быть употребляемы лишь в лабораториях, где имеются вытяжные шкафы, а вобычной комнате должны быть поставлены в печь или камин; они имеют большуювозбудительную силу и малое внутреннее сопротивление — все условия для большойсилы тока, которая тем постояннее, чем больший объем жидкостей содержится вэлементе. Фиг. 6 таблицы изображает такой элемент плоской формы; вне его справаизображена соединенная с платиновым листком элемента согнутая цинковаяпластинка Zвторого элемента, в сгибе которой стоит плоский глиняныйсосуд V для платины. Слева изображен платиновый листок, соединенный зажимом сцинком элемента и принадлежащий третьему элементу. При этой форме элементоввнутреннее сопротивление его очень мало, но сильное действие тока непродолжительно по причине малого количества жидкостей. Ток идет от платины повнешним проводникам к цинку, согласно высказанному выше общему правилу.
Элемент Бунзена(1843), угольно-цинковый, вполне заменяет предыдущий и дешевле его, так какдорогая платина заменена коксовой плиткой. Жидкости те же, что в элементеГрове, электровозбудительная сила и сопротивление приблизительно такие же;направление тока такое же. Подобный элемент изображен на фиг. 3 таблицы;угольная плитка, обозначенная буквой С, с металлическим зажимом, при которомпоставлен знак +; это положительный полюс, или анод, элемента. От цинковогоцилиндра Z с зажимом (отрицательный полюс, или катод) идет пластинка с другимзажимом, накладываемым на угольную плитку второго элемента в случае составлениябатареи. Грове первый заменил платину в своем элементе углем, но его опыты былизабыты.
Элемент Дарсонваля, угольно-цинковый;при угле смесь азотной и соляной кислоты по 1 объему с 2 объемами воды,содержащей 1/20 серной кислоты.
Элемент Фора. Вместококсовой плитки употребляется бутылка из графита и глины; туда наливаетсяазотная кислота. Это, по-видимому, внешнее изменение элемента Бунзена делаетупотребление азотной кислоты более полным.
Элемент Сосновского.Цинк в растворе едкого натра или едкого кали; уголь в жидкости, состоящей из 1объема азотной кислоты, 1 объема серной, 1 объема соляной, 1 объема воды.Замечателен очень высокой электровозбудительной силой.
Элемент Каллана.Уголь бунзеновских элементов заменяется железом; возбудительная сила остаетсята же, что при употреблении угля. Железо не подвергается действию азотнойкислоты, находясь в пассивном состоянии. Вместо железа можно с пользойупотреблять чугун с некоторым содержанием кремния.
Элемент Поггендорфаотличается от элемента Бунзена заменой азотной кислоты жидкостью, подобной той,которая употребляется в элементе Грене. На 12 весовых частей двухромовокислогокали, растворенных в 100 частях воды, прибавляется 25 частей крепкой сернойкислоты. Возбудительная сила такая же, как в элементе Бунзена; но внутреннеесопротивление больше. Кислорода в названной жидкости, отдаваемого на окислениеводорода, меньше, чем в азотной кислоте при том же объеме. Отсутствие запахапри пользовании этими элементами в соединении с другими достоинствами сделалоего самым удобным к употреблению. Однако поляризация не вполне устранена.
Элемент Имшенецкого,угольно-цинковый. Графитовая (углерод) пластинка в растворе хромовой кислоты,цинк — в растворе серноватистонатриевой соли. Большая возбудительная сила,малое внутреннее сопротивление, почти полная утилизация цинка и весьма хорошеепользование хромовой кислотой.
Элемент Лекланше,угольно-цинковый; вместо окисляющей жидкости содержит при угольной плиткепорошок (крупный) перекиси марганца, смешанный с порошком кокса (фиг. 5 табл.)во внутренней, проницаемой для жидкости, глиняной банке; снаружи в одном изуглов склянки особенной формы помещается цинковая палочка. Жидкость — водныйраствор нашатыря — наливается снаружи и проникает внутрь глиняной банки до угля(кокса), смачивая перекись марганца; верх банки обычно заливается смолой;оставлены отверстия для выхода газов. Возбудительная сила — средняя междуданиэлевским и бунзеновским элементами, сопротивление большое. Элемент этот,оставленный замкнутым, дает ток быстро убывающей силы, но для телеграфов идомашнего употребления выстаивает один-два года при подливании жидкости. Приразложении нашатыря (NH 4 Cl) хлор выделяется на цинк, образуяхлористый цинк и аммиак при угле. Перекись марганца, богатая кислородом,переходит мало-помалу в соединение низшей степени окисления, но не во всехчастях массы, наполняющей глиняный сосуд. Для более полного пользованияперекисью марганца и уменьшения внутреннего сопротивления устраивают этиэлементы без глиняной банки, а из перекиси марганца и угля спрессовываютплитки, между которыми помещают коксовую, как показано на фиг. 4 таблицы. Этогорода элементы могут быть сделаны закрытыми и удобными к переноске; стеклозаменяется роговым каучуком. Видоизменил этот элемент также Гефф, заменяя растворнашатыря раствором хлористого цинка.
