31 декабря 1879 года для городка МенлоПарк ознаменовался историческим событием мирового масштаба. Тысячи американцев приехали со всего штата, чтобы посмотреть, как сотни электрических ламп в миг осветят улицы города и лабораторию великого изобретателя Томаса Эдисона. Так началась эра электрических ламп накаливания. Однако борьба с темнотой началась намного раньше.
Шестой элемент и свечка
Человеку повезло два раза: первый — когда он оказался на планете Земля, а второй — когда обнаружил древесину. В сухом состоянии её следовало только нагреть до температуры 233°С, и она вспыхивала ярким и очень горячим пламенем. В основе лежит реакция взаимодействия углерода с кислородом
C + O2 = CO 2 ,
ставшая на долгие века основой освещения сначала холодных стен пещер, а позже и первых жилищ. И чем больше углерода (шестого элемента Периодической таблицы химических элементов) в горящем дереве, тем ярче раскалённые частички сажи светятся в пламени.
Процесс взаимодействия с молекулярным кислородом называется горением, в ходе которого выделяется некоторое количество тепла
Например, при горении 100 грамм углерода выделяется 3300 кДж энергии (тепло и свет). Химическая энергия, запасённая в компонентах исходной смеси, может выделяться также в виде теплового излучения и света. Светящаяся зона называется фронтом пламени или просто пламенем. Температура пламени зависит от состава исходной смеси и условий, при которых осуществляется горение. При горении природного газа в воздухе температура в горячей зоне может превышать 2000 К
Со временем факел заменили лучиной, лучину — масляной лампой, а она уступила место одному из самых совершенных изобретений — свече. Первое время фитиль находился в толще натурального воска, что было очень дорого. Жир и сало оказались значительно дешевле, однако горение таких свечей сопровождалось неприятным запахом и тусклым светом. Но в Средневековье химики были заняты поиском философского камня и проблемы освещения их мало волновали. Только к началу XIX века научились расщеплять жиры на отдельные компоненты — жирные кислоты, одна из которых стеариновая. Первооткрывателем стал французский химик Мишель-Эжен Шеврель. С того времени стеариновые свечи были практически в каждом доме. Формула этого органического вещества достаточно затейлива:
C17H35COOH,
а вот физические свойства просты — жирная на ощупь полупрозрачная масса белого цвета, плавящаяся при температуре 50–65ºС. Следующий шаг — древесный дёготь, ставший предметом тщательного исследования со стороны немецкого химика, барона Карла фон Рейхенбаха. Именно он в 1830 году получил в перегонном кубе из дёгтя смесь твёрдых неразветвлённых углеводородов состава
C n H2n+2,
содержащих от 16 до 30 атомов углерода в молекуле, и назвал их парафинами. Это просто идеальное вещество для свечи — лёгкое (плотность меньше воды), горящее с образованием парообразной воды и углекислого газа, почти без образования копоти, да ещё и легкоплавкое (45–65ºС). Освоение переработки нефти позволило полностью перейти на производство парафина из «жидкого золота», в котором подобные твёрдые углеводороды могут составлять до 20%. И если сейчас зайти в хозяйственный магазин, то на полках обязательно окажутся свечи из смеси парафина с другими углеводородами, чаще всего со стеарином.
Свет из газа
Газообразные вещества при горении, как оказалось, гораздо ярче жидких и твёрдых веществ, известных в XIX веке. Кроме того, газ позволил сделать ранее невозможное — полноценно осветить ночные улицы городов. Одним из первых стал «светильный газ», состоящий из водорода (45%), метана (35%) и угарного газа (8%), правда, последний ингредиент делал его токсичным для человека. Как его получали в самом начале XIX века? Для этого пришлось изобрести процесс пиролиза каменного угля — основного топлива тех времён. При нагреве только одной тонны такого полезного ископаемого получали, помимо всего прочего, более 200 кг или 300 м3 газов. Есть один нюанс — нагревать каменный уголь приходится без кислорода, иначе он просто сгорит. Полученные в результате пиролиза горячие газы охлаждали, пропускали через воду и теперь «светильный газ» можно было подавать в уличные фонари. Первые зажгли в 10-е годы XIX века в Лондоне и буквально за несколько лет уличные фонари появились и в других крупнейших городах мира.
