Химия и Химики № 5 2016. Расплавленный хлорид натрия как электролит для гальванического элемента. Molten sodium chloride as electrolyte for galvanic cell

Расплавленное силикатное стекло может служить электролитом для гальванического элемента. В этом можно убедиться с помощью простого эксперимента [1]. Конечно, такой вариант непрактичен, но в нашем случае важен сам факт: расплавленное стекло имеет значительную электрическую проводимость, причем проводимость ионного типа. Благодаря этому оно может служить электролитом для гальванического элемента так же, как, например, раствор серной кислоты или водный раствор хлорида натрия. Повторюсь: из-за того, что температура плавления (размягчения) силикатного стекла слишком высока, а проводимость недостаточно хорошая, такой "электролит" вряд ли найдет применение на практике.

Попробовал использовать другой экзотический электролит - расплавленный хлорид натрия. Температура плавления хлорида натрия высока - 801°С, но в небольших количествах его можно без проблем расплавить газовой горелкой на пропан-бутановой смеси (такими горелками часто пользуются туристы). Изготавливать сложную конструкцию гальванического элемента не стал, т.к. для начала нужно убедиться, будет ли сам эффект? В качестве электродов использовал две украинские монеты: 5 копеек (нержавеющая сталь: сплав железа с хромом) и 50 копеек (алюминиевая бронза: медь с добавкой алюминия; обратите внимание, что новые "желтые" украинские монеты делают из черной стали и только покрывают алюминиевой бронзой, я взял старую монету).

Монеты поместил на керамическую плитку (неглазурованную), подключил к ним контакты тестера (мультиметра) с помощью крокодильчиков (в процессе опыта оказалось, что пластмассовые детали щупов мультиметра были слишком близко к пламени и пострадали - необходимо использовать длинную проволоку в качестве переходника). Чтобы проверить контакт, прикоснулся пальцем одновременно к двум монетам. Тестер показал напряжение примерно 40-60 мВ (или 0.04-0.06 В). На коже рук содержится влага с растворенными в ней солями (пот), который играет роль электролита. Сталь и алюминиевая бронза образуют гальваническую пару. Напряжение было невысоким, поскольку "электролита" мало (да и концентрация солей в нем вряд ли высокая).

Насыпал на монеты твердый хлорид натрия (каменная соль). Мультиметр (в режиме измерения 0-2000 милливольт) показал напряжение 1-2 мВ. Соль содержала влагу, которая так же играла роль электролита, как и влага кожи рук. Чтобы не отвлекаться на такие мелочи, переключил тестер в режим измерения 0-20 вольт (т.е. на более грубую шкалу).

Включил горелку, направил пламя на хлорид натрия. Соль начала трещать и разлетаться, пламя окрасилось в желтый цвет. Опыт начался, как и следовало ожидать: вскоре хлорид натрия стал плавиться, мультиметр показал разницу потенциалов, но дальше результат оказался неожиданным. Изложу наблюдения тезисно.

1. Разница потенциалов была нестабильной: напряжение постоянно "прыгало", то росло, то падало (без видимых причин).

2. Не удавалось зафиксировать зависимость между интенсивностью нагрева ячейки и напряжением между электродами.

3. Знак показаний тестера иногда менялся: то "+", то "-": это означало, что изменялось направление тока в цепи - катод становился анодом и наоборот. Максимум, что удалось зафиксировать в разных опытах: +0.4 и -0.7.

4. После того, как я убрал пламя, хлорид натрия быстро закристаллизовался, но разница потенциалов между электродами не исчезла. Она составляла от нескольких сотых вольта до 0.3 вольт (в разных экспериментах). В некоторых случаях после прекращения нагрева (пламя погасил) разница потенциалов между электродами сначала росла, и только потом стала падать. Чтобы напряжение упало до нуля, понадобилось несколько минут.

Нестабильность потенциала и изменение направления тока наблюдалось и в случае гальванического элемента с силикатным стеклом в качестве электролита [1], но там имела место четкая температурная зависимость: направление тока менялось в результате увеличения нагрева, после чего оставлялось стабильным. Величина потенциала также "прыгала", но при стабильном нагреве была четкая тенденция к росту потенциала.

По-видимому, описанные явления объясняются изменением состояния поверхности электродов, в частности - за счет окисления кислородом воздуха при высоких температурах. В результате на электродах могут образовываться и разрушаться различные пленки. Кроме того, концентрация ионов в расплаве также может сильно меняться (по мере работы гальванического элемента).

"Остаточный" потенциал, который некоторое время сохранялся на электродах после прекращения нагрева, можно объяснить резкой кристаллизацией хлорида натрия. Неплохой проводник (расплав) моментально превращался в хороший изолятор (твердый хлорид натрия) - в результате цепь размыкалась, и ток переставал течь. Гальваническая ячейка фактически превратилась в конденсатор (два металлических электрода с противоположным зарядом, разделенные диэлектриком). Разумеется, абсолютных изоляторов нет и на протяжении нескольких минут заряд уходил с электродов, но "несколько минут" - это совсем не моментально.

__________________________________________________
¹ Силикатное стекло в качестве электролита для гальванического элемента. Silicate glass is electrolyte for galvanic cell [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (67 Мб, .avi )