Kapitel 3 Elektrochemie - Aufbau einer Plastikwasserstoffbombe
Die Kunststoff-Wasserstoffbombe
Es klingt wie die perfekte terroristische Waffe. aber es ist ein Spielzeug, das die Prinzipien der Elektrochemie lehrt. Es ist auch eine High-Tech-Wasserpistole.
Die Kunststoff-Wasserstoffbombe verwendet Elektrizität Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu brechen auseinander. Dann verwendet es einen Funken von Elektrizität zu explosionsartig die Gas in Hochdruckdampf rekombinieren, die einen Strom von Wasser in die Mitte antreibt.
Die Konstruktion ist ein wenig schwieriger als die anderen Spielsachen in diesem Buch, aber die Fähigkeiten durch den Bau dieses Spielzeug gelernt können bauen viele andere Geräte und Kunstwerke für einen guten Zweck sein.
Schnorren für den Bau von Bomben Materialien.
Die Bombe wird aus diesen Materialien:
- Polyesterharz und Katalysator. Dies kann bei Hobby-Läden und Baumärkten zu finden.
- Zwei Kohlestäbe von den preiswerten Batterien (oder vergoldeter Stecker)
- Ein piezoelektrischen Zünders aus einem Scripto elektronischen Anzünder
- A 9-Volt-Batterie-Clip
- Paraffin (aus einer billigen weißen Kerze)
- Isolierter Kupferdraht (etwa 20 bis 22 Gauge)
- Lot
Wie die Bombe funktioniert.
In schematischer Form, sieht die Bombe wie folgt aus:
Die 9-Volt-Batterie ist nicht auf die Kohlenstoffstangen verbunden ist, die unter Wasser in der Bombe Kammer sind. Das Wasser zerfällt in Wasserstoff und Sauerstoff, die in der oberen Hälfte der Kammer gefangen ist. Der piezoelektrische Zünder von der elektronischen Anzünder gedrückt wird, was einen Funken bewirkt, dass die Funkenstrecke springen, die die Wasserstoff und Sauerstoff zündet. Der resultierende Hochdruckdampf drückt das Wasser durch die Austrittsrohre, in die Mitte.
Die ersten Versuche, die Bombe zu bauen.
Die erste Bombe I gebaut wurde vollständig mit der „Wachsausschmelzverfahren“ Methode von Künstlern, Bildhauer und Juwelieren verwendet getan.
Im Wachsausschmelzverfahren wird ein Modell des fertigen Objekt aus Wachs, dann Gips wird über das Wachs gegossen und härten gelassen. Schließlich wird das Wachs aus dem gehärteten Gips geschmolzen und der Hohlraum ist mit geschmolzenem Metall gefüllt, das als das ursprüngliche Wachsmodell in die gleiche Form abkühlt. Das Pflaster ist weggebrochen, und das fertige Kunstwerk oder Schmuck wird gereinigt und poliert.
Mit der Bombe eliminieren wir alle Schritte, nachdem das Wachs aus der Form aufgeschmolzen wurde, da unser Ziel eine hohle im Kunststoff zu bauen, ist in der die Kohlenstoffstangen und Funkenstrecke herausragen.
Die erste Bombe ist unten dargestellt:
Beachten Sie, dass die Funkenstrecke an der Spitze der Bombe ist aus Kohlenstoffstäben hergestellt. Spätere Versionen verwenden einen einfacheren Funkenstrecke aus Kupferdraht.
Sie können das rote Kabel von dem Batterie-Clip sehen an der Unterseite der hemisphärischen Kammer mit dem Kohlenstoffstab gehen. Sie können auch ein rechteckiges Rohr krümmt sich von dem Boden der Kammer sehen, und die Oberseite der Vorrichtung austritt, aus. Dieses Rohr wurde aus einem dünnen Blech aus Wachs gebildet ist, und wird dort das Wasser zu lassen und aus der Kammer heraus. Es gibt ein weiteres Rohr, wie es auf der anderen Seite. Die blaue an der Unterseite ist ein Stapel von Kunststoffkügelchen, die das Wachsmodell auf saßen, wenn der flüssige Kunststoff wurde darüber gegossen.
