Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

вещества на электроде пропорциональна силе тока и времени его прохождения. Электрохимические интеграторы имеют относительно небольшую массу и габариты; они обладают значительным объемом памяти, а диапазон времени интегрирования может быть доведен до нескольких лет. Погрешность работы при этом не превысит нескольких процентов.

Рассмотрим, например, ртутный интегратор. Это стеклянный капилляр, заполненный двумя столбиками ртути, которые разделены зазором электролита на основе солей ртути. При прохождении тока на ртутном аноде ртуть растворяется и осаждается на катоде. Это проявляется как продвижение зазора электролита в сторону анода. Величина продвижения зазора, которую можно либо регистрировать визуально на шкалах, расположенных вдоль капилляра, либо фотографировать, в соответствии с законами Фарадея пропорциональна количеству прошедшего электричества, а в случае постоянного стабилизированного тока — времени работы устройства.

Ртутные интеграторы используются в счетчиках времени наработки радиоэлектронной аппаратуры, отдельных узлов и блоков, механизмов и устройств. Пределы измерения достаточно высоки — от 1000 до 5000 часов. Применяют их и в счетчиках для определения емкости химических источников тока и зарядного состояния аккумуляторов, приборов контроля блуждающих токов и интегральных доз облучения, в биологических исследованиях, для контроля за состоянием батарей энергопитания на космических кораблях.

Дискретные хлор-серебряные интеграторы, имеющие вид малогабаритных радиоламп (они-то и работали на Фау-1), дают в зависимости от тока временные интервалы от нескольких секунд до нескольких недель. Сегодня они применяются на дозиметрических приборах, в анализаторах, реле времени.

В самонастраивающихся автоматических системах типа персептронов, распознающих образы в форме печатного или рукописного текста, рисунка, человеческого голоса, работают мемисторы — электрические управляемые сопротивления на медной основе. Сопротивление одного из электродов, сделанного в виде пленки, изменяется посредством нанесения или снятия меди при электролизе.

При изменении скорости движения электролита у электродов меняется величина диффузионного тока. Это явление положено в основу электрохимических датчиков с высоким порогом чувствительности — датчиков давления, датчиков уровня звуковых и других сигналов, угловых акселерометров, тахометров.

Среди устройств индикаторной техники индикаторы на жидких кристаллах, применяемые в часах, калькуляторах и других приборах, более экономичны, компактны и надежны по сравнению с электронно-лучевыми трубками. Но их использование ограничено малым температурным диапазоном и небольшим углом зрения. В последнее время инженеры проявляют большой интерес к электрохимическим индикаторам информации. Возбужденные зоны в таких приборах поглощают свет, а не рассеивают его, как в жидкокристаллических, отчего изображение под углом не искажается. Электрохимические индикаторы обладают памятью, то есть хранят записанную информацию до тех пор, пока она не будет стерта или заменена новой. Наконец, электрохимические индикаторы не вызывают радиопомех, они малочувствительны к электромагнитным и электрическим полям.

Принципы их действия основаны на самых различных электрохимических процессах, сопровождаемых электрооптическими эффектами: тут и электроосаждение металлов, и электрохимическое выращивание интерференционных пленок, когда реализуемый цвет определяется толщиной пленки окисла на металле, и изменение окраски при электрохимическом окислении или восстановлении ионов металла с переменной валентностью, и изменение окраски раствора органического вещества в результате электрохимического восстановления или окисления другого вещества, тоже находящегося в растворе.

Используются в приборах и электрокинетические явления. Акселерометры, например, основаны на известном нам электроосмосе, а некоторые дисплеи — входные устройства отображения информации, с которыми мы 128

встречаемся ежедневно, глядя на электронные часы, спортивные табло или светящиеся рекламы,— на электрофорезе. В дисплее заряженные частицы белого пигмента переносятся под действием электрического поля в окрашенной жидкой неводной среде и фиксируются на прозрачном электроде, который после этого выглядит белым на темном фоне окружающей жидкости. Недалеко то время, когда электрохимические индикаторы будут использоваться в качестве цветных телевизионных и дисплейных экранов.

Разработкой и теорией построения электрохимических преобразователей информации занимается новая область науки и техники — молекулярная электроника.

Электричество живых клеток

Естественно, что точные количественные законы электролиза Фарадея послужили основой для создания новых методов анализа, столь необходимых современной химии: ведь прежде чем использовать то или иное вещество на практике, надо выяснить его химический состав и свойства.

По количеству выделившегося при электролизе вещества можно установить суммарное количество электричества. И наоборот, по количеству протекшего электричества можно определить содержание веществ в растворе, толщину гальванических покрытий, окисных пленок и тому подобное. Поскольку потенциалы большинства электродных реакций известны, какие вещества содержатся в растворе определяют и по величине потенциала, при котором протекает реакция.

Кулонометрическим анализом с применением различных кулонметров — приборов для определения количества электричества по выделившемуся количеству ртути, серебра, меди, чаще всего пользуются для определения тяжелых металлов в продуктах и веществах. По существу, такие приборы представляют собой усовершенствованный вид вольтаметров Фарадея. Есть и такая операция «кулонометрическое титрование». Оно заключается в том, что электролитически генерируется реактив, вступающий во взаимодействие с определенным веществом. По количеству электричества, затраченного на титрование вещества, судят о его концентрации.

Известны и другие методы, основанные на электролизе

(например, гравиметрический электроанализ) и используемые для количественного определения или разделения металлов или для извлечения и концентрирования следов металлов.

Если же надо определить небольшое количество вещества, в ход идет полярографический анализ.

В заводских и институтских лабораториях чаще всего прибегают к титрометрическим объемным методам анализа. Количество вещества определяют по величине добавленного реактива, который нейтрализуется, окисляет, восстанавливает или осаждает исследуемое вещество до достижения момента эквивалентности — так называемой точки титрования. Ее находят при помощи подходящего индикатора или инструментально. В последнем случае конечная точка титрования обнаруживает себя по резкому изменению тока при определенном потенциале электрода, по изменению электропроводности раствора или по изменению потенциала. Разработаны самые различные приборы, многие из них действуют автоматически.

Химикам очень часто требуется контролировать концентрацию ионов водорода, обусловливающую активность или кислотность растворов. В таком контроле возникает нужда, когда ведется постоянное наблюдение за процессами в химической, пищевой и многих других отраслях промышленности. Для этих целей служат потенциометры с ионоселективными электродами разнообразной конструкции.

Почти полвека назад академик Борис Петрович Никольский отметил, что стекло обладает ионообменными свойствами. В водных растворах стекло гидратируется, и если раствор кислый, нейтральный или слабощелочной, ионы водорода в растворе замещают ионы натрия на поверхности стекла. Разность потенциалов на границе раздела стекло раствор определяется тогда концентрацией водородных ионов. Это свойство (так называемая селективность) используется при создании стеклянных электродов для измерения кислотности растворов. Созданы были не только стеклянные ионоселективные мембраны, но и мембраны, изменяющие числа переноса ионов из фторида лантана, хлорида, бромида, йодида серебра и других веществ. Стало возможным определять концентрацию ионов галогенидов в различных растворах.

Широко пользуются электрохимическими методами медицина и физиология. Чтобы определить разность 130

электрических потенциалов между двумя точками живой клетки, применяют микроэлектроды — тоненькие стеклянные трубочки с металлическими наконечниками, заполненные физиологическим раствором. В свое время исследователи предпринимали попытки