Элемент Mapиe-Деви,угольно-цинковый, содержит при угле тестообразную массу из сернокислой закисиртути (Hg2SO4), смоченной водой, помещенную в пористуюглиняную банку. К цинку наливается слабая серная кислота или даже вода, так какпервая и без того выделится из соли ртути действием тока, при чем водородокисляется, а при угле выделяется металлическая ртуть, так что по истечениинекоторого времени элемент становится цинково-ртутным. Электровозбудительнаясила не изменяется от употребления чистой ртути вместо угля; она несколькобольше, чем в элементе Лекланше, внутреннее сопротивление большое. Пригоден длятелеграфов и вообще для прерывистого действия тока. Эти элементы употребляютсяи для медицинских целей, причем предпочитают заряжать их сернокислой окисьюртути (HgSO4). Удобная для медицинских и других целей форма этогоэлемента представляет высокий цилиндр из рогового каучука, верхняя половинакоторого заключает в себе цинк и уголь, а нижняя — воду и сернокислую ртуть.Если элемент перевернуть верхом вниз, он действует, а в первом положении — необразует тока.
Элемент Варрена Деларю— цинково-серебряный.Узкая серебряная полоска выступает из цилиндрика плавленого хлористого серебра(AgCl), помещенного в трубочке из пергаментной бумаги; цинк имеет форму тонкогостерженька. Оба металла помещаются в стеклянной трубке, закупореннойпарафиновой пробкой. Жидкость — раствор нашатыря (23 части соли на 1 литр воды). Электровозбудительная сила почти такая же (немного больше), как в элементе Даниэля. Изхлористого серебра осаждается металлическое серебро на серебряную полоскуэлемента, и поляризация не происходит. Батареи, составленные из них, служилидля опытов над прохождением света в разреженных газах. Гефф дал этим элементамустройство, делающее их удобными для переноски; употребляются для медицинскихиндукционных катушек и для постоянных токов.
Элементы Дюшомена,Парца, Фигье. Первый — цинково-угольный; цинк в слабом раствореповаренной соли, уголь — в растворе хлорного железа. Непостоянен и малоисследован. Парц заменил цинк железом; раствор поваренной соли имеет плотность1,15, раствор хлорного железа плотности 1,26. Лучше предыдущего, хотяэлектровозбудительная сила меньше. Фигье употребляет в железно-угольномэлементе одну жидкость, получаемую пропусканием струи хлора через насыщенныйраствор железного купороса.
Элемент Ниоде,угольно-цинковый. Цинк имеет форму цилиндра, окружающего пористый глиняныйцилиндр, содержащий в себе коксовую плитку, засыпанную хлорной известью.Элемент закупорен пробкой, залитой воском; через отверстие в ней наливаетсяраствор поваренной соли (24 части на 100 частей воды). Электровозбудительнаясила большая; при постоянном, несколько продолжительном действии на внешнеемалое сопротивление скоро ослабевает, но через час или два бездействия элементаона достигает прежней величины.
Сухие элементы.Это название можно дать элементам, в которых присутствие жидкости неявно, когдаона всасывается в пористые тела элемента; скорее следовало бы их назвать влажными.К таким можно отнести вышеописанный медно-цинковый элемент Труве и элементЛекланше, измененный Жерменом. В этом последнем употребляется клетчатка,извлекаемая из кокосовых орехов; из неё приготавливается масса, сильнопоглощающая жидкость и газы, на вид сухая и только при давлении принимающаявлажный вид. Легко переносимы и пригодны для походных телеграфных и телефонныхстанций. Элементы Гаснера (угольно-цинковые), в состав которых входит гипс,пропитанный, вероятно, хлористым цинком или нашатырем (держится в секрете).Возбудительная сила приблизительно такая, как в элементе Лекланше, спустянекоторое время после начала действия последнего; внутреннее сопротивлениеменьше, чем у Лекланше. В сухом элементе Лекланше-Барбье промежуток междувнешним цинковым цилиндром и внутренним полым цилиндром из агломерата, в составкоторого входит перекись марганца, наполнен гипсом, насыщенным растворомнеизвестного состава. Первые, довольно продолжительные испытания этих элементовбыли благоприятны для них. Желатиново-глицериновый элемент Кузнецова естьмедно-цинковый; состоит из картонного, пропитанного парафином ящичка с дном,выклеенным оловом внутри и снаружи. На олово насыпают слой толченого медногокупороса, на который наливают желатино-глицериновую массу, содержащую сернуюкислоту. Когда эта масса застынет, насыпают слой измельченногоамальгамированного цинка, опять заливаемый тою же массой. Из таких элементовсоставляют батарею наподобие вольтова столба. Предназначается для звонков,телеграфов и телефонов. Вообще же число различных сухих элементов оченьзначительно; но в большинстве по причине секретного состава жидкостей иагломератов суждение о них возможно только практическое, но не научное.
