Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Впервые прочитал описание этого опыта в книге Олег Ольгин - Опыты без взрывов. ГЛАВА 5. ЛОВКОСТЬ РУК [ссылка]. Приведу цитату:
И еще один, не вполне обычный опыт с электрической лампочкой, но не с большой, а от карманного фонаря. Укрепите ее в полоске жести, согнутой под прямым углом, и вставьте полоску в небольшой химический стакан так, чтобы стеклянный баллон лампочки оказался внутри стакана и был обращен к его дну. Подключите лампочку к батарейке: выступ на цоколе, самый крайний его участок соедините с отрицательным полюсом, а полоску жести - с положительным. Обратите внимание: припаивать проводники нельзя, потому что во время опыта припой может расплавиться. Надо придумать механический контакт или же использовать патрон от старого карманного фонаря.
До начала опыта выньте лампу из стакана и насыпьте в него нитрат натрия (нитрат калия в этом случае не годится; почему - станет ясно позже). Поставьте стакан на асбестовую сетку или металлическую пластинку и нагрейте его на пламени газовой горелки или спиртовки; сухой спирт не очень удобен, так как трудно регулировать температуру расплава. Селитра плавится при 309°С, а при 390°С уже разлагается; вот в таком интервале и придется поддерживать температуру. Для этого изменяйте либо размер пламени, либо расстояние до стакана. Следите, чтобы расплав не застывал, даже с поверхности.
В расплавленную селитру осторожно опустите лампочку. Большая часть стеклянного баллона должна быть погружена в расплав, но следите за тем, чтобы верхняя часть цоколя, к которой припаян проводник, не соприкоснулась с селитрой - произойдет короткое замыкание. Зажженную лампочку подержите в селитре около часа, потом отключите ток, погасите горелку и аккуратно доставьте лампочку. Когда она остынет, промойте ее водой, и вы увидите, что лампочка изнутри покрыта зеркальным слоем!
Мы уже говорили, что при нагревании заряженные частицы в стекле приобретают подвижность (поэтому и зажглась лампа, когда трубку нагревали спичкой). Главные действующие лица - ионы натрия: уже при температуре выше 300°С они становятся достаточно подвижными. Само стекло остается при этом совершенно твердым.
Когда вы погрузили включенную лампочку в расплав селитры, то стекло, из которого сделан баллончик, оказалось в электрическом поле: спираль - отрицательный полюс, расплав, который соприкасается с полоской жести - положительный. Подвижные ионы натрия начали двигаться в стекле в сторону катода, т. е. по направлению к спирали. Иными словами, они перемещались к внутренней стенке баллона.
Значит, зеркальный налет изнутри натриевый? Да. Но как же ионы превратились в металл?
Раскаленные металлы (в том числе и те, из которых изготовлена спираль) испускают электроны. От спирали они попали на внутреннюю поверхность стекла и соединились там с ионами натрия. Так образовался металлический натрий.
Но почему для опыта не годится калиевая селитра? Ведь нитрат вроде бы и не участвует в процессе... Нет, участвует. Когда ион натрия стал нейтральным атомом, в стекле осталась отрицательно заряженная ионная дырка. Тут и нужна натриевая селитра: из ее расплава под действием электрического поля в стекло проникают ионы натрия и заполняют дырки. А ионы калия примерно в полтора раза больше ионов натрия, они не смогут войти в стекло. В калиевой селитре лампа просто треснет.
Такой необычный электролиз через стекло иногда применяют на практике, чтобы получить слой очень чистого натрия, или, более строго, - спектрально чистого.
