Вторжение химотронов

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Заголовок у этой статьи тревожный. Вторжение… Да еще каких-то химотронов… Не грозит ли человечеству новая опасность? Спешим успокоить — нет, не грозит. Напротив, если увидите где-нибудь химотрон, знайте: это друг и помощник!. Но… что такое (или кто такие) эти химотроны? Давно ли началось их вторжение и в чем оно проявляется?

Ампула, в которой ничего не происходит

Устройство химотрона очень легко объяснить по двум причинам: во-первых, оно очень простое, а во-вторых, давно знакомое. Любой школьник без запинки расскажет, что такое электрический элемент — банка с раствором электролита, в которую опущены два электрода. Любой вспомнит, что первый такой элемент построен 173 года назад итальянцем Алессандро Вольта. Что делал этот элемент? Ну, конечно, вырабатывал электроэнергию, а точнее — превращал химическую энергию в электрическую.

Элемент Вольта положил начало целой науке — электрохимии. Ванна с раствором солей и опущенными в нее электродами стала творить чудеса. Русский академик Борис Якоби открыл гальванопластику — получение в электролитической ванне металлических изделий любой формы. Для этого через ванну Якоби нужно было пропускать ток от постороннего источника. Под действием тока на отрицательном электроде — катоде — откладывался из раствора соли чистый металл.

Родная сестра гальванопластики — гальваностегия — ныне безраздельно господствует везде, где нужно хромировать или никелировать, меднить или цинковать любые металлические изделия. Принцип здесь почти тот же. Металл положительного электрода — анода — при пропускании тока мало-помалу переходит в раствор, где существует в виде заряженных ионов, отдавших (либо получивших) один или несколько электронов. Ионы движутся в растворе электролита к катоду (этим объясняется токопроводность ванны) и здесь разряжаются, превращаясь в нейтральные молекулы и плотно покрывая катод, что нам и требуется.

Теперь сравним, что где происходит. В электрическом элементе получается ток за счет постепенного растворения катода; в гальванопластической ванне ток, наоборот, расходуется, чтобы извлечь чистый металл из раствора; в гальваностегии ток переносит металл анода на катод (значит, время от времени необходимо заменять аноды). В общем, либо что-то выпадает из раствора, либо что-то растворяется. А нельзя ли создать такую электрохимическую систему, чтобы в ней под действием тока… ничего не происходило? Вопрос звучит странно. Если ничего не будет растворяться или осаждаться, то к чему вообще такая ванна?

Ну, зачем она — это мы еще увидим. А пока давайте попробуем ее составить. Прежде всего, нам ясно, какими должны быть электроды — они должны быть нейтральными, чтобы химически не реагировать с раствором. Здесь нужны благородные металлы. Например, платина. А раствор?

От него требуются две вещи: чтобы он, во-первых, пропускал ток и, во-вторых, чтобы сохранял свой состав постоянным. Такими свойствами обладает раствор йодистого калия с небольшой добавкой кристаллического йода.

Что ж, составим ячейку по такому принципу. Зальем в маленькую ампулу наш электролит, впаяем два платиновых электрода и подключим электроды к батарее постоянного тока. Что произойдет? А ровным счетом ничего.

То есть ток-то проходить будет, значит, какие-то ионы в растворе все-таки движутся. Но ни электроды, ни сам раствор при этом не меняются. Надо выяснить, почему. Мы подаем на зажимы ампулы электрический ток — другими словами, поток электронов. Эти электроны из внешней цепи приходят на катод. На границе катода с раствором молекулярный йод «расхватывает» эти электроны и превращается в заряженные йодные ионы. Разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются — поэтому ионы теперь движутся от катода к аноду. Подойдя к аноду, они немедленно разряжаются, то есть отдают «лишние» электроны во внешнюю цепь и принимают свой прежний «облик».

Как видите, система находится в полном равновесии: площадь электродов одинакова, значит, сколько молекул зарядится в каждый миг на катоде, столько разрядится на аноде. Изменений вроде бы никаких, а ток идет! Во внешней цепи текут электроны по проводам, внутри ампулы — плывут ионы. Поменяем полюсы, сделаем катод анодом, и наоборот. Снова никаких изменений — только ток пойдет в обратном направлении. Все останется как было.

На языке электрохимиков такая ампула называется обратимой окислительно-восстановительной ячейкой. Как сейчас выяснится, эта ячейка — прародительница всех химотронов.

Одностороннее движение

В последнее время жители наших городов привыкли к этому термину — все больше улиц переводится на движение в одном направлении. В начале такой улицы стоит «кирпич» — знак, запрещающий въезд. С противоположного конца въезжать можно. И вот поток машин мчится в одном вправлении от тротуара до тротуара.

Нашу обратимую ячейку тоже легко перевести на одностороннее движение — для этого достаточно сделать один электрод маленьким, а другой во много раз больше. Если маленький электрод будет анодом, то он начнет «отбирать» электроны у ионов йода, которых в растворе очень много (это ведь раствор иодистого калия). Значит, через ампулу пройдет сравнительно большой ток. Но как только мы переключим полярность, сделаем меньший электрод катодом, все коренным образом изменится. Меньший электрод должен будет «отыскивать» молекулы йода, которых и без того мало, чтобы отдавать им электроны и делать ионами. Мало молекул, да еще мала площадь электрода — в результате ток пойдет совершенно незначительный, раз в пятьсот меньше. Практически этот ток можно не принимать в расчет.

Вывод? Если мы включим ампулу в цепь переменного тока, то она будет отличным выпрямителем — как, скажем, радиолампа-диод. Электрохимический, никогда не перегорающий «вечный» выпрямитель — это первый представитель семейства химотронов.

Но есть и другие, более интересные.

Цвет памяти

Что такое память компьютера? Это два совершенно различных устройства. Одно из них оперативная память — служит только для кратковременного «записывания» промежуточных результатов вычислений. Второе — память долговременная — своеобразная библиотека, где накапливаются сведения, нужные и сейчас и в будущем. Вот в этой-то памяти могут великолепно работать химотроны. Только уже не химотроны-диоды, а химотроны-интеграторы.

На сей раз в ампуле два одинаковых электрода. Но между ними сделана пористая перегородка. Сквозь эту полупроницаемую преграду капли раствора не протекают, а ионы пробираются довольно свободно.

Включим ток, и вскоре нашим глазам предстанет любопытное зрелище: раствор в анодной камере начинает темнеть. Почему? Да потому что анод непрерывно «фабрикует» из ионов молекулы йода и обратно к катоду им теперь не пробраться. Ну, а йод, как всем хорошо известно, коричневого цвета. Потемнение раствора в анодной камере строго пропорционально количеству электричества, прошедшего через химотрон. Стало быть, перед нами весьма чувствительный электросчетчик, точно «запоминающий», сколько энергии через него прошло.

На первых порах показания химотронов-интеграторов снимали на глаз. Темнее раствор в анодной камере — больше прошло электричества. Но, конечно, для машинных запоминающих устройств это не метод. Ведь точность самого прибора очень велика, он способен «запомнить», что через него прошло, скажем, 14 856 295 импульсов, а не 14 856 296! Надо только уметь прочесть эти показания.

И их уже читают. Созданы интеграторы с электрическим считыванием: шкала вспомогательного прибора может быть градуирована в любых нужных нам единицах. А может и совсем не быть шкалы, если сведения требуется передать не человеку, а прямо машине.

Автор: В. Ломанович.

>