- 10.11.2022
- 08.02.2022
- 09.12.2020
- 03.12.2020
- 28.04.2020
- 15.01.2019
- 10.01.2019
- 08.10.2018
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