В детстве приведенное описание у меня не вызвало сомнений, но во взрослом возрасте в правдоподобии данного эксперимента стал сомневаться. Книга Ольгина - явно не первоисточник: нужно было найти, откуда автор взял этот эксперимент. Оказалось, что получение натрия таким способом описано в книге Э. Ангерер. Техника физического эксперимента. Пер. с 12-го нем. изд. 1962 [ссылка]:
При электролитическом методе [16] применяют аппаратуру, схематически изображенную на рис. 1,3. В откачанную колбу К из натрового стекла с возможно малым содержанием свинца помещен горячий катод G (спираль). Колба погружена в железный тигель с подогретой до 270-350° С расплавленной смесью, состоящей из равных частей азотнокислого и азотистокислого натрия. "В" представляет собой источник напряжения от 100 до 300 В, отрицательный полюс которого соединен через предохранительное сопротивление в несколько тысяч Ом со спиралью G, а положительный полюс соединяется с тиглем. Ионы Na проникают из расплавленного раствора через стекло и нейтрализуются электронами, эмиттируемыми катодом. При токе 10-4 A через час или два на самых холодных верхних местах колбы осаждается блестящее натриевое зеркало, имеющее контакт с вспомогательным электродом Н.
Лёбе и Ледиг [17] применяют ионный разряд в благородном газе (т. е. без горячего катода) и ток силой 40 мA.
Получение калия непосредственно из его азотнокислых солей не удается. Согласно Форро и Патаи [18] этого можно достичь путем замещения на внутренней стороне колбы ионов Na ионами К. Для этой цели колбу, которая, как было описано, погружена в расплавленный раствор азотнокислых солей натрия, наполняют азотнокислым калием и при электролизе (20 мА, 30 мин) соединяют с катодом внешнюю ванну. После этого колба промывается и снабжается горячим катодом. Если затем поступать так, как это было описано выше, то проникающие извне ионы Na осаждаются на внутренней стенке, освобождая атомы К. Аналогичным образом можно получить зеркальные слои Rb и Cs.
Для того чтобы ввести Na в стекло пирекс, Пике [19] применяет ванну из азотнокислого Na с 0.4% азотистокислого К и 0.8% азотистокислого Ca при 480-510° С; при плотности тока 5 мA/см2 выделяется 4 мг Na на 1 см2 в час.
Решил повторить опыт - в варианте Ольгина (т.е. с лампочкой от карманного фонарика). На бумаге все выглядит просто, но на практике нужно нагреть в прозрачном (стеклянном) стакане натриевую селитру (Тпл. 308°C, Тразл. 380°C), погрузить в расплав лампочку и выдержать ее в расплаве час.
Лучше всего было бы использовать электрическую плитку, но ранее пришлось убедиться, что мощности плитки, которая есть у нас в лаборатории, едва ли хватает для того, чтобы расплавить нитрат натрия. Если греть селитру в стеклянном стакане в пламени газовой горелки (как это показано на рисунке у Ольгина), то стакан легко может треснуть. - Даже термостойкий. Решил все-таки попробовать: на кольцо, закрепленное в лапке штатива, поместил асбестовый картон, поставил на него стакан с нитратом натрия, снизу закрепил газовую горелку и начал греть...
Сначала внизу начал плавиться нитрат натрия, потом треснул стакан, затем в баллончике горелки закончился газ. Почем треснул стакан, стало очевидно, когда я дотронулся до верха: снизу был расплавленный нитрат натрия, выше - твердая соль, а верхняя часть стаканчика имела комнатную температуру. Такой перепад температур выдержит разве что кварцевое стекло.
От идеи провести эксперимент в прозрачном сосуде пришлось отказаться. Взял фарфоровый тигель. Использование тигля позволило взять специальную электрическую баню (стакан бы в ней точно треснул). Добил стакан и перенес из него нитрат натрия в тигель, поставил на баню, включил нагрев (ориентировочно до 350°С), для ускорения нагрева накрыл тигель асбестом. Селитра вскоре расплавилась.
Маленькую электрическую лампочку (такие лампы раньше часто использовали в карманных фонариках) закрепил в изогнутой полоске жести. Подключил к жести положительный контакт блока питания. Отрицательный контакт присоединил к верхнему контакту лампы с помощью крокодильчика. Напряжение - 3.5 В. Погрузил баллон лампы в расплав - так, чтобы жидкость не касалась цоколя.
