Chapitre 3 Electrochimie - construire une bombe à hydrogène plastique
La bombe à hydrogène en plastique
On dirait que l'arme terroriste parfaite. mais il est un jouet qui enseigne les principes de l'électrochimie. Il est également un pistolet à eau high-tech.
La bombe à hydrogène utilise de l'électricité en plastique pour briser les molécules d'eau en hydrogène et oxygène. Ensuite, il utilise une étincelle d'électricité à recombiner les gaz dans une explosion de vapeur à haute pression, qui propulse un jet de haute eau dans l'air.
La construction est un peu plus difficile que les autres jouets dans ce livre, mais les compétences acquises en construisant ce jouet peut être mis à profit la construction de nombreux autres appareils et œuvres d'art.
Chapardage pour les matériaux de fabrication de bombes.
La bombe est faite à partir de ces matériaux:
- Résine de polyester et de catalyseur. Cela peut être trouvé dans les magasins de passe-temps et les quincailleries.
- Deux tiges de carbone de batteries bon marché (ou gros connecteurs plaqués or)
- Un dispositif d'allumage piézo-électrique à partir d'un briquet électronique Scripto
- Un clip pile de 9 volts
- Paraffine (à partir d'une bougie blanche pas cher)
- fil de cuivre isolé (environ 20 à 22 jauge)
- Souder
Comment fonctionne la bombe.
Sous forme schématique, la bombe ressemble à ceci:
La batterie de 9 volts est connectée aux tiges de carbone, qui sont sous l'eau dans la chambre de bombe. L'eau se décompose en un atome d'hydrogène et d'oxygène, qui est piégé dans la moitié supérieure de la chambre. L'allumeur piézo-électrique à partir du briquet électronique est poussé, ce qui provoque une étincelle pour sauter l'éclateur, qui enflamme l'hydrogène et l'oxygène. La vapeur à haute pression qui en résulte force l'eau à travers les tubes de sortie, en l'air.
Les premières tentatives de construction de la bombe.
La première bombe a été construit, je fait entièrement avec la méthode « coulée à la cire perdue » utilisée par des artistes, sculpteurs et joailliers.
Dans la méthode de la cire perdue, un modèle de l'objet fini est en cire, puis le plâtre est coulé sur la cire et on laisse durcir. Enfin, la cire est fondue sur le plâtre durci, et le creux est rempli de métal en fusion, qui se refroidit dans la même forme que le modèle de cire d'origine. Le plâtre est écorchée, et la pièce finie d'art ou de bijoux est nettoyé et poli.
Avec la bombe, on élimine toutes les étapes après la cire a été fondue hors du moule, étant donné que l'objectif est de construire un creux dans la matière plastique dans laquelle les tiges de carbone et éclateur font saillie.
La première bombe est présentée ci-dessous:
Notez que l'espace d'étincelle dans la partie supérieure de la bombe est faite de tiges de carbone. Les versions ultérieures utilisent un éclateur simple en fil de cuivre.
On peut voir le fil rouge du clip de la batterie passe à la tige de carbone au niveau du fond de la chambre hémisphérique. Vous pouvez voir un tube rectangulaire incurvée du fond de la chambre et sortant à la partie supérieure du dispositif. Ce tube a été formé à partir d'une feuille mince de cire, et est là pour laisser l'eau dans et hors de la chambre. Il y a un autre tube comme sur l'autre côté. Le bleu en bas est une pile de billes de plastique que le modèle en cire était assis sur le moment où le plastique liquide a été versé sur elle.
Le problème avec la version de la cire perdue est que vous ne pouvez pas voir le fonctionnement interne très bien. Ma prochaine tentative a utilisé une boîte en plastique transparent et certains tubes en plastique transparent. Elle a explosé dans mon visage sur la première tentative de l'utiliser. Les restes sont présentés ci-dessous.
La boîte en plastique n'a pas été assez forte pour contenir la force de l'explosion, et les tubes en plastique étaient trop étroites et trop longtemps pour laisser l'eau assez vite pour empêcher le plastique d'être déchiquetés. Cependant, la nouvelle éclateur, en fils de cuivre torsadés, a parfaitement fonctionné.
Dans un critère suivant, la boîte en matière plastique est entièrement recouvert de la résine de polyester, de sorte que les parois de la chambre sont au moins d'un demi-pouce d'épaisseur. Les tubes d'entrée / sortie sont percés dans la matière plastique, de sorte qu'elles sont droites et larges. Un peu de la technologie de la cire perdue est utilisée pour fournir une cible pour le forage, et de sorte que la cire peut supporter les tiges de carbone et de l'éclateur.
