Лампочка в электролите

Как известно из школьного курса химии, стекло получают сплавлением соды (Na₂CО₃), мела (CaCO₃) и кварцевого песка (SiO₂).

А из курса физики мы знаем, что из раскаленной спирали, если она отрицательно заряжена, вылетают электроны.

Серебристый налет — это наверняка металл, ведь большинство серебристых веществ — металлы. Если бы расплав соли (NaNO₃) не реагировал с металлом, который из этой соли может получиться (то есть c натрием), то всё было бы просто. Например, при электролизе расплава хлорида натрия NaCl на отрицательно заряженном электроде (катоде) выделился бы натрий, а на положительном (аноде) — хлор. Но в случае NaNO₃ натрий мгновенно бы прореагировал с расплавом.

В лампочке с раскаленного катода (его роль выполняет спираль лампы) летят отрицательно заряженные частицы — электроны (см.: термоэлектронная эмиссия). Достигая поверхности стекла, они взаимодействуют с ионами натрия, которые есть как в стекле, так и в расплаве NaNO₃, и восстанавливают их до металла: Na⁺ + e^– = Na. Стекло выполняет роль электролита, то есть ионы натрия в нём движутся от расплава NaNO₃ к внутренней поверхности лампочки где и превращаются в серебристый налет натрия.

На положительно заряженной металлической пластинке (аноде) идет другая реакция: 2NO₃^– – 2e^– = 2NO₂ + O₂. В результате как бы происходит электролиз расплава NaNO₃, но благодаря мембране из стекла и вакууму внутри лампочки натрий всё же образуется и ни с чем не реагирует дальше.

Если бы вместо расплава нитрата натрия NaNO₃ мы поместили лампочку в расплав нитрата калия КNO₃, то стекло бы треснуло, поскольку ионы калия значительно крупнее ионов натрия и, вместо того чтобы «просочиться» сквозь стекло (там образуются полости как раз размером с ионы натрия за счет тех ионов натрия, которые уже восстановились в металл), ионы калия продавили бы стекло лампочки вовнутрь.

На способности стекла адсорбировать и отчасти проводить сквозь себя заряженные частицы (то есть быть твердым электролитом) основаны так называемые стеклянные электроды в приборах по измерению pH (концентрации ионов водорода H⁺) или других ионов, например того же калия или натрия (см.: ионоселективный электрод, ИСЭ). Такой электрод содержит тонкую мембрану из стекла с порами размером именно с тот ион, концентрацию которого он измеряет. Когда соответствующий ион присутствует в растворе, то он адсорбируется на стекле, частично заполняя поры в нем. Из-за того что ионы заряжены, возникают электрические эффекты, которые уже можно измерить чувствительным прибором и пересчитать на концентрацию иона.

Кроме того, твердые электролиты (уже не стекло, как в этой задаче, а система Na₂O · 11Al₂O₃ — полиалюминат натрия) используются в серно-натриевых аккумуляторах. Их емкость существенно превышает большинство обычных типов аккумуляторов.

Еще интересный эффект, но уже на другую тему — электролиз растворов солей натрия на ртутном катоде. При электролизе водного раствора например NaCL на катоде (не ртутном) натрий не выделяется, а выделяется водород (из воды) а около катода накапливается NaOH. На ртути же реакция 2H⁺ + 2e^– = H₂ протекает очень неохотно, а вот натрий — образуется (Na⁺ + e^– = Na) и растворяется в ртути. Получившаяся амальгама натрия (амальгама — это сплав металла со ртутью) хоть и реагирует с водой но медленно. Если ртуть испарить, то можно тоже получить чистый натрий как и в случае электролиза с лампочкой.