Вскоре пластмассовые части крокодильчика стали плавиться - пришлось их отсоединить, потом крокодильчик слетел. Я закрепил крокодильчик в штативе и просто прислонил его к верхнему контакту лампы - такой вариант оказался простым и надежным.
Лампа горела в расплаве, который внешне напоминал воду. Минут через 20 стало заметно, что стекло лампочки чернеет - свет стал более тусклым. Появилось ли зеркальное покрытие, разглядеть не удалось.
Через 40 минут лампа перегорела. Извлек ее из расплава. После полного охлаждения отмыл от приставшей селитры. Оказалось, что баллон лампы не стал зеркальным. Стекло почернело, причем неравномерно. В месте, обращенном к полоске жести, почернение было особо сильным, но полноценного натриевого зеркала не было.
Взял новую лампочку, решил повторить. В момент присоединения контактов лампочка загорелась и тут же перегорела. Причина выяснился быстро: в перерывах между опытами я подключил к блоку питания бОльшие лампочки, на корпусе которых не было указано напряжение. Дал максимум 12 В - оказалось мало. Перед включением маленькой лампы я забыл сбавить напряжение - в результате она сразу же сгорела.
Но тут выяснилось, что обе перегоревшие лампы были не на 3.5 В (как я рассчитывал), а на 2.5 В - не удивительно, почему первая лампа через 40 минут перегорела.
Взял лампу на 3.5 В, повторил эксперимент (питание - 3.5 В). Почернение стекла стало заметно минут через 20. Через 70 минут баллон лампы стал черным - гораздо сильнее, чем в прошлом опыте. Эксперимент приостановил, лампу извлек.
На следующий день снова расплавил нитрат натрия в тигле (тот же, что и вчера) и опустил в него ту же лампу. В этот раз выдержал включенную лампу в расплаве 4 часа. Контакт, правда, был не идеальным - со временем цоколь лампы окислился, и лампа горела не на полную мощность. Когда вынул лампу из расплава - она была черной, но не зеркальной. На свет стекло слегка просвечивало коричневым. - Натрий на стенках отложился, но толщина слоя была недостаточной, чтобы образовалось зеркало.
И еще один, не вполне обычный опыт с электрической лампочкой, но не с большой, а от карманного фонаря. Укрепите ее в полоске жести, согнутой под прямым углом, и вставьте полоску в небольшой химический стакан так, чтобы стеклянный баллон лампочки оказался внутри стакана и был обращен к его дну. Подключите лампочку к батарейке: выступ на цоколе, самый крайний его участок соедините с отрицательным полюсом, а полоску жести - с положительным. Обратите внимание: припаивать проводники нельзя, потому что во время опыта припой может расплавиться. Надо придумать механический контакт или же использовать патрон от старого карманного фонаря.
До начала опыта выньте лампу из стакана и насыпьте в него нитрат натрия (нитрат калия в этом случае не годится; почему - станет ясно позже). Поставьте стакан на асбестовую сетку или металлическую пластинку и нагрейте его на пламени газовой горелки или спиртовки; сухой спирт не очень удобен, так как трудно регулировать температуру расплава. Селитра плавится при 309°С, а при 390°С уже разлагается; вот в таком интервале и придется поддерживать температуру. Для этого изменяйте либо размер пламени, либо расстояние до стакана. Следите, чтобы расплав не застывал, даже с поверхности.
В расплавленную селитру осторожно опустите лампочку. Большая часть стеклянного баллона должна быть погружена в расплав, но следите за тем, чтобы верхняя часть цоколя, к которой припаян проводник, не соприкоснулась с селитрой - произойдет короткое замыкание. Зажженную лампочку подержите в селитре около часа, потом отключите ток, погасите горелку и аккуратно доставьте лампочку. Когда она остынет, промойте ее водой, и вы увидите, что лампочка изнутри покрыта зеркальным слоем!
Мы уже говорили, что при нагревании заряженные частицы в стекле приобретают подвижность (поэтому и зажглась лампа, когда трубку нагревали спичкой). Главные действующие лица - ионы натрия: уже при температуре выше 300°С они становятся достаточно подвижными. Само стекло остается при этом совершенно твердым.