Détails de construction
La construction commence par l'enlèvement de deux tiges de carbone à partir d'un couple de vieilles piles au carbone-zinc façonné. Ce sont le type pas cher, comme le Eveready « Classic » ou types « Heavy Duty » Radio Shack, pas les piles alcalines qui ont largement remplacé les couramment utilisés.
Sur la photo ci-dessous l'une des piles a le couvercle et le haut enlevé pour montrer la tige de carbone collant vers le haut sur le joint en carton. Un petit twist et tirer et la tige glisse à droite sur, et peut être lavé et utilisé.
Ensuite, nous attachons un fil de cuivre isolé aux tiges de carbone en dépouillant l'isolation hors de quelques pouces du fil à une extrémité, et l'enroulement de plusieurs tours autour de la tige, pour faire une bonne connexion. Le fil est tordu hermétiquement pour maintenir la connexion sécurisée.
L'éclateur est réalisée en pliant le fil de cuivre isolé autour d'un crayon, puis la torsion des extrémités hermétiquement pour un couple de pouces. La boucle est alors coupé, et une partie de l'isolant coupé à partir des extrémités.
L'éclateur et les tiges de carbone sont ensuite placés dans la boîte en plastique transparent (la boîte de bonbons Tic-Tac fera si vous ne disposez pas d'une boîte comme dans cubical la photo). La boîte est remplie d'eau jusqu'à environ la moitié d'un pouce du haut. Ensuite, la cire fondue est coulée sur le dessus de l'eau pour sceller la surface, et l'éclateur et des tiges. Lorsque la cire a durci, il peut être un peu desserrée pour évacuer l'eau, puis remplacé pour sceller la boîte.
Maintenant, nous attachons deux gros morceaux de cire au fond qui formera des canaux creux pour laisser l'eau et sortir. Si vous le souhaitez, vous pouvez étendre ces tout le chemin jusqu'au sommet, ce qui rend les canaux de section carrée. J'aime percer les canaux plus tard, mais qui pourraient vous intéresser les gens à défier deviner comment vous avez percé des trous carrés dans le plastique.
La prochaine étape consiste à démonter le briquet électronique pour obtenir le dispositif d'allumage piézo-électrique.
Les plus grands briquets utilisés pour cheminée d'éclairage ont des allumeurs plus grands qui sont plus faciles à souder.
Vous pouvez voir la plus grande ignitor est soudée à l'éclateur dans la photo de la boîte de son côté quelques photos plus tôt. Les fils de l'élément de batterie de 9 volts sont également soudés sur les fils qui vont aux tiges de carbone.
La coulée de la résine de polyester se fait en trois étapes. Un bol de Tupperware a été utilisé pour le moule. La première coulée est une couche mince sur le fond du bol. Cette couche est laissé à durcir, à être une base sur laquelle sont assis les tiges de carbone et le reste de l'appareil.
La couche suivante de coulée est une moitié d'un pouce d'épaisseur, et maintient les tiges de carbone en place, et couvre les stabilisateurs de cire au fond de la boîte. Cette couche est également autorisée à durcir avant la dernière couche est versée. Cela garantit que le caisson creux ne flotte pas au sommet du moule lorsque la dernière couche est versée.
La dernière couche est ensuite versé, et doit couvrir complètement la partie supérieure de la boîte à une épaisseur d'au moins une moitié d'un pouce. Il couvrira également les connexions soudées sur le dispositif d'allumage piézo-électrique, mais ne doit pas toucher les pièces mobiles ou pénétrer à l'intérieur du dispositif d'allumage, ou l'allumeur sera bloqué et ne fonctionne pas.
L'avant-dernière étape est de forer les trous d'entrée et de sortie. J'utilise un foret 1/4 pouces. Enfin, la cire est fondue en plaçant le projet dans un four chaud (pas plus de 150 degrés Fahrenheit), dans une casserole sur le dessus de newpapers pour attraper la cire fondue.
Vous pouvez voir les résultats dans la photo ci-dessus.
Une légère variation
Les tiges de carbone sont utilisés parce qu'ils ne se désintègre pas lorsque le courant électrique est exécuté par l'eau. Si nous avons utilisé serait consommé fil de cuivre, un fil à l'écart, et l'autre obtiendrait un placage de boue de cuivre sur ce qui a été retiré de l'autre fil.
Cependant, si l'on utilise un métal moins réactif, comme l'or, cette destruction du fil aura lieu beaucoup plus lentement, et le jouet peut être utilisé plusieurs fois sans aucun changement notable.
Pour tester cela, j'ai fait une bombe de conception similaire à celle que nous venons de faire, mais en utilisant certains connecteurs plaqués or utilisés pour les connexions stéréo haut de gamme.
Le résultat est une jolie bombe:
Utilisation de la bombe.
