Kelvindruppelaar

[bartimore]

Je hebt geen bakje met een overschot aan ionen. Ik weet niet precies hoe het uitgelegd wordt, maar dit systeem scheidt dus geen H3O+ en OH- van elkaar.

Ow, kan u mij overtuigen waarom dat zo is. Ik heb de video´s van Walter lewin bekeken (zie afbeelding). En ik dacht echt uit de video op te maken dat het wel zo moet gaan. Doordat er een druppel valt met netto negatieve lading moet dat betekenen dat er meer OH- dan H3O+ in de druppel zitten. Ervan uitgaande dat het water neutraal is, moet dat toch betekenen dat er een H3O+ in het bakje achterblijft. Zo worden OH- en H3O+ toch van elkaar gescheiden?

walter kelvin.png (96.57 KiB) 744 keer bekeken

[jkien]

Daar zit wel wat in. De loslatende druppel bevat een ionenoverschot. De vallende druppel transporteert het ionenoverschot naar de opvangbak beneden. Een onbekende tijd later, misschien als de vonk elektrische stroom mogelijk maakt, kan het ionenoverschot vermoedelijk opgeruimd worden door elektrolyse, waarbij aan de wand van de ene opvangbak H₂ ontstaat, en aan de wand van de andere O₂.

[Benm]

Ik heb toch echt problemen met die uitleg - het overschot van gebrek van waterstof lijkt me een zeer onwaarschijnlijk fenomeen. Nu doet dit hele apparaat wel wat onwaarschijnlijk aan, maar de implicaties van het concept zijn groot.

Het zou betekenen dat je een bak water kunt hebben met daarin een redelijk concenntratie OH- zonder een cation. Voor zover mij bekend is dat niet mogelijk. Zou je een bak water van een statische lading voorzien dan kan dat prima, maar dat zijn dan electronen die zich over het water en de bak verdelen, bij voorkeur aan de buitenkant als het een geleidend geheel is.

Ik denk dat het plaatje met OH- en H+ niet helemaal correct is. Dit is wellicht wel de grond waarop het dipoolmoment in het water ontstaat, maar dat komt echt niet als druppels op die manier los.

Om dit definitief te staven zou je het experiment moeten herhalen met een aprotisch maar polair oplosmiddel, en dan metalen buizen gebruiken voor het deel waar de vloeistof uit druppelt, zodat je niet afhankelijk bent van de geleidbaarheid van de vloeistof.

Je zou dat bijvoorbeeld kunnen doen met aceton, DMSO of acetonitrile. Daarvan weet je zeker dat er ge(de)protoneerde moleculen ontstaan, en het effect dus puur te danken is aan het dipoolmoment van de moleculen. Voor de geleidbaarheid zou je of wel metalen buizen moeten gebruiken, ofwel een of ander zout moeten oplosssen om het te faciliteren.

[jkien]

Akkoord, de opvangbakjes raken hun lading onmiddellijk en voortdurend kwijt, de lading verhuist meteen naar de meest aantrekkelijke plaats, dat is de vonkbrug (spark gap), die een condensator is met een zekere capaciteit (bij Lewin twee metalen knoppen, circa 1 pF. Grootteorde van de stroom: I = Q/t = VC/t = 1 nA, als de oplaadtijd per vonk 10 s is en V=10 kV).

Het ladingsoverschot in de druppels ontstaat door de scheiding van beweeglijke ionen in het water. In gedestilleerd water zijn dat H⁺ en OH^-, maar in zout water vooral Na⁺ en Cl^-.

Als er een geladen druppel in een opvangbakje valt dan vindt er bij de metalen wand een elektrodereactie plaats waarbij ionen hun lading afstaan. In het geval van H⁺ en OH^--ionen verdwijnen de overtollige ionen daarbij gedeeltelijk door gasvorming.

In theorie zou het leuk zijn om een Kelvindruppelaar met gedestilleerd water met pH-indicator te bekijken. De vallende druppels zijn zuur of basisch, in de opvangbak worden ze meteen pH-neutraal.

(Het dipoolmoment van de watermolekulen speelt geen rol. Aprotische vloeistoffen zegt me niet veel.)

[Benm]

Waarom zou een OH- ion neutraal worden als het in een metalen bak valt? Veronderstelt dat het metaal niet reactief is gaat dat niet gebeuren, en je zou bij wijze van spreke de hele constructie ook van goud kunnen maken zodat zowel H+ als OH- niet kunnen reageren.

Zou je er een zout bij voegen wordt het helemaal interessant: Als je bijv NaCl neemt, verwacht je dan werkelijk dat er in de ene bak chloorgas ontstaat, en in de andere natronloog?

[Bartjes]

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2845823/

Als bovenstaande link klopt is het allemaal verre van eenvoudig...

[jkien]

Het volgende diagram is mijn vereenvoudigde variant van de Kelvindruppelaar. De vereenvoudiging is de constante spanning bij de druppelvorming. De feedback is dus verwijderd. Het elektrische circuit is dan dat aan weerszijden een constante stroombron de condensatorplaat in constant tempo oplaadt. Bak 1 met elektrode is een halfcel, bak 2 ook. Als een druppel 100 H⁺ ionen toevoegt aan bak 2, dan reduceert de elektrode E₂ vrijwel meteen 100 H⁺ ionen tot H₂ (of andere ionen met de totale lading van +100 e).

Kelvin.png (7.36 KiB) 739 keer bekeken

[Bartjes]

Als een druppel 100 H⁺ ionen toevoegt aan bak 2, dan reduceert de elektrode E₂ vrijwel meteen 100 H⁺ ionen tot H₂ (of andere ionen met de totale lading van +100 e).