Das Problem mit der Wachsausschmelzverfahren Version ist, dass Sie nicht das Innenleben sehr gut sehen können. Mein nächster Versuch verwendet, um eine durchsichtige Kunststoff-Box und einen klaren Kunststoffschlauch. Sie explodierte in meinem Gesicht auf dem ersten Versuch, es zu benutzen. Die Reste werden im Folgenden gezeigt.
Die Kunststoff-Box war nicht stark genug, um die Kraft der Explosion zu enthalten, und die Kunststoffrohre waren zu eng und zu lange das Wasser schnell genug zu lassen, den Kunststoff zu verhindern auseinander geblasen wird. Allerdings ist die neue Funkenstrecke aus verdrillten Kupferdraht, funktionierte perfekt.
In nachfolgenden Ausgestaltungen wird das Kunststoffkasten komplett mit dem Polyesterharz bedeckt ist, so dass die Wände der Kammer mindestens einen halben Zoll dick sind. Die Eintritts- / Austrittsrohre werden in den Kunststoff gebohrt, so dass sie gerade und breit. Ein wenig Wachsausschmelzverfahren Technologie wird verwendet, um ein Ziel für den Bohrer zu schaffen, und so kann das Wachs die Kohlestäbe und Funkenstrecke unterstützen.
Konstruktionsdetails
Bau beginnt mit der Entfernung von zwei Kohlestäbe von ein paar altmodischen Zink-Kohle-Batterien. Dies sind die billigere Art, wie die Eveready ‚Classic‘ oder Radio Shack ‚Heavy Duty‘ Typen, nicht die Alkali-Batterien, die weitestgehend sie im allgemeinen Gebrauch ersetzt haben.
Auf dem Foto unter einem der Batterien hat die Abdeckung und oben entfernt, um den Kohlenstoffstab aus der Karton Dichtung ragt zu zeigen. Ein wenig drehen und ziehen und die Stange rutscht rechts aus und kann gewaschen und verwendet werden.
Als nächstes legen wir aus von einem paar Zoll von dem Draht an einem Ende durch Abstreifen der Isolation auf die Kohlenstoffstangen isolierten Kupferdraht, und mehrere Windungen um die Stabwicklung, um eine gute Verbindung zu bilden. Der Draht wird straff verdrehten sicher um die Verbindung zu halten.
Die Funkenstrecke wird durch Biegen des isolierten Kupferdraht um einen Bleistift, dann drehen die Enden fest für ein paar Zoll hergestellt. Die Schleife wird dann geschnitten, und ein Teil der Isolierung von den Enden beschnitten.
Die Funkenstrecke und die Kohlenstoff-Stäbe werden dann in der durchsichtigen Kunststoff-Box (die Box von Tic-Tac Bonbons tun, wenn Sie nicht eine kubisch-Box wie auf dem Foto haben leider) platziert. Der Kasten wird mit Wasser bis auf etwa der Hälfte von einem Zoll von oben gefüllt. Dann geschmolzene Wachs wird oben auf dem Wasser gegossen, um die Box und der Funkenstrecke und Stangen zu versiegeln. Wenn das Wachs ausgehärtet ist, kann es ein wenig gelockert werden, um das Wasser heraus zu lassen, dann ersetzt die Box zu versiegeln.
Jetzt legen wir zwei dicke Stücke aus Wachs auf den Boden, die Hohlkanäle bilden das Wasser in und heraus zu lassen. Wenn Sie möchten, können Sie diese den ganzen Weg bis an die Spitze, so dass Kanäle mit quadratischem Querschnitt erstrecken. Ich mag später die Kanäle bohren, aber Sie könnten Leute wie schwierig zu erraten, wie man quadratische Löcher in den Kunststoff gebohrt.
Der nächste Schritt ist die elektronische leichter auseinander nehmen die piezoelektrischen Zünder zu bekommen.
Die größeren Feuerzeuge für die Beleuchtung Kamine haben größere Zündern verwendet, die leichter zu löten sind.
Sie können sehen, die größer Zünders zu der Funkenstrecke auf dem Foto der Box auf seiner Seite ein paar Fotos früher verlötet ist. Die Drähte an die 9-Volt-Batterie-Clip werden auch an die Drähte angelötet, die an die Kohlenstoffstangen gehen.
