Электроника?.. Нет ничего проще! - [19]

Так, например, ты можешь измерить уровень жидкости в непрозрачном стальном баке, если с одной стороны поместить источник радиоактивного излучения, а другой стороны — счетчик Гейгера (рис. 33); чем выше уровень жидкости, тем сильнее поглощается излучение. Таким же образом можно измерить толщину выходящего из прокатного стана стального листа — достаточно лишь определить, какая часть ядерного излучения прошла через этот стальной лист.

Рис. 33.Даже в непрозрачном баке можно измерить уровень жидкости. В зависимости от высоты уровня жидкость больше или меньше поглощает ядерное излучение источника; прошедшее излучение измеряется счетчиком.

Н. — Этот метод представляется многообещающим.

Л. — У меня нет времени, а то я рассказал бы тебе об обнаружении изъянов в толще металла, об очистке, о медицинских и многих других областях использования радиоактивных изотопов. В заключении этого раздела я хочу рассказать тебе о преобразователях, чувствительных к химическому — воздействию.

Электрохимия ионов

Н. — Но в химии я не так-то силен.

Л. — Беда не велика. Тебе сейчас достаточно лишь знать, что химические реакции представляют собой не что иное, как электрические взаимодействия между различными ионами (сейчас я говорю только о химии растворов). Кислотой называют вещество, которое в растворе освобождает водородные ионы Н⁺, т. е. водородные атомы, потерявшие свой электрон.

Н. — Следовательно, это протоны.

Л. — Совершенно верно. И эти протоны горят желанием возвратить утерянный электрон, и чаще всего они забирают его у отрицательных ионов, обладающих избытком электронов. Например, в растворах имеются ионы, именуемые гидроксильной группой ОН^-, состоящие из одного атома кислорода, одного атома водорода и одного лишнего электрона. Эти ионы стремятся соединиться с ионами Н⁺.

Рис. 34. Если к двум опущенным в воду электродам приложить разность потенциалов, то ионы Н⁺ направятся к катоду, где получат недостающий им электрон и превратятся в водород. Это явление называется электролизом (ионы ОН^- отдают свой заряд на аноде и разлагаются с выделением кислорода).

Н. — и что получается в результате?

Л. — Просто-напросто вода Н₂О — нейтральное соединение. Молекулы воды в свою очередь имеют некоторую тенденцию распасться на ионы Н⁺ и ОН^-, но таких молекул крайне мало: чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

Протекающую реакцию записывают следующим образом:

Двойная стрелка обозначает, что реакция может протекать в обоих направлениях, но происходит она преимущественно в направлении справа налево. На основе одного химического закона можно доказать, что произведение количества содержащихся в воде ионов Н⁺ (концентрация, обозначается | Н⁺|) на количество содержащихся в воде ионов ОН^- (обозначается | ОН^-|) всегда постоянно и равно | Н⁺| х | ОН^-| = 10^-14.

Н. — В самом деле, не очень много! Это составляет одну стотысячную одной миллиардной! Как же обозначают цифрами такие концентрации?

Л. — Их выражают в «грамм-ионах на литр» (г·ион/л), т. е. числом, показывающим, сколько раз 1 г ионов Н⁺или 17 г ионов ОН^- содержится в литре (что соответствует 6·10²³ настоящих ионов). Само собой разумеется, что взвесить ионы нельзя, так как нет возможности получить их в свободном состоянии. Но их количество можно определить косвенными методами. Например, можно возвратить ионам Н⁺ недостающие им электроны, в результате чего получится газ водород (рис. 34), объем которого можно замерить, а это даст нам и вес (примерно 1 г на 11 л).

Показатель pH

Н. — По твоему уравнению диссоциации количество ионов Н⁺ должно точно соответствовать количеству ионов ОН^-. Разве не так?

Л. — Да, если бы я не добавил в воду постороннее вещество. Ну и раз ты находишься на верном пути, скажи мне, какова концентрация ионов Н⁺ в чистой воде.

Н. — Это можно рассчитать. Если | Н⁺| = | ОН^-|, а их произведение равно 10^-14, то концентрация каждого из названных ионов составляет 10^-7.

Л. — Прекрасно. Если теперь я добавлю в воду кислоту, которая высвобождает большое количество ионов Н⁺, то концентрация ионов ОН^- снизится, потому что произведение | Н⁺| х | ОН^-| остается равным 10^-14. Чем больше ионов Н⁺, тем более выраженный кислотный характер приобретает раствор. Теперь принято измерять количество ионов Н⁺ в растворе и обозначать его логарифмом в сопровождении значка Н⁺, эту величину называют водородным показателем pH раствора.

Н. — О! Опять логарифмы! Они приводят меня в ужас.

Л. — Все это не так страшно. Запомни только логарифмы некоторых чисел:

Н. — Значит, логарифм всего лишь показатель степени числа 10?

Л. — Видишь, ты сам это понял. Когда говорят, что pH раствора, например, 6, это означает, что концентрация ионов Н⁺ в этом растворе составляет 10^-6. Ты знаешь, что очень чистая вода имеет показатель pH, равный 7. У кислых растворов показатель pH меньше 7…

Н. — Нет, ты ошибаешься! В кислых растворах концентрация ионов Н⁺ выше.

Л. — Подожди, Незнайкин, разве ты не согласен, что 10^-2 (или 0,01) все же больше, чем 10^-7 (или 0,0000001)?

Н. — Согласен, ты прав. Но скажи, пожалуйста, до какого уровня может опуститься показатель pH в очень кислых растворах?