Με αφορμή τις λάμπες στο δρομο

Γυρνώντας ενα βράδυ με το γιό μου (που πάει στο νηπιαγωγείο), απόρησε για τις λάμπες που ανάβουν τη νυχτα στους δρόμους. Υποσχέθηκα να φτιάξω κάτι παρομοιο στο σπίτι. Και επειδή μου το θυμισε ξανα πήγα σε κατάστημα ηλεκτρολογικών ειδών και αγορασα 4 μετρα καλόδιο (διπλο) , ενα διακόπτη, μια θηκη για 2  1.5 V μπαταρίες, μπαταριες και ενα λαμπάκι με βάση για τετοια μικρή τάση. Ειναι ενα πολυ απλο κυκλωμα.

   

Αφου λοιπον παιξαμε με το γιο και τα κοριτσια με αυτο, μετα κάποιο κορίτσι μίλησε για βραχυκύκλωμα και μου ήρθε η ιδέα να βάλω το λαμπάκι αναμένο στο νερό και μετα να προσθέτω αλάτι. Στο νου μου συνδέθηκε ολο το θέμα με το ζητημα του βραχυκυκλώματος και δεν σκέφτηκα οτι απο μια άλλη οπτική πρόκειται για συνδεση αντιστάσεων παράλληλα και το λαμπάκι δεν θα έπρεπε να επιρεαστεί σχεδον καθόλου. Με ενθουσίασε και το ότι όλο αυτο δουλευε τωρα με ιόντα (βαριέμαι συνέχεια να αναφερόμαστε στα ηλεκτρόνια, ιδιαιτερα όταν το σώμα μας δουλευει διαρκώς με ιόντα) και ριχτηκα στη δουλειά. Εριξα αλάτι σε ένα ποτήρι με νερό και μετά τη διάλυση έβαλα μέσα το λαμπάκι.

Δεν έγινε τιποτε!! (πράγμα λογικο αφου έχουμε παράλληλη συνδεση- ομως εγω ήμουν κολλημένος με την ιδέα του βραχυκυκλώματος και θεώρησα οτι αυτο συνέβη επειδή δεν είχα διαλυσει αρκετό αλάτι και άρα οτι η αντίσταση ηταν ακομα πολυ μεγάλη. Στην πραγματικοτητα η αντίσταση δεν ήταν ακομα τοσο εξαιρετικά μικρή (!) ώστε το ρεύμα που να περνά απο το διάλυμα να ειναι τοσο μεγάλο ώστε η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας να ρίξει την τάση στα άκρα απο το λαμπάκι).
Αν θελετε μπορειτε να παιξετε με μια προσομοιωση  και να δειτε τι συμβαίνει ΕΔΩ

Για να ειμαι ακριβής δεν έγινε τίποτε όσο αφορά στη φωτεινότητα απο το λαμπάκι. Ομως ειδα να βγαίνει αέριο απο το λαμπάκι (πολλές πολλές μικρές φουσκαλίτσες). Κατάλαβα οτι ειχα να κάνω με ηλεκτρολυση. Αλλά δεν ξέρω και πολλά απο ηλεκτρολυση και θεώρησα ότι ειναι κάποιος χωρισμός υδρογόνου απο οξυγόνο. Πάντως, χωρις να το πολυσυνειδητοποιήσω μου "έμεινε" μια περίεργη αισθηση. Αλλά δεν το πολυσκέφτηκα (δεν ειμαι καλος πειραματικός, μάλλον υπερβολικά ορμητικός).

