Если опыт не получается из-за того, что трубка широка, то вместо спички возьмите свечку или спиртовку. Зажечь лампу свечкой - тоже эффектный опыт.
А еще можно ее зажечь с помощью расплавленной селитры. Закрепите вертикально пробирку, на дно которой насыпано немного калиевой или натриевой селитры (нитрата калия или натрия), и опустите в нее две медные проволочки. Чтобы медные электроды не соприкасались, пропустите их сквозь пробку. Подсоедините к электродам лампу так же, как в предыдущем опыте. Когда вы включите ток, лампа, естественно, не загорится: твердая селитра ток не проводит.
Нагрейте селитру до плавления с помощью таблеток сухого горючего - лампа вспыхнет. Ионы, составлявшие кристаллическую решетку соли, приобретают подвижность, и цепь замыкается. Лампа будет гореть и после того, как вы уберете пламя: у расплава селитры высокое электрическое сопротивление, и то тепло, которое выделяется при прохождении тока, поддерживает селитру в расплавленном состоянии.
Подобным образом можно поставить опыт не с расплавом, а с раствором, например, поваренной соли. Электроды в этом случае лучше взять графитовые. Погрузите их сначала просто в банку с водой, а потом небольшими порциями добавляйте соль, и лампа будет разгораться все ярче.
Между прочим, таким способом удобно проверять электропроводность растворов. Проверьте, например, как проводят ток растворы соды, сахара и уксусной кислоты разной концентрации.
И еще один, не вполне обычный опыт с электрической лампочкой, но не с большой, а от карманного фонаря. Укрепите ее в полоске жести, согнутой под прямым углом, и вставьте полоску в небольшой химический стакан так, чтобы стеклянный баллон лампочки оказался внутри стакана и был обращен к его дну. Подключите лампочку к батарейке: выступ на цоколе, самый крайний его участок соедините с отрицательным полюсом, а полоску жести - с положительным. Обратите внимание: припаивать проводники нельзя, потому что во время опыта припой может расплавиться. Надо придумать механический контакт или же использовать патрон от старого карманного фонаря.
До начала опыта выньте лампу из стакана и насыпьте в него нитрат натрия (нитрат калия в этом случае не годится; почему - станет ясно позже). Поставьте стакан на асбестовую сетку или металлическую пластинку и нагрейте его на пламени газовой горелки или спиртовки; сухой спирт не очень удобен, так как трудно регулировать температуру расплава. Селитра плавится при 309+С, а при 390+С уже разлагается; вот в таком интервале и придется поддерживать температуру. Для этого изменяйте либо размер пламени, либо расстояние до стакана. Следите, чтобы расплав не застывал, даже с поверхности.
В расплавленную селитру осторожно опустите лампочку. Большая часть стеклянного баллона должна быть погружена в расплав, но следите за тем, чтобы верхняя часть цоколя, к которой припаян проводник, не соприкоснулась с селитрой - произойдет короткое замыкание. Зажженную лампочку подержите в селитре около часа, потом отключите ток, погасите горелку и аккуратно доставьте лампочку. Когда она остынет, промойте ее водой, и вы увидите, что лампочка изнутри покрыта зеркальным слоем!
Мы уже говорили, что при нагревании заряженные частицы в стекле приобретают подвижность (поэтому и зажглась лампа, когда трубку нагревали спичкой). Главные действующие лица - ионы натрия: уже при температуре выше 300+С они становятся достаточно подвижными. Само стекло остается при этом совершенно твердым.
Когда вы погрузили включенную лампочку в расплав селитры, то стекло, из которого сделан баллончик, оказалось в электрическом поле: спираль отрицательный полюс, расплав, который соприкасается с полоской жести, положительный. Подвижные ионы натрия начали двигаться в стекле в сторону катода, т. е. по направлению к спирали. Иными словами, они перемещались к внутренней стенке баллона.
Значит, зеркальный налет изнутри натриевый? Да. Но как же ионы превратились в металл?