Элементы большойповерхности и малого сопротивления. В тех случаях, когданужно накаливать короткие, довольно толстые проволоки или пластинки, как,например, при некоторых хирургических операциях употребляют элементы с большимиметаллическими поверхностями, погруженными в жидкости, что уменьшает внутреннеесопротивление и тем усиливает ток. Волластонов способ удвоения поверхностиприменяется к составлению поверхностей из большого числа пластинок, какпоказано на черт. 2, где y, y, y — пластинки из одного металла помещены впромежутках между пластинками ц, ц, ц, ц другого металла.
/>
Все пластинкипараллельны между собой и не соприкасаются, но все одного наименованиясоединены внешними проволоками в одно целое. Вся эта система равномернаэлементу из двух пластинок, каждая шестикратной поверхности сравнительно сизображенными, при толщине слоя жидкости между пластинками, равной расстояниюмежду каждыми двумя пластинками, изображенному на чертеже. Уже в начале нынешнегостолетия (1822) устраивались приборы с большой металлической поверхностью. Кчислу их относится большой элемент Гаре, названный дефлагратором. Цинковый имедный листы большой длины, отделенные фланелью или деревянными палочками,свертываются в каток, в котором листы не соприкасаются между собойметаллически. Этот каток погружается в кадку с жидкостью и дает ток весьмабольшой силы при действии на очень малые внешние сопротивления. Поверхностькаждого листа — около 50 кв. футов (4 кв. метра). В наше время вообще стараются уменьшить внутреннее сопротивление элементов, но дают им особенно большуюповерхность для некоторых частных применений, например в хирургии для срезанияболезненных наростов раскаленной проволокой или пластинкой, для прижиганий. Таккак накаливаются проводники малого сопротивления, то можно получить ток именноуменьшением внутреннего сопротивления. Поэтому в гальванокаустических элементахпомещают большое число пластинок, расположенных подобно тому, как изображено начерт. 2 текста. Устройство не представляет особенностей, но приспособлено кудобному употреблению; таковы, например, угольно-цинковые элементы или батареиШардена с хромовой жидкостью, применяемые в Париже, Лионе, Монпелье и Брюсселе.Следует обратить внимание операторов на необходимость употребления измерителясилы тока с весьма малым сопротивлением (амперметра, или омметра), чтобы иметьуверенность в исправности батареи перед операцией. Нормальные элементы должнысохранять свою электровозбудительную силу или иметь разность потенциаловпостоянной в продолжение возможно долгого времени, когда они хранятсяразомкнутыми для того, чтобы служить нормальной единицей меры при сравненииэлектровозбудительных сил между собой. Ренье предложил для этой целимедно-цинковую пару, в которой поверхность меди очень велика сравнительно сцинковой. Жидкость есть раствор 200 частей сухой поваренной соли в 1000 частяхводы. При этом условии поляризация меди очень слаба, если этот элемент вводитсяв цепь с большим сопротивлением и на короткое время. Нормальный элементЛатимера Кларка состоит из цинка в растворе цинкового купороса, ртути исернортутной соли (Hg2SO4). Нормальный элемент Флеминга,медно-цинковый, с растворами медного купороса и цинкового купоросаопределенной, всегда постоянной плотности. Нормальный элемент лондонского почтово-телеграфноговедомства, медно-цинковый, с раствором цинкового купороса и кристаллами медногокупороса при меди весьма пригоден.
Вторичные элементы,или аккумуляторы, ведут происхождение от вторичных столбов Риттера, впродолжение 50 лет остававшихся без особенного внимания. Столб Риттера,состоявший из медных пластинок, погруженных в некоторую жидкость, последействия на него вольтова столба становился поляризованным, и после этого саммог образовать ток, направление которого было противоположно первичному току. В 1859 г. Планте устроил элемент, состоявший из двух свинцовых листов, свернутыхспирально наподобие дефлагратора Гаре, без взаимного металлическогосоприкосновения и погруженных в слабую серную кислоту. Соединив один свинцовыйлист с анодом (положительным полюсом), а другой с катодом батареи по меньшеймере из 2 элементов Бунзена или Поггендорфа, соединенных последовательно, ипропуская таким образом ток, идущий в жидкости от свинца к свинцу, вызывают темотделение кислорода на свинцовой пластинке, соединенной с анодом, и водорода налисте, соединенном с катодом. На анодной пластинке образуется слой свинцовойперекиси, тогда как катодная совершенно очищается от окислов. Вследствиеразнородности пластинок они образуют пары с большой электровозбудительнойсилой, дающей ток, по направлению противоположный прежнему. Большаявозбудительная сила, развивающаяся во вторичном элементе и направленнаяпротивоположно возбудительной силе первичной батареи, и есть причинатребования, чтобы последняя превосходила первую. Два элемента Поггендорфа,соединенные последовательно, имеют возбудительную силу около 4 вольт, а элементПланте лишь около 2 1/2. Для заряжания 3 или 4 элементовПланте, соединенных параллельно, собственно, было бы достаточно прежних 2элементов Поггендорфа, но действие их было бы очень медленно для окислениятакой большой поверхности свинца; поэтому для одновременного заряжения,например, 12 элементов Планте, соединенных параллельно, нужно действие 3-4элементов Бунзена с возбудительной силой 6-8 вольт в продолжение несколькихчасов. Заряженные элементы Планте, соединенные последовательно, развиваютэлектровозбудительную силу в 24 вольта и производят большее, например,накаливание, чем заряжающая батарея, но зато действие вторичной батареи будеткратковременнее. Количество электричества, приведенного в движение вторичнойбатареей, не более количества прошедшего через нее электричества от первичнойбатареи, но, будучи пропущено через внешние проводники при большейнапряженности или разности потенциалов, издерживается в более короткое время.