Παρατηρησα όμως κάτι πολυ ενδιαφέρον για το μάθημα της Οπτικής. Το λαμπάκι που αγορασα ηταν έτσι διαμορφωμένο ώστε να δημιουργεί μια δυνατή δέσμη φωτός προς το μπρος. Οι μικρές φουσκάλες που παράγονταν δημιουργουσαν μια αντιστροφη "ομίχλη" (δηλαδή στην ομιχλη έχουμε πολύ μικρές σταγόνες διαμέτρου κατα μέσο ορο 20 μm , αν θυμάμαι καλα, μεσα στον αέρα- εδω ειχαμε μικρές φουσκάλες αερίου μέσα σε νερό). Ειδα οτι η "ομιχλη" αυτη έκανε να φαινονται δεσμες φωτός. Μάλιστα με αλουμινόχαρτο έφτιαξα ένα μικρό "καθρέφτη" (δεν ειχα καθρεφτάκι διαθέσιμο) και μπορουσα να δω την ανάκλαση της ακτινας (συνηθως αυτο γινεται στον αέρα χρησιμοποιόντας καπνό πχ απο τσιγάρο). "τι ευκαιρία!" σκέφτηκα. "Μπορώ να το δειξω στις φοιτήτριες και τους φοιτητές και να το κάνουν και οι ιδιοι"

Ριχτηκα στη δουλειά και πάλι. Ζεστανα νερό σε μεγάλη θερμοκρασία και έριξα μπόλικο αλάτι (προσπαθώντας να πετύχω πολυ μεγάλη συγκέντρωση ιόντων). Μετα τα έβαλα σε ένα ποτήρι και βύθισα το λαμπάκι. Αυτη τη φορά ειδα μια μικρή διαφορά στη φωτεινότητα προς μεγάλη μου χαρά (ακομα κάπως ασαφως το συνέδεα με βραχυκύκλωμα χωρίς να ειναι στο νου μου τα περι παραλληλίας αντιστάσεων και κοινής τάσης).

(Στο βιντεο εκανα και μπολικες φουσκάλες για να βλέπω τη δεσμη). Νομιζοντας οτι είχα ενα πολυ καλο παράδειγμα του πώς το ηλεκτρικό ρεύμα "προτιμά" τον ευκολότερο δρόμο (κάτι που εχει νοημα αφου περισσοτερο ρευμα περνάει απο εκει, αλλά αυτο δεν σημαίνει αναγκαστικά οτι ο παλιος δρόμος παυει να διαπερνάται απο ρευμα παρομοιο με αυτο που τον διαπερνούσε, οπως συμβαίνει στην παράλληλη συνδεση αν η ταση παραμείνει σταθερή), προχώρησα στην Οπτική.

Ειχα ενα σημαντικο προβλημα: δεν χρησιμοποιησα κάποιο ιδιαιτερα καθαρο αλάτι οποτε ήδη διάφορα αιωρουμενα έκαναν το διάλυμα κάπως θολό. Πάντως η μια πλευρά, η αρνητική, έβγαζε μπόλικες μικρές μικρές φουσκάλες επιτρέποντας να έχουμε και πάλι το αντιστοιχο μιας πυκνής ομίχλης και να βλέπω τη δεσμη (εχω βαλει και μια παιδική οδοντόκρεμα πλαγιαστά για να κόβει την έντονη φωτεινότητα της λάμπας).

Αυτη τη φορά παρατήρησα καθαρά οτι δεν έβγαζαν αέριο και οι δυο πλευρές αλλα και άλλα περιεργα όπως α) οτι σαν να άρχισε να μυρίζει περίεργα και ακομα β) οτι στην επιφάνεια του ποτηριου εμφανιζόταν σταδιακά ενας αφρός κάπως κιτρινοκαφετής. Μικρός ειχα ξανακάνει ηλεκτρόλυση αλλά με γραφιτη και δεν θυμόμουν καμια περίεργη μυρωδιά (για την ακριβεια το έκανε ο αδελφός μου και νομιζω ξεχώριζε οξυγονο απο τη μια και υδρογόνο απο την άλλη)

Τελος πάντων το προσπέρασα και προσπάθησα να στήσω κάποιες παρουσιάσεις οπτικής και να τις βιντεοσκοπήσω. Τα αποτελέσματα ήταν μέτρια και με έκαναν να εκτιμήσω τις φοβερές δυνατότητες του συνδιασμού μάτι-εγκέφαλος. Για την ακριβεια προσπάθησα να δω την ανακλαση της δεσμης απο τσαλακωμένο αλουμινόχαρτο και απο λείο αλουμινόχαρτο

    

