Химия и Химики № 2 2015. Лампа накаливания, вакуум, вода

Нить накаливания в лампах нагревается до высоких температур, которые близки к температуре плавления вольфрама (3422°C). Вольфрам, а также уголь, который применялся в первых лампах, при комнатной температуре не отличаются химической активностью, однако раскаленная вольфрамовая спираль (равно, как и угольная нить) сгорают на воздухе за несколько секунд. В этом можно легко убедиться, попробовав включить лампу накаливания со снятой колбой [1].

Чтобы вольфрамовая нить (спираль) не сгорела, ее нужно изолировать от действия воздуха. Первые лампы были вакуумными, т.е. из их колб был откачан воздух. Химики отлично знают, что стеклянные сосуды, которые работают под вакуумом, могут причинить немало неприятностей. Малейшее повреждение стекла или механическое напряжение внутри стекла - и такой сосуд может взорваться.

Современные лампы заполняют аргоном или смесью криптона и ксенона. Это выгодно не только с точки зрения безопасности, но и для продления срока службы лампы. Основная причина, по которой перегорают лампы, - постепенное испарение вольфрама с поверхности спирали. В среде аргона или смеси криптона с ксеноном такое испарение происходит медленнее, чем в вакууме [K1].

Тем не менее, газ, который заполняет лампу, находится под давлением ниже атмосферного. Вероятно, это делается потому, что в процессе работы лампы газ внутри колбы греется и давление растет. Для продления срока службы лампы повышенное давление внутри колбы полезно, поскольку это уменьшит испарение вольфрама, однако, желательно, чтобы давление выросло не слишком сильно, иначе могут не выдержать стенки. - Именно поэтому защитный газ внутри ламп находится под разрежением.

Легко убедиться, что внутри выключенной лампы давление ниже атмосферного, но достаточно включить лампу и давление внутри колбы станет выше атмосферного [2].

С помощью сосуда с водой и плоскогубцев можно продемонстрировать, что газ внутри колбы лампы находится под низким давлением. А если есть весы, это давление можно измерить. Идею опыта подсказал один из участников форума, когда шло обсуждение получения натрия электролизом натриевой селитры с использованием вакуумной электрической лампочки [3].

Идея проста: снять с лампы цоколь, погрузить нижнюю часть лампы в сосуд с водой, под водой вскрыть запаянную стеклянную трубку, которая используется для откачки газа из колбы (она находится под цоколем). Вода устремится в колбу - до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с атмосферным. Вакуумная лампа должна заполниться водой полностью, лампа с разреженным газом - лишь частично (причем тем сильнее, чем ниже было давление внутри колбы).

Если взвесить лампу (без цоколя) до опыта, а затем еще раз взвесить - после частичного заполнения колбы водой, мы сможем узнать массу воды, которую засосало в колбу. А, следовательно - объем воздуха, который должен был попасть в лампу, чтобы внутреннее давление достигло атмосферного.

Для эксперимента вполне подойдет и перегоревшая лампа.

Цоколь с лампы нужно снимать аккуратно - иначе можно повредить стенки колбы или (что более вероятно) повредить стеклянную трубку. Первый раз проблем не возникло - цоколь отпал сам (українська якість, а бодай їх...). Третий раз я очень осторожно обпилил цоколь по периметру ножовочным полотном - потому что при попытке снять цоколь со второй лампы с помощью грубой силы и плоскогубцев я поломал упомянутую стеклянную трубку.

Опустил нижнюю часть лампы в кристаллизатор с водой и раздавил под водой запаянную трубку с помощью плоскогубцев (для этого хорошо подходят изогнутые плоскогубцы). Внутрь лампы устремилась вода и заполнила часть колбы. Это произошло так быстро, что я сразу не заметил и продолжил колупаться плоскогубцами.

Во время второго опыта подкрасил воду в кристаллизаторе чернилами для струйного принтера. Стоит ли это делать для наглядности - не знаю.

Взвесил пустую лампу (заранее), взвесил лампу с водой, которую засосало в колбу. Потом заполнил колбу лампы водой и снова взвесил. Для заполнения лампы водой верхнюю внутреннюю ее часть (у основания припаянной трубки) придется осторожно надбить проволокой - чтоб образовалось отверстие. Главное не растолочь саму колбу (а это легко: стекло тонкое).

По разнице масс можно рассчитать разрежение, которое было внутри колбы лампы. В случае двух использованных мной ламп оно оказалось небольшим. Данные опыта приведены ниже.

Первый опыт.

Лампа до опыта (без цоколя): 21.85 г

Лампа после опыта (частичное заполнение водой): 40.60 г

Лампа, полностью заполненная водой: 115.05 г

Масса воды, которую засосало в лампу (за счет разрежения):
40.60 - 21.85 = 18.75 г

Масса воды в полностью заполненной лампе:
115.05 - 21.85 = 93.20 г

Давление внутри лампы:
1 - 18.75 / 93.20 = 0.7988 атм.

Т.е. давление внутри лампы составляет примерно 4/5 атмосферного.

Второй опыт.

Лампа до опыта (без цоколя): 24.55 г

Лампа после опыта (частичное заполнение водой): 44.65 г

Лампа, полностью заполненная водой: 113.50 г

Масса воды, которую засосало в лампу (за счет разрежения):
44.65 - 24.55 = 20.10

Масса воды в полностью заполненной лампе:
113.50 - 44.65 = 68.85

Давление внутри лампы:
1 - 20.10/68.85 = 0.7080 атм. (2/3 атмосферного давления)

__________________________________________________
¹ Как горит лампа накаливания на воздухе (без колбы)? [ссылка]

² Что можно сделать с электрической лампой? ч.1 и 2 [ссылка]

³ Натрий и электрическая лампочка [ссылка]

Смотреть Видео (33 Мб, .avi )