Мощным толчком к новым открытиям в области химии света стало изобретение автомобиля. Необходимость перемещения по дорогам в ночное время рождала потребность в ярких и надёжных фарах. Постоянно возить с собой громоздкий бак со «светильный газом» было неудобно и опасно. Поэтому искали варианты, как получать газ прямо на борту автомобиля. В 1896 году французский изобретатель Луи Блерио предложил в этих целях использовать ацетиленовую лампу и генератор. В основе всего был карбид кальция CaC2 , который выступал главным реактивом в реакции:
CaC2 + H2 O => C2 H2 + Ca(OH)2 .
Водитель с наступлением сумерек просто открывал небольшой кран: вода капала на карбид кальция и из генератора в фару поступал ацетилен C2 H2 . Далее стоило его поджечь и горящий ацетилен пронизывал тьму трёхсотметровым пучком света. Всё было хорошо в этой системе, только возни с ней много — нужно было куда-то утилизировать щёлочь Ca(OH)2 , следить за наличием карбида и воды, чистить фары от копоти. В общем, когда появилась на свет лампа накаливания, все с радостью отказались от хлопотных «карбидок».
Он подействовал водой на карбид калия:
К2 С2 + Н2 О = С2 Н2 + 2КОН
и получил новый газ, который назвал двууглеродистым водородом. Этот газ был, в основном, интересен химикам с точки зрения теории строения органических соединений. Как только был разработан дешёвый способ получения карбида кальция нагреванием смеси угля и негашеной извести:
СаО + 3С = СаС2 + СО,
ацетилен стали использовать для освещения. Ацетиленовые горелки давали в 15 раз больше света, чем обычные газовые фонари, которыми освещали улицы. Постепенно они были вытеснены электрическим освещением, но ещё долго использовались в небольших фонарях на велосипедах, мотоциклах, в конных экипажах.
Горящая спираль
С появлением электричества физика активно вторглась в химическую историю света. В первых лампах использовали чрезвычайно яркую электрическую дугу, возникающую при подаче большого напряжения на два углеродных электрода. Минусом было выгорание электродов, что заставляло инженеров сооружать сложную систему их сближения по мере расходования. Вся проблема заключалась в кислороде воздуха, беспрепятственно вступающим в реакцию горения углерода. Светящееся тело решили изолировать в стеклянную колбу, очень похожую на современную лампочку. От яркой дуги также пришлось отказаться в пользу нити накаливания из металла. Из курса физики мы знаем, чем сильнее раскалено тело, тем больше оно излучает света. Также не стоит забывать, что тело должно обладать высоким сопротивлением, чтобы при нагревании превращать тепло в свет. А какой металл можно раскалить до очень высокой температуры и при этом не расплавить его? Правильно, вольфрам! Этот металл, обладая температурой плавления около 3380ºС, стойко выдерживает 2700ºС в обычной лампочке накаливания. Но и его во избежание испарения металла приходится заключать в атмосферу инертных аргона и азота. Для продления срока службы в лампочку добавляют ещё благородный криптон. Сравните: первая лампа накаливания Эдисона, зажжённая в 1879 году, горела 40 часов, а современная криптоновая уже способна излучать свет более 3000 часов. Но и этого оказалось мало — появились мощные и гораздо более долговечные галогеновые лампы, в атмосферу которых добавили совсем чуть-чуть йода. Это стало возможным благодаря американскому учёному Ирвингу Ленгмюру, открывшему в 1915 году галогенный цикл, в ходе которого оторвавшиеся от спирали атомы вольфрама не долетают до стенок колбы, а вступают в реакцию с йодом. Такой йодид вольфрама распадался уже у поверхности спирали и металл снова возвращался в рабочее состояние. Это позволило на пару сотен градусов увеличить температуру свечения металла, что автоматически повысило яркость «галогенок». Они нашли заслуженное место в автомобильных фарах и домашнем освещении. Однако высокие температуры негативно сказываются на экономичности освещения — потери на тепло выливаются в траты на электроэнергию. Поэтому конструкторы снова обратили внимание на освещение с помощью газов.
Вся проблема заключалась в кислороде воздуха, беспрепятственно вступающим в реакцию горения углерода. Светящееся тело решили изолировать в стеклянную колбу, очень похожую на современную лампочку
Томас Эдисон не был автором идеи ламп накаливания
Исследования в этой области велись более полувека на момент их изобретения. Величайшая заслуга Эдисона была в создании практически осуществимой системы электрического освещения с прочной нитью накаливания и устойчивым вакуумом.