Τσαλακωμένο                                                       Λειο


Ολα αυτα έγιναν τη μαυρη νυχτα με ολους τους άλλους να κοιμούνται.
Την άλλη μέρα τα ξανασκέφτηκα και τώρα μου ήρθε στο νου το ζητημα της παραλληλιας των δυο δρόμων να περάσει το ρευμα.
Επισης άρχισα να σκέφτομαι τι μπορει να συμβαίνει. Αρχισα να σκέφτομαι αλλους τρόπους που θα μπορουσε να τρέξει η ηλεκτρολυση. Πχ μου φανηκε οτι η μια πλευρα στη βάση της λάμπας (η θετική) ήταν σαν γιαλυσμένη και απο αυτο σκέφτηκα οτι ίσως ο χαλκός στο θετικο άκρο διαλύεται. Απο την άλλη η αρνητική πλευρά ήταν μαυρισμένη!

Τελικά το έψαξα στο διαδικτυο και ειδα αντιστοιχη ηλεκτρολυση (θεωροντας οτι οι δυο άκρες της βάσης της λαμπας ειναι σαν δυο ηλεκτροδια χαλκου-πραγμα για το οποιο δεν ειμαι και σιγουρος, δεν ξέρω τι κράμα ειναι αυτο το χρυσαφι των βάσεων)

Οπου για πρωτη φορά άκουσα οτι το αεριο που απελευθερώνεται μπορει να μην ειναι καθόλου H2 οπως νομιζα αλλά χλώριο.  Κοιτώντας με προσοχή είδα ότι αν ήταν Χλώριο (κάτι που ταιριαζε με την παράδοξη μυρωδιά) θα έπρεπε να βγαίνει απο το θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδο) ενώ εγω έβλεπα να βγαίνει αέριο απο το αρνητικό ηλεκτροδιο. Ωστοσο στην άνοδο εγω έβλεπα να μοιάζει "καθαρισμένος" ο "χαλκός", Πράγμα που ταιριαζε σε όσα λεγανε τα σχόλια του βίντεο περι διάλυσης του χαλκού.

Απο τη συζήτηση που είδα κάτω απο το βίντεο κατάλαβα ότι  το ζητημα του τι γινεται στην ηλεκτρολυση ειναι πολυ εκλεπτισμένο και καθόλου χοντροκομμένο (όπως άτσαλα το αντιμετώπιζα εγώ). Το έψαξα παραπάνω και ,χωρίς να έχω φτάσει σε κάποιο τελικο αποτέλεσμα, να που κατέληξα:
http://www.thenakedscientists.com/forum/index.php?topic=43042.0
Εκει λοιπον διαβάζω ότι
"Anode reactions: Cu (solid) --> Cu2+ (solution) + 2 e-  in dilute NaCl solution
or    Cu (solid) + 2 Cl- --> CuCl2- + e- in conc solution"

(ενω θα περιμενε κανεις να σχηματιζεται χλώριο αν ο χαλκος δεν αντιδρούσε)

Αυτο ταιριάζει με αυτο που έβλεπα στο θετικό ηλεκτρόδιο. Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο ανέφεραν ότι παράγεται υδρογόνο.

Ωστόσο σκεφτομουν: και αν εχουμε κάποιο συνδιασμό όπου τμήματα της θετικής πλευράς μοιάζουν με το χαλκό αλλά άλλα ειναι πιο "αδρανη" με αποτελεσμα να παραγεται σε μικρή ποσοτητα Cl2? Μήπως μαζί και με το Η2 απο το αρνητικο ηλεκτροδιο τελικά φτιάχνεται κάτι σαν HCl στον αέρα; (καθόλου ωραίο για ένα πειραμα για παιδιά όπως το σκεφτομουν)

[Αν το ειχα σκεφτεί νωρίτερα θα δοκίμαζα να έχω στον αέρα ενα χαρτάκι με βάμα ηλιοτροπίου που έχω, να δω αν θα έπαιρνε το χρώμα που ταιριάζει σε οξύ]

Αλλά διάβασα και κάτι άλλο ΠΟΛΥ ενδιαφέρον:

"As soon as there is a build up of copper ions in solution, the evolution of hydrogen gas at the cathode will stop, and be replaced with the reverse of either of the above reactions as a cathode reaction." και " Electrolytically deposited copper is, in my observation, generally black (like most finely powdered metals)."