Элементы Планте послеразличных практических улучшений получили название аккумуляторов. В 1880 г. Фор придумал покрывать свинцовые пластинки слоем сурика, т. е. готового свинцового окисла,который от действия первичного тока еще более окислялся на одной пластинке ираскислялся на другой. Но способ прикрепления сурика потребовал техническихулучшений, существенно заключавшихся в употреблении свинцовой решетки, вкоторой пустые клетки наполняются тестом из сурика и глета на слабой сернойкислоте. В аккумуляторе Фиц-Джеральда употребляются плитки из окислов свинца безвсякой металлической основы; вообще систем аккумуляторов имеется очень много издесь дается изображение лишь одной из лучших (фиг. 8 таблицы). Свинцоваярешетка Гагена сложена из двух обращенных друг к другу выступами, чтопрепятствует кускам свинцового окисла выпадать из рамы; особо изображенныеразрезы по линиям ab и cd главного чертежа объясняют устройство этой рамы. Однарама заполняется суриком, другая глетом (низшая степень окисления свинца).Нечетное число, обычно пять или семь, пластинок соединяется наподобие того, какобъяснено на черт. 2; в первом случае 3, во втором 4 покрыты глетом. Из русскихтехников принесли пользу устройству аккумуляторов Яблочков и Хотинский. Этивторичные элементы, представляющие одно техническое неудобство — очень большойвес, получили разнообразные технические применения, между прочим, к домашнемуэлектрическому освещению в тех случаях, когда нельзя пользоваться прямо токомдинамо-машин для этой цели. Аккумуляторы, заряженные в одном месте, могут бытьперевезены в другое. Их заряжают теперь не первичными элементами, адинамо-машинами, с соблюдением некоторых специальных правил.
Составлениегальванических батарей. Батарея составляется из элементов тремяспособами: 1) последовательным соединением, 2) параллельным соединением, 3)сложенным из обоих предыдущих. На фиг. 1 таблицы изображено последовательноесоединение 3 элементов Даниэля: цинк первой пары, считая справа, соединенмедной лентой с медью второй пары, цинк второй пары — с медью третьей.Свободный конец меди первой пары есть анод, или положительный полюс батареи;свободный конец третьей пары есть катод, или отрицательный полюс батареи. Дляпараллельного соединения этих же элементов надо все цинки соединить между собойметаллическими лентами и все медные листы соединить лентами или проволоками водно отдельное от цинков целое; сложная цинковая поверхность будет катодом,сложная медная — анодом. Действие такой батареи одинаково с действием одногоэлемента, который имел бы поверхность втрое большую, чем единичный элементбатареи. Наконец, третий способ соединения может быть приложен не менее как к 4элементам. Соединяя их по двое параллельно, получим два сложных анода и такихже два катода; соединяя первый сложный анод со вторым сложным катодом, получимбатарею из двух элементов удвоенной поверхности. На черт. 3 текста изображеныдва различных сложных соединения из 8 элементов, представленных каждый двумяконцентрическими кольцами, разделенными черными промежутками. Не входя вподробности, заметим, что по внешнему виду способ составления этих батарейотличается от только что описанных.
/>
В (I) по 4 элементасоединены последовательно, но с одного конца два крайних цинка соединеныметаллической полоской КК, а с противоположного две крайние медные пластинкисоединены пластинкой АА, которая и есть анод, тогда как КК — катодсложной батареи, равносильной последовательно соединенным 4 элементам удвоеннойповерхности. На чертеже 3 (II) изображена батарея, равносильная последовательносоединенным двум элементам учетверенной поверхности. Случаи, когда нужныбатареи, определенным образом составленные, совершенно выясняются формулой Ома(гальванический ток) при соблюдении проистекающего из нее правила, что дляполучения наилучшего действия на какой-нибудь проводник данным числомгальванических элементов надо из них составить батарею таким образом, чтобывнутреннее ее сопротивление было равно сопротивлению внешнего проводника или покрайней мере по возможности к нему приближалось. К этому надо еще прибавить,что при последовательном соединении внутреннее сопротивление возрастаетпропорционально числу соединенных пар, а при параллельном сопротивление,напротив, уменьшается пропорционально этому числу. Поэтому на телеграфныхлиниях, представляющих большое сопротивление гальваническому току, батареисостоят из последовательно соединенных элементов; в хирургических операциях(гальванокаустика) нужна батарея из параллельно соединенных элементов.Изображенная на черт. 3 (I) батарея представляет наилучшее соединение из 8элементов для действия на внешнее сопротивление, которое вдвое большевнутреннего сопротивления единичного элемента. Если бы внешнее сопротивлениебыло вчетверо меньше, чем в первом случае, то батарее надо дать вид черт. 3(II). Это следует из расчетов по формуле Ома.