Раскаленные металлы (в том числе и те, из которых изготовлена спираль) испускают электроны. От спирали они попали на внутреннюю поверхность стекла и соединились там с ионами натрия. Так образовался металлический натрий.
Но почему для опыта не годится калиевая селитра? Ведь нитрат вроде бы и не участвует в процессе... Нет, участвует. Когда ион натрия стал нейтральным атомом, в стекле осталась отрицательно заряженная ионная дырка. Тут и нужна натриевая селитра: из ее расплава под действием электрического поля в стекло проникают ионы натрия и заполняют дырки. А ионы калия примерно в полтора раза больше ионов натрия, они не смогут войти в стекло. В калиевой селитре лампа просто треснет.
Такой необычный электролиз через стекло иногда применяют на практике, чтобы получить слой очень чистого натрия, или, более строго, - спектрально чистого.
ДОЛГАЯ ЖИЗНЬ БАТАРЕЙКИ
Представьте, что случилось такое: вы принялись за электрохимический опыт, собрали цепь - а батарейка вдруг "села", и запасной батарейки нет. Как быть? Но это еще полбеды. Гораздо хуже, когда карманный фонарик гаснет темным вечером, да еще в лесу. И как обидно, если батарейки транзисторного приемника отказывают как раз в ту минуту, когда по радио передают вашу любимую песню, или во время трансляции футбольного матча. Но что уж тут поделаешь...
А между тем кое-что предпринять можно. Если запасной батарейки нет, не спешите выбрасывать старую, а попробуйте ее "оживить".
Многиеї современныеї батарейки - "Крона", "Марс", "Сатурн", КБС и другие состоят из элементов марганцево-цинковой системы. При работе отрицательный электрод этих батареек - цинковый стаканчик - постепенно, но очень медленно, растворяется, а положительный электрод - диоксид марганца МnО2, восстанавливается до гидроксида трехвалентного марганца (его формулу можно представить как МnООН). Он постепенно покрывает зерна оксида, проникает вглубь зерен и закрывает доступ электролиту. Еще и половина оксида марганца не использована, а элемент уже перестает работать; цинка же к тому времени остается еще больше, до четырех пятых! Словом, почти годную батарейку приходится выбрасывать.
Но если снять "скорлупу" МnООН, то электролит вновь сможет поступать к зернам и батарейка оживет. Только как ее снять? Самый простой способ: постучать по батарейке как следует молотком или камнем. Тогда зерна внутри элементов расколются, и электролит снова сможет в них проникнуть. Этот способ не ахти как хорош, но в лесу, пожалуй, лучшего не найти...
Если же батарейка отказала дома, то активировать диоксид марганца можно гораздо эффективнее. В цинковом стаканчике батарейки пробейте гвоздем отверстие и опустите батарейку в воду. Электролит в элементе не жидкий (это было бы неудобно), а загущенный. Он размокает в воде, разжижается, и ему легче проникнуть к зернам диоксида марганца. Этот нехитрый прием позволяет увеличить срок службы батарейки почти на треть. Но его можно еще более упростить.
Заливать батарейку водой совсем необязательно. Достаточно только пробить отверстие в цинковом стаканчике. Оксид марганца в элементе смешан с графитовым порошком - это нужно для того, чтобы увеличить электропроводность. Как только воздух начнет поступать внутрь, графит будет поглощать кислород, и наряду с диоксидом марганца появится еще один положительный электрод - так называемый воздушный, на котором кислород восстанавливается. Словом, простой гвоздь превращает марганцево-цинковый элемент вї воздушно-цинковый!
Справедливости ради скажем, что после такой процедуры батарейка будет разряжаться малым током - таковы уж свойства самодельного воздушно-цинкового элемента. Зато служить будет очень долго.
И последнее: сделаем так, что старая батарейка станет почти совсем как новая. Для этого батарейку надо зарядить электрическим током, т. е. поступить с ней так же, как с аккумулятором. Реакция, идущая в батарейке, обратима, и МnООН может вновь превратиться в МnO2.
