Химия и Химики № 6 2016. Хлорид натрия, фильтровальная бумага и электрический ток. Sodium chloride, filter paper and electric current (U = 220V)

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

Идея эксперимента возникла, когда я увидел анимацию, наглядно демонстрирующую, что такое электропроводящие чернила. На бумаге с помощью таких чернил нарисовали схему простой электрической цепи с настоящими светодиодами и настоящей батарейкой. Когда нарисованную цепь замкнули, изогнув бумагу, так, чтобы нарисованные контакты коснулись полюсов батарейки, диоды засветились.

Электропроводящие чернила. Conductive ink

А нельзя ли вместо электропроводящей пасты ( - или что там на рисунке? - ) нарисовать на бумаге электрическую цепь с помощью кисточки и водного раствора электролита? Например, насыщенного раствора хлорида натрия (т.к. поваренная соль общедоступна). Вместо батарейки - розетка (напряжение 220 В), вместо диодов - лампа накаливания на 220 В. Так и сделал.

Скажу наперед: неплохой получился эксперимент, но вышло совсем не то, чего я ожидал.

Итак, я взял кружок фильтровальной бумаги. С помощью четырех монет и двух зажимов "крокодил" прикрепил к бумаге электроды на расстоянии несколько сантиметров друг от друга. Электроды были последовательно соединены с лампой накаливания на 220 В и электрической розеткой. Приготовил насыщенный раствор соли (с осадком), добавил к нему метиленовый синий для визуализации. С помощью кисточки нарисовал на фильтровальной бумаге круг - почти по периметру. Круг соединял две монеты-электрода (со стороны дальних концов).

Цепь должна замкнуться, но лампа не загорелась. Даже слегка не загорелась! В чем же дело? Хорошо смочил кисточкой места, где монеты касаются бумаги, - ничего. Может быть, нет контакта? Соединил монеты металлической отверткой - лампа ярко загорелась. Понятно: цепь замкнута, но сопротивление электролита слишком большое: не хватает силы тока, чтобы лампа загорелась (окружность в виде полоски, смоченной раствором, имеет слишком большую длину, зато сама полоска имеет слишком маленькое сечение - отсюда высокое сопротивление).

Чтобы уменьшить сопротивление, нужно уменьшить длину линии, которая соединяет электроды и увеличить ее поперечное сечение (ширину). Для этого я просто смочил раствором хлорида натрия пространство, которое разделяет электроды. Хорошо смочил. Электроды были почти рядом, поэтому лампа ярко загорелась.

Но...

Но оказалось, это не конец опыта, а самое начало. Дело в том, что раствор хлорида натрия, хоть и проводит электрический ток, однако не так хорошо, как металлы. В результате раствор греется, вода испаряется. Слой раствора становится тоньше - сопротивление растет, а, значит, растет и выделение тепла. Больше тепла - активнее испарение. Активнее испарение - тоньше слой. Еще тоньше слой - еще выше сопротивление, и т.д.

Все это напоминает автокаталитическую реакцию, когда продукт реакции является ее катализатором.

Я ожидал, что раствор на бумаге нагреется и закипит за счет омического тепла, причем не равномерно, а преимущественно в одном месте, которое будет создавать максимальное сопротивление. В этом месте раствор будет испаряться все быстрее, пока не высохнет. Твердый хлорид натрия - изолятор, поэтому контакт оборвется и лампа потухнет.

Но реальность внесла коррективы. Раздалось шипение (раствор кипел), появился пар и дым горелой бумаги. Перпендикулярно условной линии, которая соединяет электроды, образовалась другая линия - реальная. Она состояла из высохшей бумаги. Лампа погасла. Но все на этом не кончилось. В месте, где оборвался контакт, послышались треск и гудение, появились желтые и белые искры. Бумага с треском и шипением стала обугливаться вдоль этой линии. Образовывался дым. Искры резали бумагу, словно лезвие, в этих местах контакт обрывался и ток выбирал себе новый путь на бумаге.

В результате искрение возникало опять: в новых - самых неожиданных - местах, совсем не обязательно вдоль прямой, которая соединяла электроды.

Искры посреди бумаги - по сути, миниатюрная электрическая дуга, которая горит между двумя участками бумаги, пропитанными раствором хлорида натрия.В некоторых случаях дуга загоралась не между двумя участками бумаги, а между бумагой и электродом, но это не так принципиально.

Если капнуть на бумагу несколько капель раствора соли (в нужном месте), контакт восстановится, и лампа снова загорится. Но через несколько секунд раствор снова закипал, контакт обрывался и лампа гасла. Возникала новая черная линия с искрами. Если капнуть раствора совсем чуть-чуть, лампа могла не загореться, зато искрение на бумаге усиливалось, а если добавить раствора много - так, чтобы он хорошо пропитал бумагу, лампа могла загореться на насколько минут. Много раствора - ниже сопротивление, ниже сопротивление - меньше скорость выделения тепла и меньше скорость испарения (это при том, что раствора и так много). Но все равно вода постепенно испарялась, лампа гасла, а на бумаге образовывались новые искрящие зоны.