От ртути до кремния
Этот эксперимент проводить в условиях школьной лаборатории нельзя, поэтому давайте пофантазируем. В прочную колбу из тугоплавкого кварцевого стекла под большим давлением (до 30 атмосфер) поместим пары ртути, немного дорогого благородного газа ксенона и ещё чуточку йодидов натрия и скандия (NaI и ScI2 ) для белого свечения. Плотно закроем колбу и подадим на расположенные в ней электроды 28-киловаттный импульс переменного тока частотой 400 Гц. И… колба засветится белым светом такой яркости, что без защиты можно и ослепнуть. Такова упрощённая конструкция ксеноновой лампы, успешно применяемой в кинопроекторах, прожекторах и автомобильных фарах. Плюсов у такой лампы море — не боится встряски, почти не греется, очень и очень долговечная, но сложная в изготовлении и поэтому дорогая, к тому же содержит токсичную ртуть. Правда, последнюю проблему научились решать, заменив этот металл на безопасный йодид цинка (ZnI2 ).
Следующим в нашей химической истории стал светодиод (LED — light-emitting diode) — полупроводниковое устройство, преобразующие энергию электрического тока в световую. Основу таких источников света заложили ещё в начале XX века с открытием явления электролюминесценции, когда в опытах кристалл карбида кремния (SiC) под действием электрического тока начинал светиться. Позже кристаллы арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP) и полупроводниковые структуры на основе GaAsP стали тем фундаментом, на котором формируется современное светодиодное освещение, как самое экономичное, безопасное и долговечное. Но и это ещё не финиш нашей истории химии света. Оказывается, автомобильные инженеры недавно придумали лазерные фары! Конечно, никто не собирается освещать ночное шоссе лучами лазера — это было бы и опасно, и совсем не эффективно. Лазер в такой фаре облучает специальный YAG-люминофор из иттрий-алюминиевого граната с небольшими примесями церия, ярко светящийся в таких условиях на дальность 600–700 метров, чего пока не может никто более. Станет ли такая технология общедоступной — покажет время, а пока познакомиться с лазерной фарой можно на представительском автомобиле последнего поколения BMW 7. Безусловно, дорого и сложно, но экономично, компактно и очень ярко. Химическая ИСТОРИЯ СВЕТА
31 декабря 1879 года для городка МенлоПарк ознаменовался историческим событием мирового масштаба. Тысячи американцев приехали со всего штата, чтобы посмотреть, как сотни электрических ламп в миг осветят улицы города и лабораторию великого изобретателя Томаса Эдисона. Так началась эра электрических ламп накаливания. Однако борьба с темнотой началась намного раньше.
Шестой элемент и свечка
Человеку повезло два раза: первый — когда он оказался на планете Земля, а второй — когда обнаружил древесину. В сухом состоянии её следовало только нагреть до температуры 233°С, и она вспыхивала ярким и очень горячим пламенем. В основе лежит реакция взаимодействия углерода с кислородом
C + O2 = CO 2 ,
ставшая на долгие века основой освещения сначала холодных стен пещер, а позже и первых жилищ. И чем больше углерода (шестого элемента Периодической таблицы химических элементов) в горящем дереве, тем ярче раскалённые частички сажи светятся в пламени.
Процесс взаимодействия с молекулярным кислородом называется горением, в ходе которого выделяется некоторое количество тепла
Например, при горении 100 грамм углерода выделяется 3300 кДж энергии (тепло и свет). Химическая энергия, запасённая в компонентах исходной смеси, может выделяться также в виде теплового излучения и света. Светящаяся зона называется фронтом пламени или просто пламенем. Температура пламени зависит от состава исходной смеси и условий, при которых осуществляется горение. При горении природного газа в воздухе температура в горячей зоне может превышать 2000 К
Со временем факел заменили лучиной, лучину — масляной лампой, а она уступила место одному из самых совершенных изобретений — свече. Первое время фитиль находился в толще натурального воска, что было очень дорого. Жир и сало оказались значительно дешевле, однако горение таких свечей сопровождалось неприятным запахом и тусклым светом. Но в Средневековье химики были заняты поиском философского камня и проблемы освещения их мало волновали. Только к началу XIX века научились расщеплять жиры на отдельные компоненты — жирные кислоты, одна из которых стеариновая. Первооткрывателем стал французский химик Мишель-Эжен Шеврель. С того времени стеариновые свечи были практически в каждом доме. Формула этого органического вещества достаточно затейлива:
C17H35COOH,
а вот физические свойства просты — жирная на ощупь полупрозрачная масса белого цвета, плавящаяся при температуре 50–65ºС. Следующий шаг — древесный дёготь, ставший предметом тщательного исследования со стороны немецкого химика, барона Карла фон Рейхенбаха. Именно он в 1830 году получил в перегонном кубе из дёгтя смесь твёрдых неразветвлённых углеводородов состава
C n H2n+2,
содержащих от 16 до 30 атомов углерода в молекуле, и назвал их парафинами. Это просто идеальное вещество для свечи — лёгкое (плотность меньше воды), горящее с образованием парообразной воды и углекислого газа, почти без образования копоти, да ещё и легкоплавкое (45–65ºС). Освоение переработки нефти позволило полностью перейти на производство парафина из «жидкого золота», в котором подобные твёрдые углеводороды могут составлять до 20%. И если сейчас зайти в хозяйственный магазин, то на полках обязательно окажутся свечи из смеси парафина с другими углеводородами, чаще всего со стеарином.