Pour utiliser le jouet, tenez sous un robinet, incliné de sorte que l'eau peut pénétrer dans un trou et de l'air peut sortir de l'autre. La chambre doit être seulement à moitié plein, avec une bulle d'air mettant l'éclateur à sec.
Brancher une pile de 9 volts, et montre que de minuscules bulles de forme hydrogène et d'oxygène sur les tiges de carbone (ou électrodes d'or).
Après environ 15 à 20 minutes, assez de gaz auront formé pour la bombe d'exploser avec un bel effet. Notez que, lorsque la forme de gaz, l'eau se déplace, et les fuites sur les trous percés. Tenir la bombe à bout de bras, puis appuyez sur la ignitor jusqu'à ce qu'un déclic. L'eau restant dans la bombe et les tubes va tirer sur, couvrant le plafond et les spectateurs.
Il y a quelques années, je mes jouets démontrant la science sur une émission de télévision. Avant le spectacle a commencé taping, nous avons rempli une bombe et branché dans la batterie.
Après avoir décrit et la démonstration d'autres jouets pendant environ 25 minutes, il était presque le temps d'aller. Je tenais la bombe dans mes mains, et cliqué sur le ignitor, mais rien ne se passe. Je clique sur un peu plus de temps, marmonnant quelque chose au sujet de l'éclateur étant humide.
Soyez très prudent avec des bombes.
Pourquoi ça fait ça?
L'utilisation de l'électricité pour briser l'eau est appelée électrolyse (du grec « relâchement par l'électricité »).
L'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sous forme liquide, les molécules sont constamment en briser des pièces chargées électriquement, puis se remettre ensemble. Les pièces électriquement chargées sont des ions appelés.
rompt l'eau jusqu'à en ions par la perte de l'un des atomes d'hydrogène. Le noyau de l'atome d'hydrogène rompt, laissant derrière son électron, les deux autres atomes. Ainsi, nous avons une H + en ions d'hydrogène chargés positivement. et un ion hydroxyle chargé négativement, OH -.
L'une des tiges de carbone est fixé à la borne négative de la batterie, et a un excès d'électrons. Cette électrode est appelée la cathode. Les électrons en excès attirent les atomes d'hydrogène chargés positivement à la cathode.
La réaction à la cathode est décrite chimiquement comme:
L'autre électrode est appelée l'anode. La batterie a tiré des électrons de l'anode, le laissant avec une charge positive. Cette charge positive attire les ions hydroxyle chargés négativement à l'anode. Quatre ions hydroxyle se rassemblent et forment deux molécules d'eau et une molécule d'oxygène, tandis que donneur quatre électrons à l'anode.
La réaction à l'anode est décrite chimiquement comme:
L'oxygène forme des bulles et monte à travers l'eau pour adhérer à l'hydrogène.
Il faut beaucoup d'énergie pour séparer les ions H + de ions OH -. Cette énergie est stockée sous la forme de gaz d'hydrogène et d'oxygène. Une partie de l'énergie provient de la liaison chimique entre les deux atomes d'hydrogène dans la molécule d'hydrogène. De même, l'énergie provient de la liaison entre les deux atomes d'oxygène dans la molécule d'oxygène. La plupart de l'énergie provient de la batterie. Toute cette énergie est « stockée » par la simple séparation des gaz dans leurs molécules respectives. Si nous pouvions faire les atomes de se réorganiser pour former à nouveau l'eau, serait libéré cette énergie.
Afin de provoquer des gaz à la réforme que l'eau, il faut d'abord ajouter un peu d'énergie pour rompre la liaison entre les atomes d'hydrogène, et un peu plus pour briser les liens entre les atomes d'oxygène. Seulement lorsque ces liens sont rompus seront les atomes libres de réorganiser pour former d'autres molécules.
L'énergie pour rompre les liaisons moléculaires dans les gaz est fourni par l'étincelle. Il brise les molécules de gaz dans leurs atomes, de sorte qu'ils peuvent se recombiner dans H2 O, libérant l'énergie stockée sous forme de chaleur.
La chaleur de ces premiers recombinaisons suffit à briser plus des molécules de gaz, ce qui leur permet de se recombiner dans l'eau aussi. Cette réaction se produit rapidement, la consommation de tous les gaz, et la production d'un peu de chaleur. La quasi-totalité de l'énergie de la batterie mis dans le système pendant 20 minutes est libéré dans une petite fraction de seconde.
Le H2 O qui résulte de la réaction est trop chaude pour être un liquide. Il est un gaz dont il provoque la chaleur d'étendre à prendre beaucoup plus de place que les gaz d'origine nécessaires. Il se développe et pousse l'eau qui reste la seule sortie qui existe - les deux trous qui mènent au plafond.
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