III. Электрические «странники»

Можно ли совершенно чистую воду, очень плохой проводник электрического тока, превратить в хороший проводник? Можно, и это очень легко сделать. Необходимо только растворить в ней небольшое количество поваренной соли. Водопроводная вода только кажется абсолютно чистой. На самом же деле она содержит небольшие количества растворённых солей, что и помогает ей проводить электрический ток. Вот почему иногда «дёргает» человека, прикоснувшегося мокрой рукой к электрическому выключателю, в особенности если выключатель в металлическом корпусе.

Водные растворы, которые проводят электрический ток, называются электролитами. Если через них пропускать электрический ток, то можно наблюдать различные интересные явления. Представьте себе, что в сосуд с электролитом из раствора сульфата меди опущены два медных электрода, присоединённых к электрической цепи с батареей. Один из электродов, тот, что соединён с отрицательным полюсом батареи, назван катодом. А тот, что с положительным — анодом. При пропускании электрического тока через некоторое время на катоде появится свежий слой меди, а анод постепенно будет растворяться. Может быть и по-другому: медь по-прежнему будет осаждаться на катоде, а на аноде появятся пузырьки кислорода. Всё зависит от материала анода, катода и от состава электролита.

Особый интерес представляет случай, когда электролит — раствор серной кислоты в воде, а электроды сделаны из платины. При пропускании электрического тока у электродов выделяются газы, причём у катода — водород, у анода — кислород. По мере течения процесса уровень электролита непрерывно понижается, то есть концентрация серной кислоты возрастает. В конце концов остаётся чистая серная кислота. Куда же делась вода?

Оказывается, в процессе электролиза она разложилась на составные элементы — водород и кислород, которые и выделялись у электродов.

Долгое время оставалось неясным: каким образом переносятся электрические заряды в электролитах? Объяснение было найдено в 1887 году, когда известный шведский химик Аррениус разработал свою знаменитую теорию электролитической диссоциации.

Основной смысл этой теории в том, что при растворении вещества, например серной кислоты, в воде в получившемся электролите образуется огромное количество положительно и отрицательно заряженных частичек — ионов. Если этот электролит подключить к электрической цепи с батареей, ионы приходят в движение, причём положительные движутся к катоду, а отрицательные к аноду. А это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток. И вот ионы, эти электрические «странники», прибыли к «месту назначения»: один к аноду, другой к катоду. Что же происходит дальше? В результате химической реакции на аноде образуется кислород. На катоде — водород.

IV. ПОТОМУ, ЧТО БЕЗ ВОДЫ…

Теперь ясно, что конечный результат электролиза водного раствора серной кислоты — разложение воды на кислород и водород. Энергия для этого берётся от внешнего источника тока, то есть от батареи.

А возможен ли обратный процесс: соединение водорода с кислородом с образованием воды? Да, возможен. Химики знают: если поджечь смесь этих газов, то раздастся сильный взрыв. Химическая энергия выделится в виде теплоты и звука. Но если этот же процесс будет протекать в электрохимических элементах, то химическая энергия будет непосредственно превращаться в электрическую. В этом-то и состоит принцип действия так называемого водородно-кислородного топливного элемента.

Как же он устроен?

Представьте себе, в сосуд с электролитом, то есть с водой, разбавленной серной кислотой, опущены два пористых, как губка, платиновых электрода. К одному из электродов под давлением подаётся кислород, а к другому — водород, которые просачиваются в электролит. Проходя через электрод, нейтральные атомы кислорода захватывают электроны из металла и превращаются в отрицательные ионы, переходя в электролит. Здесь они двигаются к другому электроду, достигают его, отдают свои электроны и, снова превращаясь в нейтральные атомы кислорода, соединяются с водородом, который подаётся под давлением. В результате этой реакции образуется вода и выделяется энергия, которая расходуется на создание потока электронов во внешней цепи, то есть электрического тока. Теперь достаточно подключить лампочку к платиновым электродам, и она ярко вспыхнет.

Хорош ли такой элемент? Безусловно: ведь его коэффициент полезного действия уже не 30—40%, а 70—80!

Если соединить много таких элементов в одну батарею, то можно получить достаточную мощность для вращения, например, какого-либо двигателя. Но у водородно-кислородного топливного элемента есть крупный недостаток: он может эффективно работать только на очень чистом водороде, который стоит дорого. Значит, и электроэнергия от такого элемента дорога. Поэтому-то вместо водорода нужно применять более дешёвое топливо. И оно было найдено. Например, использовался газ пропан и другие углеродистые газы. Теперь пробуют использовать воздух вместо кислорода: это значительно дешевле. И, наконец, самым дешёвым был бы элемент, работающий на природном газе и обычном воздухе.

Исследования продолжаются. Уже немало создано и успешно работают различные топливные элементы. Выдвигаются и совсем оригинальные идеи, например, создания так называемого биохимического топливного элемента. В нём к аноду подаются бактерии и питательная среда, а к катоду — кислород. Бактерии окисляют питательные вещества, а высвобождаемая энергия преобразуется непосредственно в электричество.

Кто знает, может, в недалёком будущем такие «живые» батареи найдут самое широкое применение, например, в дальних космических полётах!

Пока область применения топливных элементов ограничена: ведь они вырабатывают постоянный ток низкого напряжения и невелики по мощности. Но они непрерывно совершенствуются, область их применения растёт. Пока трудно сказать, смогут ли топливные элементы в недалёком будущем заменить обычные электростанции. Ясно одно: время, когда во многих областях техники источником энергии будет топливный элемент, — не за горами.