Das Gießen des Polyesterharzes wird in drei Schritten durchgeführt. Eine Tupper Schale wurde für die Form verwendet wird. Der erste Gussteil ist eine dünne Schicht, die auf dem Boden der Schüssel. Diese Schicht wird erlaubt, auszuhärten eine Base zu, an dem die Kohlenstoffstangen zu sitzen und den Rest der Vorrichtung.
Die nächste Gussschicht ist eine Hälfte eines Zolls dick, und hält die Kohlenstoffstangen an Ort und Stelle, und deckt die Wachs Abstützungen am Boden der Box. Diese Schicht wird auch vor der letzten Schicht gegossen wird aushärten gelassen. Dies stellt sicher, dass der Hohlkasten nicht auf die Oberseite der Form schwimmt, wenn die letzte Schicht gegossen wird.
Die letzte Schicht wird dann gegossen, und sollte die Oberseite des Kastens bis zu einer Dicke von mindestens einem halben Zoll vollständig bedecken. Es wird auch die Lötverbindungen auf dem piezoelektrischen Zünders abdecken, sondern müssen die beweglichen Teile oder sich im Inneren des Zünders nicht berühren, oder das Zündgerät werden stecken und nicht in Betrieb.
Der vorletzte Schritt ist das Bohren der Eintritts- und Austrittslöcher. Ich benutze einen 1/4 Zoll-Bohrer. Schließlich wird das Wachs, indem das Projekt in einem warmen Ofen (nicht mehr als 150 Grad Fahrenheit), in einer Pfanne auf der Oberseite der newpapers das geschmolzene Wachs zu fangen schmolzen.
Sie können über die Ergebnisse auf dem Foto sehen.
Eine leichte Variation
Die Kohlenstoffstäbe werden verwendet, weil sie nicht zerfallen, wenn der elektrische Strom durch das Wasser geleitet wird. Wenn wir Kupferdraht verwendet wird, würde ein Draht zerfressen, und die andere würden eine Beschichtung von Kupferschlamm auf ihn erhalten, die von dem anderen Draht entfernt wurde.
Wenn wir jedoch ein weniger reaktives Metall, wie Gold, diese Zerstörung des Drahtes statt viel langsamer zu verwenden, und das Spielzeug kann viele Male ohne nennenswerte Änderungen verwendet werden.
Um dies zu testen, habe ich eine Bombe Design ähnlich den gerade haben wir, aber mit einigen vergoldeten Anschlüssen für High-End-Stereo-Verbindungen verwendet.
Das Ergebnis ist eine gut aussehende Bombe:
Bedienung der Bombe.
Um das Spielzeug zu arbeiten, halten sie unter einem Wasserhahn, gekippt, so dass Wasser ein Loch eintreten und Luft kann den anderen verlassen. Die Kammer sollte nur etwa halb voll ist, mit einer Luftblase, die Funkenstrecke sein, trocken zu halten.
Stecken in einer 9-Volt-Batterie, und beobachtet, wie kleine Blasen von Wasserstoff und Sauerstoff bildet sich auf den Kohlenstoffstangen (oder Goldelektroden).
Nach etwa 15 bis 20 Minuten, genug der Gas mit einem schönen Effekt für die Bombe gebildet explodiert ist. Beachten Sie, dass, wenn die Gase bilden, wird das Wasser verdrängt und tritt aus den gebohrten Löchern. Halten Sie die Bombe auf Armlänge, und drücken Sie die Zündgerät nach unten, bis sie einrastet. Das Wasser in der Bombe verbleibenden und die Röhrchen werden schießen, Abdecken der Decke und Zuschauer.
Vor einigen Jahren war ich zeige meine Wissenschaft Spielzeug auf einer TV-Show. Bevor die Show Taping begann, füllten wir eine Bombe und in der Batterie angeschlossen.
Nach der Beschreibung und andere Spielzeuge für ca. 25 Minuten zeigen, war es fast Zeit zu gehen. Ich hielt die Bombe in den Händen, und klickte auf der Zündgerät, aber nichts geschah. Ich klickte ein paar Mal, murmelt etwas über die Funkenstrecke nass zu sein.
