Вторгнення хімотронів

Заголовок у цієї статті тривожний. Вторгнення… Та ще якихось хімотронів… Чи не загрожує людству нова небезпека? Поспішаємо заспокоїти — ні, не загрожує. Навпаки, якщо побачите десь хімотрон, знайте: це друг і помічник!. Але… що таке (або хто такі) ці хімотрони? Чи давно почалося їх вторгнення і в чому воно проявляється?

Ампула, в якій нічого не відбувається

Пристрій хімотрона дуже легко пояснити з двох причин: по-перше, він дуже простий, а по-друге, давно знайомий. Будь-який школяр без запинки розповість, що таке електричний елемент — банка з розчином електроліту, в яку опущено два електрода. Будь-хто згадає, що перший такий елемент побудований 173 роки тому італійцем Алессандро Вольтом. Що робив цей елемент? Ну, звичайно, виробляв електроенергію, а точніше — перетворював хімічну енергію в електричну.

Елемент Вольта поклав початок цілій науці — електрохімії. Ванна з розчином солей і опущеними в неї електродами стала творити чудеса. Російський академік Борис Якобі відкрив гальванопластику — отримання в електролітичній ванні металевих виробів будь-якої форми. Для цього через ванну Якобі треба було пропускати струм від стороннього джерела. Під дією струму на негативному електроді — катоді — відкладався з розчину солі чистий метал.

Рідна сестра гальванопластики — гальваностегія — нині безроздільно панує скрізь, де треба хромувати або никелювати, міднувати або цинкувати будь-які металеві вироби. Принцип тут майже той самий. Метал позитивного електрода — анода — при пропущенні струму мало-помалу переходить в розчин, де існує у вигляді заряджених іонів, які віддали (або отримали) один або кілька електронів. Іони рухаються в розчині електроліту до катода (цим пояснюється струмопровідність ванни) і тут розряджаються, перетворюючись в нейтральні молекули і щільно покриваючи катод, що нам і потрібно.

Тепер порівняємо, що де відбувається. В електричному елементі виходить струм за рахунок поступового розчинення катода; в гальванопластичній ванні струм, навпаки, витрачається, щоб отримати чистий метал з розчину; в гальваностегії струм переносить метал анода на катод (значить, час від часу необхідно замінювати аноди). Загалом, або щось випадає з розчину, або щось розчиняється. А чи не можна створити таку електрохімічну систему, щоб в ній під дією струму… нічого не відбувалося? Питання звучить дивно. Якщо нічого не буде розчинятися або осідати, то до чого взагалі така ванна?

Ну, навіщо вона — це ми ще побачимо. А поки давайте спробуємо її скласти. Насамперед, нам ясно, якими повинні бути електроди — вони повинні бути нейтральними, щоб хімічно не реагувати з розчином. Тут потрібні благородні метали. Наприклад, платина. А розчин?

Від нього потрібні дві речі: щоб він, по-перше, пропускав струм і, по-друге, щоб зберігав свій склад постійним. Такими властивостями володіє розчин йодистого калію з невеликою добавкою кристалічного йоду.

Що ж, складемо клітинку за таким принципом. Заллємо в маленьку ампулу наш електроліт, впаяємо два платинових електрода і підключимо електроди до батареї постійного струму. Що станеться? А рівним рахунком нічого.

Тобто струм то проходити буде, значить, якісь іони в розчині все-таки рухаються. Але ні електроди, ні сам розчин при цьому не змінюються. Треба з’ясувати, чому. Ми подаємо на затискачі ампули електричний струм — іншими словами, потік електронів. Ці електрони із зовнішньої ланцюга приходять на катод. На кордоні катода з розчином молекулярний йод «розхапує» ці електрони і перетворюється на заряджені йодні іони. Різнойменні заряди притягуються, а однойменні відштовхуються — тому іони тепер рухаються від катода до анода. Підійшовши до анода, вони негайно розряджаються, тобто віддають «зайві» електрони в зовнішній ланцюг і беруть свій колишній «вигляд».