Αυτο ταιριαζε με το ότι έβλεπα το αρνητικό ηλεκτρόδιο να ειναι μαυρισμένο (κάτι που εγω αρχικά το απέδωσα στην παρουσια NaOH κοντά στο αρνητικό ηλεκτροδιο - η σκέψη μου ηταν: ισχυρή βάση έ τι στο καλό κάποιου ειδους "καταστροφή" πχ μαυρισμα θα προκαλει, χημεια της πλάκας δηλαδή). Ομως εγω δεν ειδα καθόλου να σταματά η παραγωγή αερίου (μάλλον υδρογόνου, αλλά δεν το τσέκαρα με κάποιο τρόπο) ώστε να ταιριάζει με το σχόλιο που διάβασα. Οποτε ακομα ειμαι μπερδεμένος

Αυτα λοιπον και στο σημείο αυτο σταματω κι οποιος θέλει μπορει να το σκεφτεί περισσοτερο. Τα περι δυναμικών ισορροπιας πάντων ειναι ένα συναρπαστικο θέμα. Η σκέψη οτι μπροστα στα μάτια μας βλέπουμε να "γεννάται" ένα στοιχειο μέσα απο ανταλλαγές ηλεκτρονίων (πχ γεννάται υδρογόνο, ας πουμε "μόριο το μόριο") με κάνει να ανατριχιάζω. (θα μου πεις, ετσι δεν γινεται γενικά στις αντιδράσεις; Μάλλον με εντυπωσιάζει το μακροσκοπικο της συσκευης που δινει και περνει ηλεκτρονια απο τη μια και το μικροσκοπικο των αντιδρασεων απο την άλλη)

Τελος ενα μικρό σχόλιο. Τι κάνει μια μπαταρία; Στείνει μια τροφοδοσία μεταφοράς ενέργειας με δυο κανόνες: α) κάθε φορτίο παιρνει το ιδιο ακριβώς ποσό ενέργειας για μια πλήρη διαδρομή β) το ποσο αυτο ειναι ανεξάρτητο απο ποια διαδρομή θα διαλέξει το φορτίο. Αν προσθέσει κανεις πχ στην περιπτωση ενος κυκλωματος οτι η πυκνότητα των ηλεκτρονίων θα μένει σταθερή τότε έχει σχεδόν τα πάντα για να καταλάβει πώς λειτουργεί ένα κυκλωμα: αν φανταστουμε τα ηλεκτρονια σαν κινουμενα σωματίδια και οτι οσο γρηγορότερα κινείται κάποιο τόση πιο πολλή ενέργεια "χανει" σε μια αντισταση τότε οι παραπάνω κανόνες προσδιορίζουν ταχυτητες με τις οποιες θα κινειται το ηλέκτρονιο σε διάφορα σημεία του κυκλώματος (ταχυτητες που δεν ειναι αυθαιρετες αφου θα πρεπει να μένει σταθερη η πυκνότητα των ηλεκτρονίων). THAT'S ALL FOLKS. Ετσι καθοριζονται τα πάντα: η μπαταρία δεν δινει συγκεκριμένο ρεύμα, ουτε συγκεκριμένη ενέργεια. Ειναι σαν ενας πολυ καλοπροαίρετος ευεργέτης που απλώς κάποια στιγμή μένει απο πόρους. 

Επισης καταλαβαίνει κανείς τον "ολιστικο" χαρακτήρα ενος κυκλώματος. Αν σε κάποιο σημείο αλλάξει κάτι και τα ηλεκτρονια μπορουν να περάσουν ξοδεύοντας λιγότερη ενέργεια (πχ με μικροτερες ταχυτητες επειδή ανοιγονται περισσοτεροι δρόμοι) τότε πρέπει στα άλλα σημεία να ξοδέψει περισσοτερη ενέργεια (πράγμα που σημαινει διαφορετικές ταχυτητες που ειπαμε οτι δεν ειναι τυχαίο)