Свет из газа
Газообразные вещества при горении, как оказалось, гораздо ярче жидких и твёрдых веществ, известных в XIX веке. Кроме того, газ позволил сделать ранее невозможное — полноценно осветить ночные улицы городов. Одним из первых стал «светильный газ», состоящий из водорода (45%), метана (35%) и угарного газа (8%), правда, последний ингредиент делал его токсичным для человека. Как его получали в самом начале XIX века? Для этого пришлось изобрести процесс пиролиза каменного угля — основного топлива тех времён. При нагреве только одной тонны такого полезного ископаемого получали, помимо всего прочего, более 200 кг или 300 м3 газов. Есть один нюанс — нагревать каменный уголь приходится без кислорода, иначе он просто сгорит. Полученные в результате пиролиза горячие газы охлаждали, пропускали через воду и теперь «светильный газ» можно было подавать в уличные фонари. Первые зажгли в 10-е годы XIX века в Лондоне и буквально за несколько лет уличные фонари появились и в других крупнейших городах мира.
Мощным толчком к новым открытиям в области химии света стало изобретение автомобиля. Необходимость перемещения по дорогам в ночное время рождала потребность в ярких и надёжных фарах. Постоянно возить с собой громоздкий бак со «светильный газом» было неудобно и опасно. Поэтому искали варианты, как получать газ прямо на борту автомобиля. В 1896 году французский изобретатель Луи Блерио предложил в этих целях использовать ацетиленовую лампу и генератор. В основе всего был карбид кальция CaC2 , который выступал главным реактивом в реакции:
CaC2 + H2 O => C2 H2 + Ca(OH)2 .
Водитель с наступлением сумерек просто открывал небольшой кран: вода капала на карбид кальция и из генератора в фару поступал ацетилен C2 H2 . Далее стоило его поджечь и горящий ацетилен пронизывал тьму трёхсотметровым пучком света. Всё было хорошо в этой системе, только возни с ней много — нужно было куда-то утилизировать щёлочь Ca(OH)2 , следить за наличием карбида и воды, чистить фары от копоти. В общем, когда появилась на свет лампа накаливания, все с радостью отказались от хлопотных «карбидок».
Он подействовал водой на карбид калия:
К2 С2 + Н2 О = С2 Н2 + 2КОН
и получил новый газ, который назвал двууглеродистым водородом. Этот газ был, в основном, интересен химикам с точки зрения теории строения органических соединений. Как только был разработан дешёвый способ получения карбида кальция нагреванием смеси угля и негашеной извести:
СаО + 3С = СаС2 + СО,
ацетилен стали использовать для освещения. Ацетиленовые горелки давали в 15 раз больше света, чем обычные газовые фонари, которыми освещали улицы. Постепенно они были вытеснены электрическим освещением, но ещё долго использовались в небольших фонарях на велосипедах, мотоциклах, в конных экипажах.