Як бачите, система перебуває в повній рівновазі: площа електродів однакова, значить, скільки молекул зарядиться в кожну мить на катоді, стільки розрядиться на аноді. Змін начебто ніяких, а струм йде! У зовнішній ланцюг течуть електрони по проводах, всередині ампули — пливуть іони. Поміняємо полюси, зробимо катод анодом, і навпаки. Знову ніяких змін — тільки струм піде у зворотному напрямку. Все залишиться як було.

На мові електрохіміків така ампула називається оборотним окисно-відновним осередком. Як зараз з’ясується, ця клітинка — прародителька всіх химотронів.

Односторонній рух

Останнім часом жителі наших міст звикли до цього терміну — все більше вулиць переводяться на рух в одному напрямку. На початку такої вулиці стоїть «цегла» — знак, що забороняє в’їзд. З протилежного кінця в’їжджати можна. І ось потік машин мчить в одному напрямку від тротуару до тротуару.

Нашу оборотну клітинку теж легко перевести на односторонній рух — для цього досить зробити один електрод маленьким, а інший у багато разів більше. Якщо маленький електрод буде анодом, то він почне «відбирати» електрони у іонів йоду, яких у розчині дуже багато (адже це розчин йодистого калію). Значить, через ампулу пройде порівняно великий струм. Але як тільки ми перемкнемо полярність, зробимо менший електрод катодом, все докорінно зміниться. Менший електрод повинен буде «відшукувати» молекули йоду, яких і без того мало, щоб віддавати їм електрони і робити іонами. Мало молекул, та ще мала площа електрода — в результаті струм піде зовсім незначний, раз у п’ятсот менше. Практично цей струм можна не брати в розрахунок.

Висновок? Якщо ми включимо ампулу в ланцюг змінного струму, то вона буде відмінним випрямлячем — як, скажімо, радіолампа-діод. Електрохімічний, ніколи не перегораючий «вічний» випрямляч — це перший представник сімейства хімотронів.

Але є й інші, більш цікаві.

Колір пам’яті

Що таке пам’ять комп’ютера? Це два абсолютно різних пристрої. Один з них оперативна пам’ять — служить тільки для короткочасного «записування» проміжних результатів обчислень. Другий — пам’ять довготривала — своєрідна бібліотека, де накопичуються відомості, потрібні і зараз і в майбутньому. Ось в цій-то пам’яті можуть прекрасно працювати хімотрони. Тільки вже не хімотрони-діоди, а хімотрони-інтегратори.

Цього разу в ампулі два однакових електрода. Але між ними зроблена пориста перегородка. Крізь цю напівпроникну перешкоду краплі розчину не протікають, а іони пробираються досить вільно.

Включимо струм, і незабаром нашим очам постане цікаве видовище: розчин в анодній камері починає темніти. Чому? Та тому що анод безперервно «фабрикує» з іонів молекули йоду і назад до катода їм тепер не пробратися. Ну, а йод, як всім добре відомо, коричневого кольору. Потемніння розчину в анодній камері строго пропорційне кількості електриці, що пройшла через хімотрон. Стало бути, перед нами вельми чутливий електролічильник, що точно «запам’ятовує», скільки енергії через нього пройшло.

На перших порах показання хімотронів-інтеграторів знімали на око. Темніше розчин в анодній камері — більше пройшло електрики. Але, звичайно, для машинних запам’ятовуючих пристроїв це не метод. Адже точність самого приладу дуже велика, він здатний «запам’ятати», що через нього пройшло, скажімо, 14 856 295 імпульсів, а не 14 856 296! Треба тільки вміти прочитати ці свідчення.

І їх вже читають. Створені інтегратори з електричним зчитуванням: шкала допоміжного приладу може бути градуйована в будь-яких потрібних нам одиницях. А може і зовсім не бути шкали, якщо відомості потрібно передати не людині, а машині.

Автор: В. Ломанович.