Eurasian chemical market
Search
10.11.2022
08.02.2022
09.12.2020
03.12.2020
28.04.2020
15.01.2019
10.01.2019
08.10.2018
Home » Interesting » Химия в электрической лампочке

Химия в электрической лампочке

Казалось бы, что может связывать самый распространенный сегодня источник света - электрическую лампочку - и химию? Может быть, состав светящегося металлического волоска и способ его изготовления? Или композиция стекла, тонкого, прозрачного и прочного? Секрет клеев и изолирующих слоев? Наверное, все это. Но главное в лампе то, что она светит, а источником света <работает> раскаленная до высоких температур металлическая спираль. Путь к таким светильникам был не простым. В 1802 г. В.В.Петров впервые описал явление, названное пятью годами позже Г.Дэви вольтовой дугой. Первая попытка применить вольтову дугу для освещения относится к 1846 г.: дугу зажигали между угольными электродами, которые по мере сгорания сближались с помощью часового механизма. П.Н.Яблочков в 1876 г. изготовил <свечу>, расположив два угольных стерженька, разделенных изолирующим слоем, параллельно. Были и другие усовершенствования, но путь этот оказался тупиковым.

Первая попытка изготовить электрическую лампу без вольтовой дуги - лампу накаливания - была предпринята в 1844 г. английским инженером де Молейном, который в качестве светящегося тела использовал платиновую проволоку, помещенную в стеклянную оболочку. Однако платина при нагревании до белого каления размягчалась и даже плавилась, так что лампы были недолговечными. А.Н.Лодыгин в 1872 г. заменил платину на тонкую палочку из искусственного (ретортного) угля. Усовершенствованными лампами Лодыгина - с автоматически заменяемыми угольками - освещались под водой кессоны при постройке Александровского моста через Неву.

В начале ХХ в. лампы накаливания привычной нам формы, но с угольными нитями (их получали обугливанием веществ растительного происхождения, в частности хлопчатобумажных нитей) изготавливали с силой света от 1 до 2000 свечей. Срок службы этих ламп составлял 400, некоторых - 600, а рекордных образцов - даже 1000 часов. Но и этот путь не получил в дальнейшем развития: на смену углям пришли металлы.

Ауэр фон Вельсбах в Берлине изготовил лампы с тонкими осмиевыми нитями накаливания, которые были гораздо экономичнее угольных по расходу энергии, имели большой срок службы и лишь из-за высокой стоимости осмия не получили широкого распространения.

Победителем среди материалов для нитей накаливания вышел другой металл - вольфрам. Первым его предложил использовать в 1900 г. тот же Лодыгин, однако лишь после 1909 г., когда американский физик-экспериментатор У.Кулидж разработал промышленную технологию получения этого металла, он стал широко доступен. В России производство ковкого вольфрама было освоено в 1927 г. Для повышения температуры, а следовательно, светимости и экономичности ламп сейчас для нитей накаливания используют не чистый вольфрам, а его особые дисперсионные сплавы - вольфрам с включениями мельчайших частиц тугоплавких оксидов.

И все же лампы с вольфрамовыми нитями недолговечны: они перегорают. В чем причина? Механизм перегорания в общих чертах ясен и включает как химические реакции, так и обычное испарение металла. Химические реакции - взаимодействие металла со следами окислителей, которые вызывают образование летучего триоксида вольфрама. При этом окислителями могут выступать не только кислород, но и углекислый газ, пары воды, а также ряд других кислородсодержащих веществ. Именно от них тщательно очищают инертные газы, которыми заполняют стеклянные баллоны ламп. Окислители в небольших количествах не представляют большой опасности, поскольку могут до конца израсходоваться в ходе реакций. Иное дело - испарение: сколько времени работает лампа, столько времени будет испаряться вольфрам, покрывая внутреннюю поверхность стеклянной колбы темным зеркальным налетом.