Dat "vrijwel meteen" valt te betwijfelen, zie mijn link.

Hoe de Kelvin-druppelaar globaal gesproken werkt weten we al, dat kan je beredeneren door alleen te letten op het teken van de ladingen. Zo wordt het op internet ook meestal uitgelegd, de moeilijkheden beginnen pas wanneer je precies wilt weten wat die ladingsdragers zijn en hoe zij zich in de loop van het proces gedragen.

[jkien]

Als je bijv NaCl neemt, verwacht je dan werkelijk dat er in de ene bak chloorgas ontstaat, en in de andere natronloog?

Ja. Maar vanwege de stroom in de orde van 1 nA verwacht ik niet dat het erg spectaculair zal zijn.

Dat "vrijwel meteen" valt te betwijfelen, zie mijn link. Hoe de Kelvin-druppelaar globaal gesproken werkt weten we al, dat kan je beredeneren door alleen te letten op het teken van de ladingen. Zo wordt het op internet ook meestal uitgelegd, de moeilijkheden beginnen pas wanneer je precies wilt weten wat die ladingsdragers zijn en hoe zij zich in de loop van het proces gedragen.

Ik zie het. Dan is de tweede vereenvoudiging in mijn model dat ik de trage effecten van het artikel van Ovchinnikova verwaarloos.

[Bartjes]

Ik zie het. Dan is de tweede vereenvoudiging in mijn model dat ik de trage effecten van het artikel van Ovchinnikova verwaarloos.

Dat kan - maar dan begrijp ik niet wat je met je model wilt laten zien.

[jkien]

Dat kan - maar dan begrijp ik niet wat je met je model wilt laten zien.

1) De Kelvindruppelaar bevat twee raadsels: het elektrische feedbackmechanisme en de elektrochemische cel. In het diagram heb ik het feedbackmechanisme verwijderd. Misschien ga ik op zoek naar een formule voor de lading per druppel. Dat gaat makkelijker in mijn model. En ik heb het model in bericht #20 zoals je misschien gezien hebt gebruikt voor de grootteorde van de stroom: I = VC/t, wat van pas kwam in bericht #25.

2) Het voordeel van het diagram is dat dat duidelijker is dan mijn woorden. Zo sprak ik mezelf tegen: in bericht #18 beweerde ik dat de elektrolyse pas optreedt tijdens de vonk; in bericht #20 dat hij eerder optreedt. Zoiets zie ik ook in jouw bericht #16: je noemt het voorstelbaar dat er elektrolyse als gevolg van de vonk plaatsvindt. Zie jij de vonk nog steeds als mogelijke oorzaak?

[Bartjes]

Ik denk dat er aan de grootte van de stromen en ladingen klassiek gezien nog wel te rekenen valt. Evenwel zie ik niet wat dat toevoegt, omdat de globale werking ook redenerenderwijs al volkomen duidelijk is.

Wat de elektrolyse betreft dacht ik oorspronkelijk dat dat gelijktijdig met de vonk zou moeten gebeuren, maar nu (na de gevonden link) weet ik het niet meer. Ik ben ook niet goed thuis in de elektrochemie (en kwantumfysica) zodat ik er niet veel meer over durf te zeggen dan dat het een ingewikkeld verhaal gaat worden.

[jkien]

Evenwel zie ik niet wat dat toevoegt, omdat de globale werking ook redenerenderwijs al volkomen duidelijk is.

Het model is een middel, niet een eindresultaat. Misschien helpt het me later met betrekking tot de volkomen duidelijke bewering dat de elektrische energie geleverd wordt door de zwaartekracht. Die bewering heeft iets merkwaardigs.

[bartimore]

Als je gaat rekenen aan het model dat je gemaakt, ben ik erg benieuwd hoe je dat aan gaat pakken. Houd me (ons) alsjeblieft op de hoogte . Configuraties met verschillende velden kunnen er ingewikkeld worden. Als er leden zijn die dat niet in dit forum vinden passen, ben ik gerust bereid om mijn mailadres te sturen.

Maar het probleem waar we tegenaan lopen is, is dus dat we niet weten wanneer de elektrolyse plaatsvindt?

Dat de verschillende ladingen worden gescheiden (H+, OH- of anders) in het bovenste gedeelte van het apparaat is dus al zeker?

Ik denk dat over de eerste stelling rationeel niet zoveel meer over toe te voegen valt. Misschien dat er hier nog literatuur over te vinden is. Een proefopstelling zou dat misschien op kunnen helderen. Ik was sowieso wel van plan om de opstelling (of het vereenvoudigde model) zelf te bouwen.

Ik vind het overigens toch een beetje maf dat er nog zo´n grote onbekendheid bestaat over de precieze werking van een apparaat dat al zo oud is

[Benm]

Voor het definitieve antwoord zul je wellicht water met een indicator erin door deze installatie moeten laten lopen.

Als je dat niet-reactieve emmers neemt onderaan zou daarin de concentratie OH- cq H3O+ moeten oplopen, tot het moment dat een vonk overspringt. Dat zou dus een effect moeten geven waarbij de indicator steeds verder verkleurt, maar op het moment van vonkoverslag weer 'neutraal' aangeeft.

Het zou me ten zeerste verbazen als dit daadwerkelijk het effect was, en ik zou nog benieuwder zijn hoe die neutralisatie dan werkt - dat er uit de ene emmer zuurstof en uit de andere waterstof staat te dampen staat me als concept gewoon nogal tegen, maar kan me natuurlijk vergissen.