Приложение 5
/>
Тяжелая вода
После фундаментальныхработ Уошберна и Юри исследования нового изотопа стали развиваться быстрымитемпами. Уже вскоре после открытия дейтерия в природной воде была обнаружена еетяжелая разновидность. Обычная вода состоит в основном из молекул 1Н2О.Но если в природном водороде есть примесь дейтерия, то и в обычной воде должныбыть примеси НDO и D2O. И если при электролизе воды Н2выделяется с большей скоростью, чем НD и D2, то со временем вэлектролизере должна накапливаться тяжелая вода. В 1933 Гилберт Льюис иамериканский физикохимик Роналд Макдональд сообщили, что в результатедлительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем доэтого новую разновидность воды – тяжелую воду.
Открытие и выделениевесовых количеств новой разновидности воды – D2O произвело большоевпечатление на современников. Всего за два года после открытия былоопубликовано более сотни работ, посвященных исключительно тяжелой воде. О нейчитались популярные лекции, печатались статьи в массовых изданиях. Практическисразу же после открытия тяжелую воду стали использовать в химических ибиологических исследованиях. Так, было обнаружено, что рыбы, микробы и черви немогут существовать в ней, а животные погибают от жажды, если их поить тяжелойводой. Не прорастают в тяжелой воде и семена растений.
Однако техническиполучение значительных количеств D2О представляло собой труднуюзадачу. Для обогащения воды дейтерием на 99% необходимо уменьшить объем водыпри электролизе в 100 тысяч раз. Льюис и Макдональд взяли для своих опытов 10 л воды из проработавшей несколько лет большой электролитической ванны, в которой содержаниедейтерия было повышенным. Пропуская через эту воду ток большой силы – 250 ампер(для увеличения электропроводности вода содержала щелочь), они за неделюуменьшили ее объем в 10 раз. Чтобы жидкость при электролизе таким огромнымтоком не закипела, ее приходилось непрерывно охлаждать холодной водой,пропускаемой по металлическим трубкам внутри электролизера. Остаток объемом 1 л перенесли в электролизер поменьше и снова путем электролиза снизили объем в 10 раз. Затем втретьей ячейке объем был уменьшен до 10 мл, и, наконец, в четвертой он былдоведен до 0,5 мл. Отогнав этот остаток в вакууме в небольшую колбочку, ониполучили воду, содержащую 31,5% D2O. Ее плотность (1,035) ужезаметно отличалась от плотности обычной воды.
В следующей серииопытов из 20 л воды, также в несколько этапов, получили 0,5 мл воды сплотностью 1,075, содержащей уже 65,7% D2O. Продолжая такие опыты,удалось, наконец, получить 0,3 мл воды, плотность которой (1,1059 при 25°С)уже больше не увеличивалась при уменьшении объема при электролизе до 0,12 мл.Эти несколько капель и были первые за всю историю Земли капли почти чистойтяжелой воды. Соответствующие расчеты показали, что прежние оценки соотношенияобычного и тяжелого водорода в природе были слишком оптимистическими:оказалось, что в обычной воде содержится всего 0,017% (по массе) дейтерия, чтодает соотношение D: Н = 1:6800.
Чтобы получать заметныеколичества тяжелой воды, необходимой ученым для исследований, необходимо былоподвергать электролизу уже огромные по тем временам объемы обычной воды. Так, в1933 группе американских исследователей для получения всего 83 мл D2O99%-ой чистоты пришлось взять уже 2,3 тонны воды, которую разлагали в 7 стадий.Было ясно, что такими методами ученые не смогут обеспечить всех желающихтяжелой водой. А тут выяснилось, что тяжелая вода является прекраснымзамедлителем нейтронов и потому может быть использована в ядерныхисследованиях, в том числе для построения ядерных реакторов. Спрос на тяжелуюводу вырос настолько, что стала ясна необходимость налаживания ее промышленногопроизводства. Трудность состояла в том, что для получения 1 тонны D2Oнеобходимо переработать около 40 тысяч тонн воды, израсходовав при этом 60 млнкВт-ч электроэнергии – столько уходит на выплавку 3000 т алюминия!
Первые полупромышленныеустановки были маломощными. В 1935 на установке в Беркли еженедельно получали 4 г почти чистой D2O, стоимость которой составляла 80 долларов за грамм – это оченьдорого, если учесть, что за прошедшие годы доллар «подешевел» в десятки раз.Более эффективной была установка в химической лаборатории Принстонскогоуниверситета – она давала ежедневно 3 г D2O ценой по 5 долларов за грамм (через 40 лет стоимость тяжелой воды снизилась до 14 центов за грамм).Наиболее трудоемким оказался самый первый этап электролиза, в которомконцентрация тяжелой воды повышалась до 5–10%, поскольку именно на этом этапеприходилось перерабатывать огромные объемы обычной воды. Дальнейшееконцентрирование можно было уже без особых проблем провести в лабораторныхусловиях. Поэтому преимущества получали те промышленные установки, которыемогли подвергать электролизу большие объемы воды.