Добавляя по каплям новые порции раствора хлорида натрия, можно наблюдать искрение на бумаге несколько минут, пока ток не изрежет кружок фильтровальной бумаги, словно лезвие.

Решил провести немного измененный вариант опыта. Сделал все, как в предыдущем случае, только возле монет-электродов нанес на фильтровальной бумаге по нескольку капель раствора хлорида натрия: так, чтобы на бумаге образовались два пятна (по одному возле каждого электрода). Каждое пятно хорошо контактировало со своим электродом, но пятна не соприкасались и были разделены бумагой. Пятна расширялись на бумаге навстречу друг другу и вступили в контакт (если пятна движутся медленно, добавьте в них по нескольку капель раствора).

Когда фронты раствора соприкоснулись, на их границе сразу же возникла черная линия. Позже появились искры. Треска и шипения почти не было. Лампочка не загорелась. Добавил несколько капель раствора - поверх обугленной линии. Лампа загорелась, но вскоре погасла. Далее все происходило, как в первом варианте опыта.

Техника безопасности.
Помните, что в опыте используется высокое напряжение. Не вздумайте прикасаться к оголенным частям электродов или смоченной хлоридом натрия бумаге - когда все это находится под напряжением. Рекомендуется работать в толстых резиновых перчатках, надеть резиновую обувь и стать на резиновый коврик. Рядом не должно быть никаких заземленных предметов (вроде батареи отопления или труб водопровода). Одновременный контакт с оголенным проводом и заземленным предметом может быть смертелен.

Watch the video / Смотреть Видео (123 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео (206 Мб, .avi )

Решил повторить эксперимент с фильтровальной бумагой, электролитом и напряжением 220 В (см. выше - предыдущую статью), заменив раствор хлорида натрия на концентрированную соляную кислоту. Почему именно соляная кислота, ведь выбор электролитов широкий? (Даже если ограничиться только домашними условиями). Хлорид натрия практически нелетучий при комнатной температуре, хлороводород - хорошо летит. Повлияет ли эта разница на опыт?

Взял кружок фильтровальной бумаги, закрепил на нем 2 электрода с помощью 4 монет и 2 зажимов "крокодил" (все такое же, как и в прошлом опыте, монеты украинские номиналом 5 копеек, материал - нержавеющая сталь, которая содержит железо и хром). Электроды последовательно соединены с лампой на 220 В и розеткой бытовой электрической сети.

Измерил напряжение между электродами с помощью мультиметра (китайский тестер), прибор показал чуть выше 220 В.

Далее смочил бумагу у электродов концентрированной соляной кислотой - так, чтобы образовалось два пятна, которые контактировали бы с электродами, но были отделены друг от друга полоской сухой бумаги. Пятна постепенно расширялись, полоска сухой бумаги сокращалась, пока пятна не соприкоснулись. Линия соприкосновения сразу стала черной, послышалось шипение, появились искры. Но лампа не загорелась: сила тока была слишком низкой (сопротивление высокое), хотя ее хватило, чтобы создать "фейерверк на бумаге". Добавил еще несколько капель соляной кислоты поверх обугленной линии, - лампа ярко загорелась. Кислоты было достаточно, чтобы хорошо смочить бумагу, поэтому свечение лампы продолжалось больше минуты. Но раствор явно грелся, кипел, образовывался белый туман соляной кислоты.

Нержавеющая сталь не была инертным материалом электродов: железо и хром растворялись в соляной кислоте, чему благоприятствовал электрический ток (анодное растворение). В результате на бумаге образовывались желтые и зеленые пятна (цвет катионов двухвалентного железа и трехвалентного хрома).

Наконец лампа потускнела и погасла, одновременно раздался треск и на бумаге появились белые искры, а черная линия из обугленной бумаги стала толще и длиннее. Вдоль этой линии с треском проскакивали белые искры.

Нанес на бумаге новое пятно кислоты: так, чтобы оно соприкасалось с правой электродной зоной и не соприкасалось с левой, но двигалась ей на встречу. Когда эти пятна соприкоснулись, на их границе образовалась новая черная линия, а лампа на секунду загорелась (т.к. кислоты я капнул достаточно). Но лампа скоро погасла, а обугленная линия стала более толстой.

Фактически обугленная линия разрезала бумагу на две части, связанные с первым или вторым электродами - именно между ними и проскакивали искры. Если в районе этой линии добавить капельку кислоты - так чтобы она смочила разрыв в бумаге (внутри линии), искрение усиливалось. Следующие порции кислоты приводили к тому, что лампочка загоралась, а искрение на время прекращалось или ослабевало.

При этом постоянно выделялись белые, едкие пары кислоты, а окраска бумаги стала довольно интенсивной (из-за катионов железа и хрома).

Watch the video / Смотреть Видео (169 Мб, .avi )