Горящая спираль
С появлением электричества физика активно вторглась в химическую историю света. В первых лампах использовали чрезвычайно яркую электрическую дугу, возникающую при подаче большого напряжения на два углеродных электрода. Минусом было выгорание электродов, что заставляло инженеров сооружать сложную систему их сближения по мере расходования. Вся проблема заключалась в кислороде воздуха, беспрепятственно вступающим в реакцию горения углерода. Светящееся тело решили изолировать в стеклянную колбу, очень похожую на современную лампочку. От яркой дуги также пришлось отказаться в пользу нити накаливания из металла. Из курса физики мы знаем, чем сильнее раскалено тело, тем больше оно излучает света. Также не стоит забывать, что тело должно обладать высоким сопротивлением, чтобы при нагревании превращать тепло в свет. А какой металл можно раскалить до очень высокой температуры и при этом не расплавить его? Правильно, вольфрам! Этот металл, обладая температурой плавления около 3380ºС, стойко выдерживает 2700ºС в обычной лампочке накаливания. Но и его во избежание испарения металла приходится заключать в атмосферу инертных аргона и азота. Для продления срока службы в лампочку добавляют ещё благородный криптон. Сравните: первая лампа накаливания Эдисона, зажжённая в 1879 году, горела 40 часов, а современная криптоновая уже способна излучать свет более 3000 часов. Но и этого оказалось мало — появились мощные и гораздо более долговечные галогеновые лампы, в атмосферу которых добавили совсем чуть-чуть йода. Это стало возможным благодаря американскому учёному Ирвингу Ленгмюру, открывшему в 1915 году галогенный цикл, в ходе которого оторвавшиеся от спирали атомы вольфрама не долетают до стенок колбы, а вступают в реакцию с йодом. Такой йодид вольфрама распадался уже у поверхности спирали и металл снова возвращался в рабочее состояние. Это позволило на пару сотен градусов увеличить температуру свечения металла, что автоматически повысило яркость «галогенок». Они нашли заслуженное место в автомобильных фарах и домашнем освещении. Однако высокие температуры негативно сказываются на экономичности освещения — потери на тепло выливаются в траты на электроэнергию. Поэтому конструкторы снова обратили внимание на освещение с помощью газов.
Вся проблема заключалась в кислороде воздуха, беспрепятственно вступающим в реакцию горения углерода. Светящееся тело решили изолировать в стеклянную колбу, очень похожую на современную лампочку
Томас Эдисон не был автором идеи ламп накаливания
Исследования в этой области велись более полувека на момент их изобретения. Величайшая заслуга Эдисона была в создании практически осуществимой системы электрического освещения с прочной нитью накаливания и устойчивым вакуумом.
От ртути до кремния
Этот эксперимент проводить в условиях школьной лаборатории нельзя, поэтому давайте пофантазируем. В прочную колбу из тугоплавкого кварцевого стекла под большим давлением (до 30 атмосфер) поместим пары ртути, немного дорогого благородного газа ксенона и ещё чуточку йодидов натрия и скандия (NaI и ScI2 ) для белого свечения. Плотно закроем колбу и подадим на расположенные в ней электроды 28-киловаттный импульс переменного тока частотой 400 Гц. И… колба засветится белым светом такой яркости, что без защиты можно и ослепнуть. Такова упрощённая конструкция ксеноновой лампы, успешно применяемой в кинопроекторах, прожекторах и автомобильных фарах. Плюсов у такой лампы море — не боится встряски, почти не греется, очень и очень долговечная, но сложная в изготовлении и поэтому дорогая, к тому же содержит токсичную ртуть. Правда, последнюю проблему научились решать, заменив этот металл на безопасный йодид цинка (ZnI2 ).
Следующим в нашей химической истории стал светодиод (LED — light-emitting diode) — полупроводниковое устройство, преобразующие энергию электрического тока в световую. Основу таких источников света заложили ещё в начале XX века с открытием явления электролюминесценции, когда в опытах кристалл карбида кремния (SiC) под действием электрического тока начинал светиться. Позже кристаллы арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP) и полупроводниковые структуры на основе GaAsP стали тем фундаментом, на котором формируется современное светодиодное освещение, как самое экономичное, безопасное и долговечное. Но и это ещё не финиш нашей истории химии света. Оказывается, автомобильные инженеры недавно придумали лазерные фары! Конечно, никто не собирается освещать ночное шоссе лучами лазера — это было бы и опасно, и совсем не эффективно. Лазер в такой фаре облучает специальный YAG-люминофор из иттрий-алюминиевого граната с небольшими примесями церия, ярко светящийся в таких условиях на дальность 600–700 метров, чего пока не может никто более. Станет ли такая технология общедоступной — покажет время, а пока познакомиться с лазерной фарой можно на представительском автомобиле последнего поколения BMW 7. Безусловно, дорого и сложно, но экономично, компактно и очень ярко.
