Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Звонок устроен так. Под стеклянным колпаком расположены две гальванические батареи. Никто не знает точно, из чего они сделаны. Судя по времени изготовления, это могут быть так называемые замбониевые столбы, описанные в 1812 г. итальянским физиком Джузеппе Замбони. Это гальваническая батарея, в которой электродами служат несколько тысяч тонких дисков диаметром около 20 мм из серебряной и цинковой фольги (применялись и другие металлы). А между ними вместо влажных фланелевых или картонных кружков, которые были у Вольты, помещена сухая бумага. Как и любая бумага, она содержит небольшое количество влаги, поглощенной из воздуха, которая и служит электролитом. все устройство либо помещается в герметичную стеклянную трубку, либо погружается в расплавленную серу или смолу. Из-за очень высокого внутреннего сопротивления такая батарея дает очень слабый ток, но служит долго.

В «вечном звонке» в каждой батарее находится около двух тысяч таких гальванических пар, и вместе они дают напряжение около 2000 В. Для герметичности обе батареи залиты расплавленной серой – это препятствует пересыханию батареи и проникновению в них кислорода (он реагирует с цинком). К каждой батарее (к разным их полюсам) присоединены латунные чашечки звонка, а между ними на тонкой нити колеблется полый металлический шарик диаметром около 4 мм. Притянувшись к одной чашечке под действием электростатических сил, шарик получает высоковольтный заряд того же знака и потому отталкивается от этой чашечки и притягивается к другой, заряд которой противоположен по знаку. Там он отдает свой заряд и снова начинает притягиваться к другой чашечке. Так шарик попеременно ударяет в чашечки, вызывая тихое, еле слышное позвякивание (на том же принципе работает и маятник в Мантуе). Каждый раз шарик «вечного двигателя» переносит очень малый заряд; это соответствует ничтожно малому току разряда двух батарей, которые таким образом могут работать буквально веками (и все же не бесконечно долго!) – при условии хорошей изоляции гальванических батарей от атмосферы. Частота колебаний составляет около 2 Гц, так что за время своего существования прибор позвонил уже более 11 миллиардов раз, и не исключено, что механические части звонка износятся быстрее, чем иссякнет электродвижущая сила батарей!

Кто и когда изготовил этот звонок, неизвестно. В записях музея есть лишь информация о том, что «вечный звонок» был куплен в 1840 г. оксфордским профессором физики Робертом Уокером в лавке научных приборов в Лондоне. Однако историкам науки известно, что еще в 1815 г. в «Еженедельном вестнике искусств и ремесел королевства Баварии» появилось сообщение о новом perpetuum mobile – «вечном двигателе», построенном неким Рамисом из Мюнхена. Конструкция Рамиса принципиально не отличалась от описанного «вечного звонка». Источником тока в ней тоже служил «замбониев столб».

Во многих учебниках и учебных пособиях процессы, происходящие при прохождении электрического тока через растворы электролитов, трактуются на первый взгляд достаточно просто и понятно. Утверждается, что в ходе электролиза «под действием электрического тока» происходит разложение электролита. При этом «под действием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к электродам», катионы в растворе движутся к катоду и там разряжаются, а анионы соответственно движутся к аноду и на нем разряжаются. Но так ли это на самом деле? Рассмотрим несколько экспериментальных фактов, которые противоречат такому упрощенному изложению и на первый взгляд выглядят парадоксально.

Факт первый. Электропроводность в растворе невозможна без одновременного электролиза.

Пусть в заполненном водой сосуде размером 10 × 10 × 10 см (его объем равен 1 л) растворен 1 моль NaCl (массовая доля хлорида натрия в таком растворе при 20 °С равна 6 %). Разместим у противоположных стенок сосуда два электрода из инертного материала (например, платины) площадью 1 дм2. По таблицам электропроводности водных растворов находим, что при комнатной температуре сопротивление между электродами будет равно примерно 0,1 Ом. Подадим на электроды небольшое постоянное напряжение U = = 0,1 В. Если такое напряжение подать на металлический проводник (например, медный) с тем же сопротивлением R = 0,1 Ом, то через него пойдет ток I = U / R = 1 A. Однако амперметр, включенный в цепь с раствором соли, покажет, что ток через раствор не идет. Не пойдет он и при повышении напряжения на электродах в 10 раз. В чем же отличие медного провода (проводник первого рода) от раствора электролита (проводник второго рода)?

В металлическом проводнике движутся электроны, и если цепь замкнута, то число электронов, покидающих данный объем металла, в точности равно числу электронов, приходящих в этот объем. Происходит это на всем протяжении цепи, начиная от генератора электроэнергии, даже если длина цепи составляет тысячи километров. (Напомним, что после замыкания цепи начало направленного движения электронов в ней распространяется со скоростью света, хотя сами электроны в металле движутся неизмеримо медленнее: их скорость измеряется миллиметрами в секунду и зависит от напряжения.) Чтобы привести электроны в движение, достаточно приложить к концам проводника очень малое напряжение, поэтому закон Ома в металлах выполняется очень хорошо в большом диапазоне напряжений.

В проводниках второго рода движутся не электроны, а ионы. Чтобы электрическая цепь, включающая источник напряжения, подводящие провода, электроды и раствор электролита, оказалась замкнутой, необходимо как-то «состыковать» электронную и ионную проводимость. Такая «состыковка» происходит на границе раствора и электродов. Источник напряжения «нагнетает» электроны на катод и «откачивает» их из анода. Однако электроны не могут «войти» в раствор с катода и «выйти» из раствора на анод. Электроны могут быть «изъяты» из катода лишь в результате их взаимодействия с ионами или нейтральными молекулами в растворе, которые при этом восстанавливаются. На аноде же ионы или нейтральные молекулы окисляются, отдавая свои электроны металлу. Только таким образом цепь можно замкнуть: в металлических проводниках ток будут переносить электроны, в растворе (или расплаве) – ионы. Важно, что восстанавливаться и окисляться на электродах могут одни частицы, а переносить заряд в растворе – совершенно другие.

Электродные процессы восстановления и окисления не могут идти, если сила, «нагнетающая» и «откачивающая» электроны (т. е. напряжение на электродах) меньше некоторого определенного значения. Минимальная разность потенциалов, которую необходимо создать между электродами, чтобы начался электролиз, называется напряжением разложения электролита. Оно зависит как от типа электролита (0,70 В для нитрата серебра и 2,35 В для сульфата цинка), так и от его концентрации (1,26 В при электролизе соляной кислоты с концентрацией 2 моль/л и 1,69 В при ее концентрации 0,03 моль/л). Существенное значение имеет также плотность тока и материал электрода. Например, чтобы водород из раствора кислоты выделялся на свинцовом катоде, требуется более высокое напряжение, чем в случае платинового катода. Из сказанного следует вывод, что именно процессы на электродах создают саму возможность протекания электрического тока через раствор. Поэтому правильнее говорить, что разложение электролита происходит не «под действием электрического тока», а в результате процессов окисления-восстановления на электродах. Протекание тока через раствор – следствие, а не причина электродных процессов.