Заметьте, что подзаряжать можно не все батарейки, а только те, в которых не засохла паста и корпус не поврежден. И заряжать надо не обычным постоянным током, как заряжают аккумуляторы. В этом случае цинк станет осаждаться на корпусе батарейки в виде разветвленных нитей - дендритов, и очень скоро это приведет к тому, что произойдет короткое замыкание и батарейка выйдет из строя. Заряжать ее надо так называемым асимметричным током. Чтобы получить его, надо выпрямлять переменный ток не полностью, например: включить в цепь диод-выпрямитель и параллельно ему - сопротивление (около 50 Ом). Напряжение источника должно быть около 12 В, поэтому использовать ток непосредственно от сети нельзя, нужен понижающий трансформатор.
Марганцево-цинковые элементы можно заряжать до трех раз, их емкость при этом падает совсем незначительно. А маленькие, так называемые пуговичные элементы (в них использована ртутно-цинковая система) можно подзаряжать до десяти раз. Но пробивать их гвоздем или стучать по ним молотком нет смысла - в этих элементах после разряда практически не остается активных веществ.
ИСТОЧНИКИ ТОКА ИЗ ПОДРУЧНЫХ СРЕДСТВ
Чтобы оживить старую батарейку, действительно требуется ловкость рук. Но. в еще большей степени она будет вам нужна, если вы решите изготовить самодельный источник тока. Он может пригодиться для различных электрохимических опытов, например с анодированием алюминия или с никелированием.
Есть множество химических источников тока, но, пожалуй, самый простой в изготовлении - элемент Грене. Для него нужны две пластинки - цинковая и угольная такого размера, чтобы они входили в стеклянную банку. Подберите к ней полиэтиленовую крышку, проколите ее в двух местах шилом и пропустите в отверстия проволочки. На этих проволочках подвесьте пластинки-электроды так, чтобы они не касались друг друга.
Электролитом будет служить водный раствор, содержащий 16% серной кислоты и 12% бихромата калия (хромпика). Когда вы будете готовить раствор, лейте, как всегда, кислоту в воду и будьте очень осторожны.
Электролит аккуратно перелейте в банку; раствор должен закрывать пластинки примерно на три четверти. Банку плотно закройте заготовленной крышкой с проводами и электродами. В тот момент, когда электроды, соприкоснутся с электролитом, возникнет электрический потенциал. Если цепь замкнуть, по ней пойдет электрический ток. Это легко проверить, подсоединив к проволочкам вольтметр: он покажет напряжение около 2 В. Однако сила тока не слишком велика, от элемента не будет даже работать лампочка для карманного фонаря. Но если вы изготовите не один, а два или три элемента Грене и соедините их последовательно - цинковую пластину с угольной, то лампочка будет гореть. А для опыта с никелированием достаточно и одного элемента Грене.
Хотя элемент Грене работает надежно, у него есть как минимум два недостатка: во-первых, неудобно иметь дело с жидким электролитом, да к тому же содержащим серную кислоту, во-вторых, не всегда есть под рукой цинковые и угольные пластинки. Поэтому займемся и другими самодельными источниками тока. Пусть они и уступают жидкостным элементам, зато не будет проблем с материалами.
Чай и сигареты часто заворачивают в фольгу, у которой одна сторона "серебряная", а другая - бумажная. В магазинах "Юный техник" продают медную фольгу. И ту и другую нарежьте на квадраты примерно 5 х 5 см и кладите одну на другую вперемежку так, чтобы медь ложилась на "серебро". Самый нижний слой должен быть бумажным, самый верхнийї - медным. У вас получилась батарея элементов; чем выше стопка, т. е. чем больше элементов, тем выше и напряжение.
