Химия и Химики № 3 2015. Электропроводность, электролиты, электролиз с переменным током

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Техника безопасности

Мы проведем несколько простых опытов по демонстрации электропроводности воды и водных растворов электролитов, а также по химическому действию переменного тока напряжением 220 В и 50 Гц (электролизу с переменным током), но с самого начала давайте договоримся о нескольких простых вещах, от которых зависит безопасность (ваша и окружающих людей).

В описанных ниже опытах используется напряжение 220 В от осветительной сети. Это несет угрозу поражения электрическим током (вплоть до смертельных случаев). Также вы рискуете устроить короткое замыкание (КЗ): в лучшем случае сгорят пробки или выбьет автомат, в худшем случае перегорит проводка и может случиться пожар.

Первое, что следует уяснить. Сила тока в ваших опытах не должна превысить определенного критического значения - иначе что-то сгорит (предохранители пробок, проводка, в лучшем случае - выбьет автомат).

Если просто включить вилку в розетку и соединить провода - произойдет фейерверк. Сопротивление проводов низкое - доли ома (так и должно быть, чтобы электрическая энергия не терялась зря), напряжение - 220 В. Согласно закону Ома сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R:

I = U/R

Напряжение - высокое, сопротивление - низкое, соответственно ток будет высоким - произойдет КЗ. Чтобы этого избежать, в цепь необходимо включить электрическое сопротивление, в нашем случае это лампа накаливания на 220 В. Она не даст току вырасти слишком сильно - даже если соединить провода.

Во ВСЕХ опытах, описанных в данной статье, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО с электродами должна быть включена электрическая ЛАМПА на 220 В. В опытах по электропроводности лампа необходима, чтобы увидеть, идет ли через цепь ток, в опытах по электролизу лампа наоборот отвлекает внимание от ячейки, но все равно она должна быть в цепи, иначе - КЗ и фейерверк.

Если вы включите лампу накаливания (или другое сопротивление) не последовательно, а параллельно, - произойдет короткое замыкание, т.к. в данном случае сопротивление бесполезно: ток пойдет в обход лампы через участок с низким сопротивлением.

Второй важный момент. Во время работы ячейка с электролитом (или водой) находится под высоким напряжением. Не вздумайте перемешивать содержимое металлическим шпателем, ложкой и т.п. Если вы будете что-либо подливать в ячейку - струя жидкости и содержимое стаканчика (который у вас в руках) также окажутся под напряжением.

Работайте в толстых резиновых перчатках, лучше - в обуви на резиновой подошве. Держитесь подальше от заземленных предметов (батареи отопления, водопровод и т.д.) Если вы работаете не в помещении, а на улице и стоите на земле (особенно - влажной), это плохо.

Что будет, если прикоснуться к оголенному электрическому проводу под напряжением 220 В? Результат зависит от многих факторов, но их влияние сводится к приведенному выше закону Ома. В школе учитель физики нам говорил: "Убивают не вольты, убивают амперы". При всей образности, такое высказывание передает суть.

Чем выше сила тока, который проходит через ваше тело, - тем хуже для вас! А сила тока пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению. Напряжение фиксировано - 220 В, значит сопротивление должно быть как можно больше. Основную долю сопротивления человеческого тела дает кожа. При расчетах принимается, что сопротивление тела человека равно 1000 Ом (1 кОм) [K1]. Обычно сопротивление человека значительно выше, но не стоит на это надеяться. Если кожа сухая - все хорошо, если мокрая - ее сопротивление резко падает, если кожа не просто мокрая, а пропитана раствором электролита - ее сопротивление падает очень резко. А мы будем работать как раз с растворами сильных электролитов - руки во время опытов должны оставаться сухими!

Если вы коснулись одного электрода - ток через ваше тело потечет в землю. Когда вы стоите на полу из изолятора - сила тока будет минимальной, т.к. сопротивление пола, обуви и фундамента здания высокое. Скорее всего, вы отделаетесь легким испугом. Но если при этом вы касаетесь металлических предметов, соединенных с землей, например, трубы водопровода или батареи - вас может убить. Сопротивление металлических труб низкое - ток будет высоким.