Теоретически можновместо электролиза использовать простую перегонку, поскольку обычная водаиспаряется легче, чем тяжелая (ее температура кипения 101,4°С).Однако этот способ еще более трудоемкий. Если при электролизе коэффициентразделения изотопов водорода (т.е. степень обогащения в одной стадии) теоретическиможет достигать 10, то при перегонке он составляет всего 1,03–1,05. Этоозначает, что разделение путем перегонки исключительно малоэффективно. АкадемикИгорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должноиспариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия.Оказалось, что для получения 1 литра воды, в которой концентрация D2Овсего в 10 раз превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1O30тонн воды, что в 300 млн. раз превышает массу Земли!
Масса молекулы D2Oна 11% превышает массу Н2О. Такая разница приводит к существеннымразличиям в физических, химических и, что особенно важно, биологическихсвойствах тяжелой воды. Тяжелая вода кипит при 101,44°С, замерзает при 3,82°С, имеет плотность при 20°С 1,10539 г/см3, причеммаксимум плотности приходится не на 4°С, как у обычной воды, а на 11,2°С(1,10602 г/см3). Кристаллы D2O имеют такую же структуру,как и обычный лед, но они более тяжелые (0,982 г/см3 при 0°С посравнению с 0,917 г/см3 для обычного льда). В смесях с обычной водойс большой скоростью происходит изотопный обмен: Н2О + D2O/>2HDO. Поэтому вразбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO. Всреде тяжелой воды значительно замедляются биохимические реакции, и эта вода неподдерживает жизни животных и растений.
В настоящее времяразработан ряд эффективных методов получения тяжелой воды: электролизом,изотопным обменом, сжиганием обогащенного дейтерием водорода. В настоящее времятяжелую воду получают ежегодно тысячами тонн. Ее используют в качествезамедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах (для заполнения одногосовременного крупного ядерного реактора требуется 100–200 тонн тяжелой водычистотой не менее 99,8%); для получения дейтронов D+ в ускорителяхчастиц; как растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса(обычная вода своими протонами смазывает картину). Не исключено, что рольтяжелой воды значительно возрастет, если будет осуществлен промышленныйтермоядерный синтез.
Приложение 6
Получение металловпутем электролиза
Используемые впромышленности цветные металлы, такие как алюминий, медь, магний, цинк, свинец,ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми различными способами.Рассмотрим подробнее электротермию на примере получения алюминия.
Алюминий получают избокситов-руды, содержащей около 55-65% А12О3, не более28% Fe2O3 и до 24% SiO2. Измельченный,высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Этоосуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 разбольше атмосферного (способ Бауера), либо путем спекания с содой во вращающихсятрубных печах (способ Левига). Из раствора алюмината можно осадить гидроксидалюминия, который затем в таких же печах при 1300-1400°С превращается в чистыйглинозем (А12О3). После растворения полученного таким образомглинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса полученияалюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадаетшлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до99-99,8% А1). Другой специфический способ электролиза приводит к получениюсверхчистого алюминия (99,99% А1).
Приложение 7
Гальваническоепроизводство
Гальваническое покрытие– это металлическая пленка толщиной от долей микрона до десятых долеймиллиметра, наносимые на поверхность неметаллических изделий методом гальваникидля придания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных,декоративных свойств.
Изменение характеристикповерхностных слоев не металлических и металлических изделий приобретает всебольшую актуальность. Современные требования к надежности оборудования приувеличении нагрузок на него, необходимость в защите металлических деталей отагрессивных сред и очень высоких или, наоборот, низких температур приводят квозрастающему интересу всех областей промышленности к применению гальваническихпокрытий.
Более всего гальваническиепокрытия находят применение в автомобилестроении, строительстве, авиационной,радиотехнической и электронной промышленности. Но эстетичный вид и большаяцветовая гамма вместе с защитой от неблагоприятного внешнего воздействияприковывают внимание и дизайнеров помещений, например, при отделке ручекдверей, мебели и карнизов, деталей интерьера и экстерьера. Тонкие (от 2-6 до12-20 микрон) и прочные слои хромовых и никелевых гальванических покрытий увеличиваютсрок службы и улучшают качество бытовых, медицинских, штамповочных и прессовыхинструментов, деталей узлов трения.
Гальванические покрытиябыли открыты в 1836 г. русским физиком и изобретателем в области электротехникиБ. С. Якоби и основаны на электрокристаллизации – электрохимическом осаждениина катоде (в роли которого выступает основное изделие) положительно заряженныхионов металлов при пропускании через водный раствор их солей постоянногоэлектрического тока. При этом соли металлов распадаются на ионы подвоздействием электрического тока направляются к разным полюсам: отрицательнозаряженные – к аноду, а положительно заряженные ионы металла – к катоду, тоесть к изделию, поверхностный слой которого мы хотим изменить нанесениемгальванического покрытия.
