21. srpna 2014 v 5:16 | Petr
|
Opakovaně jsem od mnohých čtenářů na adresu svého blogu slyšel, že "elektronika a roboti ujdou, ale chemie je skvělá" - jelikož články o chemii mi dají tak 5% práce, co články o robotech - tak to spíše vypovídá o překvapivě malém množství informací o chemii mezi lidmi. Nicméně mezi elektronikou a chemií je disciplína "elektrochemie" nebo jak analytiční chemici říkají "instrumentální analýza" a tam dneska zabrousíme.
Ergo - co to jsou elektrody druhého řádu ? Patrně něco podřadného, co si může vidlák postavit doma, aby jimi nahradil elektrody prvního řádu ???
Tedy na obrázku máte "indikátor zálivky" z Rudého Práva - elektrický obvod, který vyšel v příloze "Haló Sobota" jak návod pro mladé elektroniky někdy v roce 1982 a protože jsem měl tehdy pár tranzistorů KC508 a LEDek LQ100 tak jsem jich postavil více a dokonce jsem za to v jakési školní akci dostal pochvalu.
Princip snad ani nemusím vysvětlovat - elektrody IN a GND se zapíchl do hlíny v květináči a vodivost vlhké půdy zkratovala bázi tranzistoru - takže LEDka nesvítila. Když hlína vyschla - zkrat přestal a LEDka se rozsvítila jako varování "zalij mně".
Zkušení elektronici vědí v čem je problém - elektrodami - které měly podobu dvou drátků - protéká stejnosměrný proud, který ve vhlké hlíně drátky postupně "elektrolyzuje" až upadnou. Každý elektronik mi taky okamžitě napíše do komentáře "takové věci musíš měřit střídavým proudem" - protože použití střídavého proudu znamená, že každá elektroda je chvíli anoda, chvíli katoda a tudíž se (tak rychle) nerozpadne.
Nebudu namítat, že primitivní jednoduchost obvodu se zavedením "střídavého proudu" změní v monstrozitu nevídanou (viděl jsem něco podobného s NE555).
Přestavte si jinou situaci - měl jsem postavené EKG, kterým jsem snímal našeho psa. Elektrody jsem měl udělané jako "
za krále klacka" - mosazné desky, které se "
Esmarchem" (gumovým škrtidlem) psovi připásaly na vyholený hrudník. Psi se sice nepotí, ale i tak se po čase elektrody pokryly měděnkou a pejsek měl na hrudníku zelené fleky od solí mědi. Jak tam postupovat se "
střídavým měřením" když elektická aktivita srdce má charakter (téměř) DC napětí o velikosti asi 1 mV ?
Čili právě jsme viděli "elektrody prvního řádu" a jejich selhání v akci. Mohou nám "Elektrody druhého řádu" nabídnout něco více ? Nezbývá než zabrousit do teorie:
Tedy Elektrody 1 řádu jsou elektrody u kterých dochází k přímému kontaktu kov - roztok soli. Ano je to tak - kůže, voda ve studni, hlína v květináči a všechno mimo nepolárních rozpouštědel a redestilované vody jsou roztoky solí. Při ponoření elektrody 1. řádu do roztoku soli se elektroda "polarizuje". De - facto vzniká elektrický článek jehož napětí směřuje proti průchodu proudu který roztokem pouštíme. Paradoxní je, že elektroda se polarizuje i bez průchodu proudu a paradoxní je, že napětí na polarizované elektrodě je dosti vysoké i tehdy když je vrstvička "zoxidovaného kovu" na povrchu elektrody jen molekulárně tenká a tudíž okem neviditelná.
Jaké jsou technické možnosti předejití polarizace ?
- Používáme elektrody z mimořádně inertních materiálů - rhodium, iridium, palladium, a v nejhorším i platina nebo zlato.....
- Používáme elektrody jejichž povrch se obnovuje - tedy měděnou elektrodu přetáhneme občas (často) šmirglem nebo my chemici používáme občas "rtuťovou kapkovou elektrodu" - tedy z kovové trubičky kape rtuť a na povrchu zvětšující se rtuťové kapky je nepatrný úsek plochy "čerstvé nepolarizované rtuti"
- Použijeme elektrody 2. řádu.
Ještě než se vrhneme na elektrody 2. řádu zastavil bych se u bodu 1 - palladium, rhodium, iridium a (v nejhorším) zlato. Není to na vidláka příliš drahé ? Ano je a pokud chcete s problému s upadajícími drátky nějak vybruslit - máte alternativu a tou je GRAFIT - neboli uhlík, neboli tuha do tužky, neboli prostřední elektroda ze zinko-uhlíkové baterky. Kdybych udělal elektrody z tuhy - neměl by "indikátor zálivky" žádné problémy. Přesněji řečeno elektroda by se polarizovala a napětí na ní by pomaličku rostlo, ale drátky by neupadly.