Когда вы погрузили включенную лампочку в расплав селитры, то стекло, из которого сделан баллончик, оказалось в электрическом поле: спираль - отрицательный полюс, расплав, который соприкасается с полоской жести - положительный. Подвижные ионы натрия начали двигаться в стекле в сторону катода, т. е. по направлению к спирали. Иными словами, они перемещались к внутренней стенке баллона.
Значит, зеркальный налет изнутри натриевый? Да. Но как же ионы превратились в металл?
Раскаленные металлы (в том числе и те, из которых изготовлена спираль) испускают электроны. От спирали они попали на внутреннюю поверхность стекла и соединились там с ионами натрия. Так образовался металлический натрий.
Но почему для опыта не годится калиевая селитра? Ведь нитрат вроде бы и не участвует в процессе... Нет, участвует. Когда ион натрия стал нейтральным атомом, в стекле осталась отрицательно заряженная ионная дырка. Тут и нужна натриевая селитра: из ее расплава под действием электрического поля в стекло проникают ионы натрия и заполняют дырки. А ионы калия примерно в полтора раза больше ионов натрия, они не смогут войти в стекло. В калиевой селитре лампа просто треснет.
Такой необычный электролиз через стекло иногда применяют на практике, чтобы получить слой очень чистого натрия, или, более строго, - спектрально чистого.
В детстве приведенное описание у меня не вызвало сомнений, но во взрослом возрасте в правдоподобии данного эксперимента стал сомневаться. Книга Ольгина - явно не первоисточник: нужно было найти, откуда автор взял этот эксперимент. Оказалось, что получение натрия таким способом описано в книге Э. Ангерер. Техника физического эксперимента. Пер. с 12-го нем. изд. 1962 [ссылка]:
При электролитическом методе [16] применяют аппаратуру, схематически изображенную на рис. 1,3. В откачанную колбу К из натрового стекла с возможно малым содержанием свинца помещен горячий катод G (спираль). Колба погружена в железный тигель с подогретой до 270-350° С расплавленной смесью, состоящей из равных частей азотнокислого и азотистокислого натрия. "В" представляет собой источник напряжения от 100 до 300 В, отрицательный полюс которого соединен через предохранительное сопротивление в несколько тысяч Ом со спиралью G, а положительный полюс соединяется с тиглем. Ионы Na проникают из расплавленного раствора через стекло и нейтрализуются электронами, эмиттируемыми катодом. При токе 10-4 A через час или два на самых холодных верхних местах колбы осаждается блестящее натриевое зеркало, имеющее контакт с вспомогательным электродом Н.
Лёбе и Ледиг [17] применяют ионный разряд в благородном газе (т. е. без горячего катода) и ток силой 40 мA.
Получение калия непосредственно из его азотнокислых солей не удается. Согласно Форро и Патаи [18] этого можно достичь путем замещения на внутренней стороне колбы ионов Na ионами К. Для этой цели колбу, которая, как было описано, погружена в расплавленный раствор азотнокислых солей натрия, наполняют азотнокислым калием и при электролизе (20 мА, 30 мин) соединяют с катодом внешнюю ванну. После этого колба промывается и снабжается горячим катодом. Если затем поступать так, как это было описано выше, то проникающие извне ионы Na осаждаются на внутренней стенке, освобождая атомы К. Аналогичным образом можно получить зеркальные слои Rb и Cs.
Для того чтобы ввести Na в стекло пирекс, Пике [19] применяет ванну из азотнокислого Na с 0.4% азотистокислого К и 0.8% азотистокислого Ca при 480-510° С; при плотности тока 5 мA/см2 выделяется 4 мг Na на 1 см2 в час.
Решил повторить опыт - в варианте Ольгина (т.е. с лампочкой от карманного фонарика). На бумаге все выглядит просто, но на практике нужно нагреть в прозрачном (стеклянном) стакане натриевую селитру (Тпл. 308°C, Тразл. 380°C), погрузить в расплав лампочку и выдержать ее в расплаве час.