Большое значение также имеет то, каким путем пройдет электрический ток через ваше тело. Хуже всего, когда этот путь лежит через сердце и другие жизненно важные органы. Плохо, если вы коснетесь одновременно двух проводов обеими руками - тогда ток потечет не через тело в землю, а из одного провода через тело в другой провод - как раз через сердце.

В свое время так увлекся экспериментом, что случайно коснулся пальцами одной руки сразу двух электродов под напряжением 220 В. Кожа была сухой, ток шел только через пальцы, поэтому такая неосторожность сошла мне с рук (причем дважды). Почувствовал подергивание. Но если бы кожа была мокрой - последствия могли бы быть серьезными.

Электропроводность дистиллированной воды и воды из-под крана

Электропроводность дистиллированной воды, воды из-под крана и растворов сильных электролитов можно продемонстрировать с помощью простой установки. Стакан (я взял стакан на 500 мл), лампа на 220 В и два электрода (гвоздя), к которым подведен ток от осветительной сети. Лампа и электроды подключены ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО (повторю еще раз) - даже если электроды соприкоснуться, короткого замыкания (КЗ) не будет: ток пойдет через лампу, а она имеет достаточное электрическое сопротивление, чтобы удержать силу тока в сети в допустимых рамках.

Один гвоздь опущен в стакан и закреплен в штативе, второй электрод (гвоздь) привязан к стеклянной палочке так, чтобы палочку можно было взять в руки и двигать электрод.

Налил в стакан дистиллированную воду. Один электрод оказался под водой, другой я взял и опустил в воду (с помощью стеклянной палочки). Оба гвоздя в воде, но лампа не горит: спираль абсолютно не светится. Электропроводность дистиллированной воды настолько низкая (а сопротивление - настолько высокое), что ток между электродами практически не идет.

Теперь прикоснемся подвижным электродом к закрепленному - лампа ярко загорится.

Смотреть Видео (73 Мб, .avi )

Раньше я использовал немного более простую установку: в ней оба электрода были жестко закреплены. Электроды опустил в небольшой стаканчик с водой - разумеется, лампа не горела. Чтобы лампа загорелась, прикоснулся к обоим электродам отверткой. Цепь замкнулась, лампа загорелась.

Кстати, именно к этим электродам (см. фотографии) я случайно прикоснулся пальцами, когда они были под напряжением 220 В. Правда то был совсем другой эксперимент.

Если вместо дистиллированной воды налить воду из-под крана, лампа тускло, но загорится: в водопроводной воде достаточно растворенных солей.

Кстати, и в дистиллированной воде есть ионы. Во-первых, вода диссоциирует:

Н₂О <=> Н⁺ + ОН^-

во-вторых, вода содержит растворенный углекислый газ, который образует с водой слабую угольную кислоту (благодаря этому рН дистиллированной воды может быть ниже 6). А, в-третьих, даже дистиллированная вода полностью не свободна от примесей. Просто ионов в дистилляте слишком мало, чтобы обеспечить достаточную электропроводность.

Комментарии

^К1 Кожа человека имеет сопротивление порядка 1 МОм (у меня 1.5 МОм). У людей с сухим типом кожи оно может быть и выше. Но эта величина условная, поскольку кожа обладает диэлектрической проницаемостью и для нее существует напряжение пробоя. Для сухой кожи человека в сухом помещении оно колеблется от 60 до 90 В. Если напряжение превышает этот предел, то току ничего не мешает течь по нервным волокнам и кровеносным сосудам, повреждая внутренние органы.

В то же время существуют люди у которых кожа настолько сухая, что уже 50 Гц хватает для проявления скин-эффекта, когда ток течет только по поверхности кожи не затрагивая внутренние органы. Людей с подобным косметическим дефектом (это именно так и называется) любят на телевизионных передачах про различные феномены и необъяснимые явления.
Upsidesium

Серьёзные поражения тканей человека наблюдаются обычно при прохождении тока силой около 100 мА (0.1 A). Совершенно безопасным считается ток силой до 1 мА.