Seien Sie sehr vorsichtig mit Bomben.
Warum tun sie das?
Mit Strom Wasser zu brechen ist die Elektrolyse (griechisch für ‚Lockerung durch Elektrizität‘) genannt.
Wasser wird aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. In flüssiger Form, brechen die Moleküle ständig in elektrisch geladenen Stücke, und dann wieder zusammen. Die elektrisch geladenen Stücke genannt werden Ionen.
Wasser zerfällt in Ionen, die durch eines der Wasserstoffatome verlieren. Der Kern des Wasserstoffatoms wegbricht, hinter seinen Elektronen verlassen, mit den beiden anderen Atom. So haben wir eine positiv geladene Wasserstoff-Ionen H +. und ein negativ geladenes Hydroxylionen, OH -.
Eines der Kohlenstoffstangen ist mit dem negativen Pol der Batterie angebracht ist, und überschüssige Elektronen aufweist. Diese Elektrode ist die Kathode bezeichnet. Die überschüssigen Elektronen ziehen die positiv geladene Wasserstoffatome an der Kathode.
Die Reaktion an der Kathode wird beschrieben chemisch als:
Die andere Elektrode ist die Anode bezeichnet. Die Batterie hat Elektronen von der Anode gezogen, sie mit einer positiven Ladung zu verlassen. Diese positive Ladung zieht die negativ geladenen Hydroxylionen zur Anode. Vier Hydroxylionen zusammen und bildet zwei Moleküle Wasser und ein Molekül Sauerstoff, während abgebende vier Elektronen an die Anode.
Die Reaktion an der Anode wird beschrieben chemisch als:
Der Sauerstoff bildet Blasen und steigt durch das Wasser, um den Wasserstoff zu verbinden.
Es braucht viel Energie, um die H + -Ionen aus der OH zu trennen - Ionen. Diese Energie wird in Form von den Wasserstoff- und Sauerstoffgase gespeichert werden. Ein Teil der Energie stammt aus der chemischen Bindung zwischen den beiden Wasserstoffatome in dem Molekül Wasserstoff. Ebenso kommt Energie von der Bindung zwischen den beiden Sauerstoffatom im Sauerstoffmolekül. Der größte Teil der Energie kommt aus der Batterie. Alle dieser Energie wird durch die bloße Trennung der Gase, die in ihren jeweiligen Moleküle ‚gespeichert‘. Wenn wir die Atome dazu führen könnten, sich neu zu ordnen Wasser wieder zu bilden, würde diese Energie freigesetzt werden.
Um die Gas zu reformieren, wie Wasser, um zu bewirken, müssen wir zunächst eine wenig Energie hinzufügen, um die Bindung zwischen den Wasserstoffatomen zu brechen, und ein wenig mehr die Bindungen zwischen den Sauerstoffatomen zu brechen. Nur wenn diese Bindungen aufgebrochen werden die Atome frei sein neu zu ordnen andere Moleküle zu bilden.
Die Energie zum Aufbrechen der molekularen Bindungen in den Gas durch die Funken zugeführt werden. Es bricht die Gasmoleküle in ihrer Atome auf, so können sie in H2 O rekombinieren, um die gespeicherte Energie als Wärme freigesetzt wird.
Die Wärme aus den ersten Rekombinationen ist genug, um mehr der Gasmoleküle aufzubrechen, so dass sie auch in Wasser rekombinieren. Diese Reaktion geschieht schnell, alle Gase raubend und ziemlich viel Wärme erzeugen. Nahezu die gesamte Energie, die die Batterie in das System gelegt während 20 Minuten in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde freigesetzt.
Das H 2 O, die aus der Reaktion führt zu heiß ist eine Flüssigkeit zu sein. Es ist ein Gas, deren Wärme bewirkt, dass es zu erweitern viel mehr Platz als die ursprünglichen Gase benötigt aufzunehmen. Es dehnt sich aus, und drückt das restliche Wasser aus dem einzigen Ausgang, der vorhanden ist - die beiden Löcher, die an der Decke führen nach oben.
Um das piezoelektrische Zündvorrichtungen hier.