Лучше всего было бы использовать электрическую плитку, но ранее пришлось убедиться, что мощности плитки, которая есть у нас в лаборатории, едва ли хватает для того, чтобы расплавить нитрат натрия. Если греть селитру в стеклянном стакане в пламени газовой горелки (как это показано на рисунке у Ольгина), то стакан легко может треснуть. - Даже термостойкий. Решил все-таки попробовать: на кольцо, закрепленное в лапке штатива, поместил асбестовый картон, поставил на него стакан с нитратом натрия, снизу закрепил газовую горелку и начал греть...
Сначала внизу начал плавиться нитрат натрия, потом треснул стакан, затем в баллончике горелки закончился газ. Почем треснул стакан, стало очевидно, когда я дотронулся до верха: снизу был расплавленный нитрат натрия, выше - твердая соль, а верхняя часть стаканчика имела комнатную температуру. Такой перепад температур выдержит разве что кварцевое стекло.
От идеи провести эксперимент в прозрачном сосуде пришлось отказаться. Взял фарфоровый тигель. Использование тигля позволило взять специальную электрическую баню (стакан бы в ней точно треснул). Добил стакан и перенес из него нитрат натрия в тигель, поставил на баню, включил нагрев (ориентировочно до 350°С), для ускорения нагрева накрыл тигель асбестом. Селитра вскоре расплавилась.
Маленькую электрическую лампочку (такие лампы раньше часто использовали в карманных фонариках) закрепил в изогнутой полоске жести. Подключил к жести положительный контакт блока питания. Отрицательный контакт присоединил к верхнему контакту лампы с помощью крокодильчика. Напряжение - 3.5 В. Погрузил баллон лампы в расплав - так, чтобы жидкость не касалась цоколя.
Вскоре пластмассовые части крокодильчика стали плавиться - пришлось их отсоединить, потом крокодильчик слетел. Я закрепил крокодильчик в штативе и просто прислонил его к верхнему контакту лампы - такой вариант оказался простым и надежным.
Лампа горела в расплаве, который внешне напоминал воду. Минут через 20 стало заметно, что стекло лампочки чернеет - свет стал более тусклым. Появилось ли зеркальное покрытие, разглядеть не удалось.
Через 40 минут лампа перегорела. Извлек ее из расплава. После полного охлаждения отмыл от приставшей селитры. Оказалось, что баллон лампы не стал зеркальным. Стекло почернело, причем неравномерно. В месте, обращенном к полоске жести, почернение было особо сильным, но полноценного натриевого зеркала не было.
Взял новую лампочку, решил повторить. В момент присоединения контактов лампочка загорелась и тут же перегорела. Причина выяснился быстро: в перерывах между опытами я подключил к блоку питания бОльшие лампочки, на корпусе которых не было указано напряжение. Дал максимум 12 В - оказалось мало. Перед включением маленькой лампы я забыл сбавить напряжение - в результате она сразу же сгорела.
Но тут выяснилось, что обе перегоревшие лампы были не на 3.5 В (как я рассчитывал), а на 2.5 В - не удивительно, почему первая лампа через 40 минут перегорела.
Взял лампу на 3.5 В, повторил эксперимент (питание - 3.5 В). Почернение стекла стало заметно минут через 20. Через 70 минут баллон лампы стал черным - гораздо сильнее, чем в прошлом опыте. Эксперимент приостановил, лампу извлек.
На следующий день снова расплавил нитрат натрия в тигле (тот же, что и вчера) и опустил в него ту же лампу. В этот раз выдержал включенную лампу в расплаве 4 часа. Контакт, правда, был не идеальным - со временем цоколь лампы окислился, и лампа горела не на полную мощность. Когда вынул лампу из расплава - она была черной, но не зеркальной. На свет стекло слегка просвечивало коричневым. - Натрий на стенках отложился, но толщина слоя была недостаточной, чтобы образовалось зеркало.