Из медной фольги вырежьте полоски - токоотводы, приложите их к стопке сверху и снизу и обмотайте изоляционной лентой, а потом погрузите батарейку в электролит - раствор поваренной соли. Чтобы убедиться в том, что батарейка начала работать, поднесите к ее полюсам, как вы это уже делали прежде, полоску фильтровальной бумаги, смоченной раствором фенолфталеина. У отрицательного полюса раствор покраснеет. Напряжение у такой батарейки может достигать нескольких вольт, но ток, к сожалению, слабоват.
Для других источников тока проще всего будет воспользоваться готовыми уже материалами из старых, отслуживших свое батареек. Разломайте батарейки и извлеките из них активную массу оксида марганца, которой обмазаны электроды, графитовые стержни и засохшую пасту (загущенный электролит) - соскребите его и положите для набухания и воду. Оксид марганца разотрите в порошок и смешайте с несколькими каплями фотоклея или раствора желатины. Этой смесью обмажьте графитовый стержень или же грифель простого карандаша, оставив сверху свободный участок для крепления контакта. Когда смесь высохнет, обмотайте стержень "серебряной" бумагой в несколько слоев, "серебром" наружу, и обвяжите ниткой. Один проводок плотно обмотайте вокруг стержня, другой - вокруг "серебряной" бумаги и приклейте его липкой лептой. Обмотайте элемент изоляционной лентой - он готов к работе.
Более совершенные элементы получаются, если активную массу и пасту увлажнять раствором хлорида аммония (24 г на 100 мл дистиллированной воды; полезно добавить 1 г хлорида кальция). Если этот раствор нагреть с крахмальным молоком, то получится электролит в виде пасты.
Возьмите полиэтиленовую пробку от бутылки, проколите в дне отверстие и пропустите через него проволочку. В пробку положите кружок из оцинкованного железа, он должен быть прижат к проволочке-токоотводу. Из фильтровальной бумаги вырежьте кружок по внутреннему диаметру пробки, пропитайте его электролитом, смажьте пастой и вложите в пробку. Сверху положите размоченную активную массу с оксидом марганца из старой батарейки и прижмите кружком, вырезанным из графитового стержня - он будет служить вторым токоотводом. Из таких "пробочных" элементов тоже можно составить батарею, дающую напряжение в несколько вольт.
Пластмассовую пробку можно заменить железной с оловянным покрытием - от бутылки с лимонадом или минеральной водой. Естественно, цинк в этом случае уже не нужен, равно как не нужно пробивать отверстие в пробке - она сама по себе электропроводна, но оловянный элемент дает невысокое напряжение.
Еще более совершенный элемент - в виде стаканчика из алюминиевой фольги. Стаканчик можно изготовить с помощью короткого (3-4 см) отрезка пластмассового шланга. Внутрь вложите листок фольги заведомо большей высоты, прижмите к стенкам, а из "лишнего" материала сделайте донышко и распрямите его круглым стержнем, например обратной стороной шариковой ручки. Алюминиевый стаканчик вполне заменит цинковый.
Картонный кружок положите на дно и смажьте стаканчик изнутри загущенным электролитом из старой батарейки или самодельным. Слой не должен превышать 1 мм. Мешочек из легкой ткани наполните увлажненной массой МnO2, уплотните, слегка надавливая тем же круглым стержнем, добавьте доверху массу и вдавите графитовый стержень (или грифель карандаша). Еще раз слегка уплотните массу, прикройте по возможности мешочек и наденьте на стержень второй картонный кружок с отверстием посередине - он не даст электроду наклоняться. Зажгите свечу и накапайте на эту шайбу, а потом на донышко элемента парафин для изоляции.
Такой элемент дает напряжение около 1 В, ноток его больше, чем у элемента из пробок. Два-три "стаканчика" дают возможность слушать транзисторный приемник через наушники.