Одна из важнейшихфункций анодов в этой системе – восполнять разряжающиеся на катоде ионы,поэтому качество металла, играющего роль анода, должно быть очень высоким, сминимальным количеством посторонних примесей. На практике аноды, за редкимисключением, изготавливают из металла, слой которого хотят получить в качествегальванического покрытия. Процессы хромирования, золочения, платинирования,родирования и др. протекают с нерастворимыми анодами из металла или сплава,устойчивого в данном электролите.
Электролиты на основепростых соединений проще и дешевле, но при получениикачественных гальванических покрытий с мелкокристаллической структурой иравномерной толщиной на всех участках изделий сложной формы применяютэлектролиты на основе комплексных соединений или на основе простых солей сдобавками поверхностно-активных веществ. Для сохранения постоянства составаэлектролита введение солей или других соединений осаждаемого металлаосуществляется периодически.
Количественногальванотехнические процессы регулируются по законам Фарадея с учётом побочныхпроцессов, качественно — составом электролита, режимом электролиза,температурой и интенсивностью перемешивания. Все электрохимические процессыполучения гальванических покрытий проводят в гальванических ваннах,футерованных свинцом или винипластом, полипропиленом, или другого материала, взависимости от размера ванны и агрессивности электролита. Ванны, для получениягальванических покрытий бывают стационарными, полуавтоматическими (изделия втакой ванне вращаются или перемещаются по кругу или подковообразно) илипредставляют собой целый комплекс, в котором автоматически производитсязагрузка, выгрузка и транспортировка изделий вдоль ряда отдельных ванн.
Прочность сцеплениягальванических покрытий с основным изделиемобеспечивается, прежде всего, тщательной подготовкой поверхности, очисткаповерхности от окислов и жировых загрязнений путём механической пескоструйнойобработки, и химической обработкой травлением или обезжириванием, удалениемшероховатости шлифованием и полированием.
Покрытия, применяемые вгальванике, очень разнообразны. При выборе следуетучитывать назначение и материал детали, условия эксплуатации покрываемогоизделия, назначение и необходимые свойства покрытия, способ его нанесения,допустимость контактов сопрягаемых металлов и экономическую целесообразностьприменения гальванического покрытия. Гальванические покрытия могут обеспечиватьповышенную коррозионную стойкость (оцинкованием, хромированием, лужением, свинцеванием),износостойкость трущихся поверхностей (хромированием, железнением),защитно-декоративную функцию отделки поверхности (меднением, никелированием,хромированием, серебрением, золочением, анодированием). Гальванические покрытияизделий из полимеров, оргстекла, пластика или композита применяются дляпридания эстетичного вида, увеличения прочности поверхности изделия, приданиюдеталям электропроводящих свойств.
Хромированиеувеличивает твердость металлических изделий, сопротивление механическому износуи высоким температурам, придает декоративный вид и светоотражающие свойства.Сами по себе хромовые гальванические покрытия достаточно пористые, поэтому чащедля предотвращения коррозии на изделие наносят несколько слоев, например,медь-никель-хром или никель-медь-никель-хром. Аноды при хромировании используютсвинцовые. Свойства хромовых гальванических покрытий сильно зависят отконцентрации и температуры электролита, плотности тока. Например, притемпературе электролита 35-55ºС покрытие будет блестящим, при 55-80ºС – молочным, ниже 35 ºС – матовым. Меняя состав электролитов, можнополучить декоративное покрытие (от темно-голубого цвета до темно-синего и дажечерного) или износостойкое для обработки деталей двигателей, редукторов идругих механизмов.
Цинкование может бытьщелочным, слабокислым, цианистым. Цианистое цинкование в последнее время не применяется ввиду его вредности. Цинк хорошо сцепляется с поверхностью других металлов, а современем на цинковом покрытии образуется тонкая пленка окислов, обладающаяпрекрасными защитными свойствами. Нанесение цинкового гальванического покрытияс использованием бесцветного и радужного хроматирования обеспечивает изделиямкрасивый вид и защиту от различных видов коррозии и механических воздействий.
Кадмирование для защитыповерхности металлов все еще широко применяется, хотя в последнее время ононачинает заменяться более дешевым и доступным, и менее вредным цинкованием. Постойкости к атмосферным и химическим факторам между этими металлами нет большойразницы. Для кадмирования изделий применяются, как правило, цианистыеэлектролиты.
Меднение металлическихизделий производят в декоративно-защитныхцелях, для улучшения приработки трущихся деталей, уплотнения зазоров,восстановления изношенных поверхностей и защиты инструмента отискрообразования, а также для создания на поверхности металла токопроводящегослоя с малым сопротивлением. При меднении используются кислые, цианистые илищелочные нецианистые электролиты.
Никелированиюподвергаются преимущественно изделия из стали и сплавов, а также меди, латуни,цинка для защиты от коррозии, повышения износостойкости деталей, взащитно-декоративных целях, а также для формирования промежуточного слоя примногослойных покрытиях. Никелевые гальванические покрытия отличаются красивымвнешним видом, стойкостью к атмосферным воздействиям, легкостью нанесения наметаллические изделия. Для получения матовых и блестящих никелевых покрытий бездополнительной полировки используют разные гальванические ванны. Электролитыдля никелирования бывают сернокислые матовые, сернокислые блестящие и редкоприменяемые в гальваностегии сульфаматные.