Teprve teď se dostáváme k meritu věci - pokud drát ve vodě nefunguje, neboť se jeho povrch pokryje oxidy a solemi - nemohli by chemici nad tímto procesem nějak "převzít iniciativu". A sláva - přesně takto fungují elektrody 2 řádu.
Příklad - klasická elektroda 2 řádu, která ve vodných roztocích "z definice" poskytuje napětí 0V je "vodíková elektroda" - do roztoku je ponořen platinový drátek kolem kterého probublávají bubliny vodíku, které vytvářejí na povrchu platiny vrstvičku hydridu platiny - který je de facto teprve povrch elektrody. Platina je mimořádně inertní a navic se vrstvička hydridu neustálým bubláním vodíku stále obnovuje....
Složité ? Tak si vezmeme jednodušší variantu zvanou Argent-chloridová elektroda. Nebo taky Ag-AgCl elektroda. Dostanete infarkt (z manželky), přijede záchranka a plácnou vám na hrudník "tři kulaté lepky" na kterých je "čudlík" na který se přidělají dráty a už se snímá EKG. Co je "uvnitř lepky" ? Gel, který je nasycený chloridem draselným a do něho je zapíchnutý stříbrný drátek, který je pokrytý vrstvou chloridu střibrného. Pokud se místo ve zdravotnictví pohybujete v laboratoři vypadá Ag-AgCl elektroda jako na obrázku, ale princip je stále stejný.
Tedy i tato elektroda se postupně rozpadá - vtip je v tom, že stříbra ubývá a mění se na Chlorid stříbrný a ten se zase rozpouští v chloridu draselném. Vtip 2 je ale v tom, že "cesta elektronů" z měděného drátu do stříbrného drátu (Ag) odtud do vrstvy chloridu (AgCl), odtud do KCl a odtud do pacienta - je stále stejná, přestože se postupným (velmi pomalým) rozpadem elektrody všechna tato rozhraní "postupně posouvají" směrem dovnitř stříbrného drátku....
Životnost Ag-AgCl elektrody je opravdu veliká. máme v práci přistroj, ve kterém je elektroda už 10 let a jenom se "dolívá KCL" ale přesto chemici mají požadavky na elektrody do agresivního prostředí, proto se občas používá i "kalomelová elektroda". Kalomel je chlorid rtuťný Hg2Cl2- jedna z nejhůře rozpustných solí ve Vesmíru. Struktura elektrody je zcela stejná jako Ag-AgCl - drátek je ponořen do rtuti, která tvoří kapku kovu uvnitř "hromádky" kalomelu a kolem je KCl - chlorid draselný. Funkce je samozřejmě stejná - pouze tato elektroda má problém s toxicitou a korozivitou rtuti.
Doufám, že je jasné, že elektrody II. typu jsou v tektutém prostředí prakticky nezničitelné, ale doufám, že je taky jasné, že jsou vhodné jenom pro signálové použítí - pro proudy v ampérech musíme použít elektrody 1. druhu (grafit) a spokojit se s jejich ubýváním.
Obávám se, že jsem opět zcela vyčerpán, a píšu už jenom radu pani Kubáčové novomanželkám - Zlato platina iridium, rhodium - doufám, že nebudete hystericky vyvádět až uvidíte obsah své šperkovnice s naletovanými dráty a ponořené do roztoku pochybného původu.
Překvapivě malé množství informací o chemii mezi lidmi versus množství informací o elektronice odpovídá poměru amatérských chemiků a amatérských elektroniků. Tento poměr zase odpovídá určité atraktivitě oborů. Ne že by chemie nebyla atraktivní, ale dostupnost součástek pro zajímavá zapojení a dostupnost chemikálií pro "zajímavé" reakce je nesrovnatelná. Opatřit si dnes tranzistor s ft v desítkách GHz, nebo jednočip s výkonem, že by uřídil Apollo 13 klidně až k Saturnu je jen otázka trochy peněz. Sehnat dnes HNO3, nebo konc. H2SO4 je pro normálního smrtelníka takřka nemožné, přitom (jak pravil jeden prodejce chemikálií) tyto kyseliny jsou "krev" laboratoře. Na druhou stranu moje manželka má u těchto oborů rozděleny vědomosti zhruba 50% na 50%, o elektrice ví, že kope a 18ka jezdí do Dejvic a o kyselinách a hydroxidech ví, že žerou.
Co se týče elektrod, jen tak pro zajímavost mě napadlo, jakého druhu by byla elektroda vakuová (elektronová)? Narážím na jednu zajímavou elektrolytickou výrobu velice čistého sodíku, při které se do taveniny sodné soli ponořila baňka žárovky, která tvořila katodu. Při teplotě taveniny jsou sodné ionty ve skle již dobře pohyblivé a tak mohou přecházet z taveniny do skla a procházet jím až na vnitřní povrch baňky. Emise elektronů že žhavého vlákna vytváří dostatečný přísun elektronů na vnitřní povrch baňky, aby docházelo k vylučování kovového sodíku.