КРИСТАЛЛЫ - БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ
О выращивании кристаллов написано так много, и эти опыты настолько эффектны и несложны в исполнении, что наверняка вы их ставили хотя бы раз и знаете, в чем принцип. Собственно, ничего мудреного тут нет: надо приготовить горячий насыщенный раствор какой-либо соли (хлорида натрия, сульфата меди или железа, квасцов, бихромата калия и т. д., перечень очень велик), осторожно охладить его, чтобы излишек растворенного вещества не выпал в осадок (такой раствор называется пересыщенным), и, наконец, ввести затравку - кристаллик той же соли, подвешенный на нитке. После этого остается только прикрыть сосуд листком бумаги, поставить в укромное место и ждать, пока не вырастет крупный кристалл, на что могут уйти недели или даже месяцы; единственное, что придется изредка делать - это подливать понемногу насыщенный раствор по мере испарения.
Все это действительно известно. Но вариантов опыта очень много, и мы выберем не самые распространенные, например, с нитратом свинца и иодидом калия. Смешайте одинаковые объемы 10%-ных растворов этих солей, и в сосуде выпадет осадок иодида свинца. Аккуратно слейте с него жидкость. Вскипятите воду в каком-либо прозрачном сосуде, подкислите ее уксусом и, пока она кипит, добавьте еще влажный осадок иодида свинца, взболтав его. При медленном остывании жидкости в ней вырастут золотистые кристаллы.
Вариация на ту же тему: слейте в пробирку растворы нитрата свинца и иодида калия, вскипятите содержимое вместе с осадком, чтобы он растворился, а затем быстро остудите под краном. В этом случае образуются мельчайшие золотые кристаллики, взвешенные в жидкости.
Вообще размер кристаллов сильно зависит от скорости охлаждения. Всыпьте 20 г нитрата калия небольшими порциями в сосуд с 25 мл воды. После добавления очередной порции взбалтывайте смесь, чтобы соль растворилась, а затем насыпайте следующую порцию. Когда соль перестанет растворяться, немного нагрейте сосуд, всыпьте еще порцию, взболтайте, снова нагрейте. И так до тех пор, пока вся взятая соль не растворится. Теперь разлейте раствор в два сосуда, и один оставьте остывать на воздухе (для еще более медленного остывания можно накрыть его несколькими слоями плотной ткани). В этом сосуде образуется несколько крупных кристаллов, а при удачном стечении обстоятельств - и один кристалл. Другой сосуд сразу же поставьте в кастрюлю с холодной водой, и в нем выделится множество мелких кристалликов. Это общее правило.
Следующие два опыта настолько впечатляющи, что их смело можно показывать зрителям, конечно, тщательно все подготовив. Первый из них - опыт Пелиго. Цилиндр высотой 25-30 см вымойте изнутри горячей водой и через воронку по стенке налейте в него горячий очень концентрированный раствор гипосульфита, чтобы он заполнил цилиндр на 1/3. Этот раствор готовят так: 450 г гипосульфита растворяют при нагревании в 45 мл воды.
Второй раствор - ацетата натрия (300 г на 45 мл воды) также горячим влейте через ту же воронку еще на 1/3 цилиндра. Лейте очень аккуратно, этот раствор не должен смешиваться с ранее налитым раствором. Наконец, верхнюю треть цилиндра столь же осторожно заполните горячей водой, которая предохранит насыщенный раствор от преждевременной кристаллизации.
В сосуде три слоя: вода, пересыщенный раствор ацетата натрия, пересыщенный раствор гипосульфита. Накройте цилиндр стеклом, дайте остыть до комнатной температуры, а после этого можно приступать к опыту.
К концу стеклянной палочки прикрепите кусочком воска маленький, незаметный кристаллик гипосульфита (воск слегка расплавьте, нагрев его над пламенем). На глазах у зрителей быстро опустите палочку в нижний слой. Концентрация соли столь высока, что тотчас вокруг кристаллика нагромоздится множество новых кристаллов, образуя подобие цветка. А в среднем слое "чужое" вещество вокруг кристалла гипосульфита кристаллизоваться не будет.