Надо отметить еще одну неприятность - самоускоряющийся, почти взрывной характер разрушения металлической нити. Это связано с особенностями нагревания джоулевым теплом: чем меньше сечение проводника, тем больше его электрическое сопротивление. В связи с этим в том месте, где нить накаливания чуть утончится, сразу повышается температура, а в результате за счет более высокой температуры в этом месте ускоряется разрушение: нить быстро утончается дальше, пока не взорвется. Особенно опасен этот процесс для мощных светильников.

Что же в итоге? Лампы накаливания вообще не могут быть вечными (хотя бы даже теоретически)? Оказывается, химия позволяет найти выход: для повышения долговечности ламп необходимо использовать процессы особого типа - химические транспортные реакции.

Реакции с химическим транспортом - обязательно обратимые, причем протекают они лишь при наличии двух зон (двух участков одного реакционного объема), имеющих различные температуры. Значения температур или реагенты подбирают так, чтобы в одной зоне исходное вещество расходовалось, а в другой зоне то же вещество осаждалось за счет обратной реакции. Этот процесс напоминает возгонку твердого вещества (испарение - осаждение из паров), но отличается от нее по своей природе. Схематически химическую транспортную реакцию можно представить так:

А (тв.) + В (г.) = С (г.),

но при температуре t1 равновесие процесса сдвинуто в одну сторону:

А (тв.) + В (г.) = С (г.),

а при температуре t2 - в другую:

С (г.) = А (тв.) + В (г.).

Если в сосуд поместить вещество А, закачать туда же газ В, закрыть сосуд и нагреть один его конец (где находится вещество А) до t1, а другой - до t2, то вещество А будет расходоваться в одном конце (зоне) и переноситься в другой. Таким способом можно наносить покрытия, очищать вещества, получать монокристаллы и др.

Важно, что химический транспорт может протекать при температурах существенно более низких, чем температуры испарения веществ, для этого необходимо подобрать соответствующий транспортирующий реагент В. Более того, реагент В может в замкнутом объеме транспортировать очень большие количества вещества А, ведь В не расходуется при этом.

Некое подобие такого процесса использовал Лодыгин еще в 1893 г., когда покрывал угольные элементы лампы накаливания вольфрамом, используя реакцию термического разложения летучего гексахлорида вольфрама:

WCl6 (г.) = W (тв.) + 3Cl2 (г.).

Не правда ли, она точно соответствует общему уравнению:

С (г.) = А (тв.) + В (г.)?

Но вернемся к электрическим лампам накаливания. Наверное, уже стало ясно, как сделать их долговечными: нужно <заставить> реакцию расходования вольфрама протекать на относительно холодных внутренних стенках стеклянной оболочки, а реакцию осаждения вольфрама - на более горячей нити. При этом может протекать механизм, обратный самоускоряющемуся разрушению нити, т. к. чем тоньше будет нить в каком-либо месте, тем больше там выделится тепла и тем быстрее пройдет осаждение вольфрама. Химические транспортные реакции способны сделать лампы с нитями накаливания <самозалечивающимися>.

Дальше необходимо прибегнуть к расчетам: подобрать реагенты, их концентрацию и исходное давление в объеме колбы лампы. Слишком большое, близкое к атмосферному, давление вызовет перегрев колбы; слишком низкое давление потребует утолщения стенок колбы и усложнения сборки ламп.

Инженеры сумели использовать химические транспортные реакции и создали мощные и <вечные> лампы накаливания, заполняя стеклянные оболочки ламп небольшим количеством галогенов или галогенидов, поэтому и лампы эти называются галогенными. Какие конкретно вещества используются для заполнения ламп, каковы их концентрации - дело отдельных фирм. Главное, что химики такую задачу решили.

Э.Г.Раков

Our Partners
China Chemical Reporter CREON Energy
Conference and Exhibition, held under an informational support of the magazine "Eurasian chemical market"
19th Phenol / Acetone & Derivatives Технотекстиль | technotextil Nitrogen 2022 Barrier Paper Packaging for Food-Contact Грэйнтек RUPLASTICA