Железнениекак гальваническое покрытие распространено очень мало. Главным образом оноиспользуется в полиграфической промышленности для покрытия матриц, а впоследнее время также при окончательной обработке деталей машин или при ремонтеизношенных инструментов. Кроме того, этим способом можно приготовить особочистое железо для физических и химических исследований. Основным элементомэлектролита является сернокислое или хлористое железо.
Латунирование–это нанесение на поверхность металлических (главным образом стальных) изделийслоя латуни толщиной в несколько мкм (примерный состав: 70% меди и 30% цинка).Применяется для защиты изделий от коррозии, для обеспечения прочного сцеплениястальных и алюминиевых изделий с резиной при горячем прессовании, для созданияпромежуточного слоя при никелировании или лужении стальных деталей (что болееэффективно, чем непосредственное покрытие никелем или оловом). Латунирование —один из способов повышения антифрикционных свойств титана и его сплавов.
Лужение приобретает впромышленности все большее значение, благодаря стойкости олова к коррозии.Применяется чаще всего к железным и стальным деталям. Гальванические покрытияиз драгоценных металлов и их сплавов широко применяются при заключительнойобработке ювелирных изделий для придания им определенного цвета, тона и блеска,создания цветовой гармонии при изготовлении изделий с драгоценными камнями,коррозионной защиты, повышения прочности и твердости. При золочении изэкономических соображений пользуются нерастворимыми (угольными, платиновыми илистальными) анодами. Наилучшими свойствами обладают гальванические покрытия иззолота, серебра и их сплавов, полученные из цианистых электролитов, содержащихсвободный цианистый калий. Однако при этом возникают проблемы с утилизациейпромывных вод и отработанных электролитов, которые содержат свободные цианиды,не говоря уже про особые меры предосторожности в процессе получения самихгальванических покрытий. Покрытия, нанесенные с использованием нецианистыхэлектролитов (гексаферроцианидных, роданидных, йодидных, пирофосфатных присеребрении и трилонатных, сульфитных, тиосульфатных, триполифосфатных призолочении) не требуют столь строгих мер по соблюдению экологическойбезопасности, но дают матовые гальванические поверхности и требуютдополнительной полировки, поэтому применяются на изделиях относительно простойконфигурации. В связи с этим сейчас в промышленности уделяют особое вниманиеразработке новых полностью бесцианистых электролитов для нанесения блестящихгальванических покрытий.
/>
Радужное хроматирование
/> />
/> />
Блестящее белое и голубоехроматирование
Приложение 8
Новые технологии вЧелябинске. Компания Цинк Сервис.
Гальваника в Челябинскепредставлена многими предприятиями. Но этот производственный цех не затерялсясреди многих, а входит в лидеры по качеству и скорости обслуживания.Предприятие работает с 2000 года. За это время проделан сложный путь откустарного производства, до гальванического цеха, производящеговысококачественное гальваническое покрытие. Продукция гальванического производстваобладает высоким декоративным эффектом и антикоррозийными защитными функциями.Качеством гальваники находится на уровне мировых образцов.
Цинкование метизов –основной род деятельности, мощности цеха позволяют цинковать до двух тоннметизов в сутки. Так же оцинковка деталей машин, деталей рециклируемой техникии деталей производственных предприятий. Начиная от запасных частей транспортнойтехники, частей гидравлического оборудования, электрических шкафов, заканчиваядеталями приборов для атомной станции. Первая линия – цинкование в ваннах на подвесках.Линия позволяет оцинковать металлические конструкции и изделия. Например:мебельную фурнитуру, элементы замков, приборов, стальные листы, ленту,крепежные детали, детали машин, трубопроводов и др. (габариты подвески 1000 х250 х 700мм). Вторая линия – цинкованиев барабанах. Линия позволяет оцинковать мелкие металлическиеизделия и конструкции длина которых не превышает 110 мм. Также всю метизную продукцию. Например: болты, гвозди, металлическую фурнитуру и др.Улучшение товарного вида приобретается за счет пассивирования оцинкованныхизделий в хроматных растворах, придающих покрытиям радужную окраску, либоблестящую голубую. На всех этапах техпроцессов осуществляется тщательныйконтроль, что позволяет достигать безупречного качества покрытий. Напредприятии имеется так же и участок токарной обработки.
/> />
Гальванические ванны
/> /> />
Выпрямители
Приложение 9
Эксперименты
/> />
Меднение стальной пластинки спомощью «кисти» провода, когда между пластинкой и кистью слой электролита.
/>
Меднение стальных ножниц, а затемнеудачная попытка их никелирования ввиду отсутствия никелевых электродов.
/>
Заготовка из воска для опыта погальванопластике.
/>
Опыт по гальванопластике. Заготовкас нашими инициалами, посыпанная электропроводящим порошком графитом подвешенана медных проволочках в растворе медного купороса.