XArhive - Статья "Унифиляр измеряет влажность"

Унифиляр измеряет влажность

В. П.
Химия и Жизнь №6, 1980 г., с. 74-75

В прошлом году Клуб Юный химик (№ 1, 2, 5 и 6) напечатал описание простого прибора унифиляра и опыты, которые можно с ним проделать. В этих опытах унифиляр представлял собой крутильный маятник, упругость его нити оставалась постоянной. А сейчас будет рассказано об унифиляре, свойства которого зависят от влажности среды. Нитью на этот раз будет обычный волос.

Волос удлиняется при увеличении влажности и укорачивается при уменьшении - это известно давно, и волосяные гигрометры и гигрографы делают на заводах. А вот факт, что волос при увлажнении не только удлиняется, но одновременно и раскручивается, не так хорошо известен. Мы постараемся использовать именно этот эффект. Главное достоинство нашего прибора в том, что в нем полностью отсутствует механическое трение. Другими словами, наблюдая самопроизвольную деформацию кручения волоса, мы будем свидетелями молекулярных процессов, так сказать, в чистом виде.

К сожалению, в небольшой заметке невозможно объяснить подробно, в чем причина описанного явления. Заметим только, что дело тут в особенностях молекулярной структуры белка кератина, из которого состоят волосы; будем надеяться, что в журнале еще появится подробная статья на эту тему.

Теперь о том, как изготовить прибор, схема которого показана на рисунке. Цифрами обозначены: 1 - стеклянная консервная банка емкостью 700 мл; 2 - полиэтиленовая крышка; 3 - деревянная палочка сечением примерно 5X5 мм, плотно входящая в горловину. Держатель 4, вставленный в палочку, сделан из медной или алюминиевой проволоки диаметром 1,5-2 мм. На его крючке укреплен волос 5 длиной 10-12 см, на нижнем конце которого находится стрелка 6, сделанная из соломки или алюминиевой проволоки диаметром около 1 мм; длина стрелки на 10 мм меньше внутреннего диаметра банки, один из ее концов окрашен яркой краской. Стрелка соединена с волосом с помощью подвески 7 из тонкой медной проволоки; длина плечиков подвески от 10 до 12 мм. На банку снаружи наклеена шкала 8 длиной 15-20 см, сделанная из миллиметровки. Крестиками на рисунке обозначены точки, в которые нужно нанести немного клея (например, БФ-2 или БФ-6).

Прежде чем собирать прибор, надо обезжирить волос. На всякий случай приготовьте несколько волосков длиной около 15 см (можете взять и свои, если, конечно, они у вас достаточно длинные). Для обезжиривания поместите волоски в серный эфир примерно на полчаса и повторите эту операцию два-три раза, после чего один из волосков вмонтируйте в прибор.

Когда прибор собран, оставьте его со снятой крышкой на сутки, чтобы высох клей, а волос пришел к равновесному состоянию с атмосферой. После этого не мешало бы убедиться, что прибор работает. Держателем 4 установите стрелку против какого-либо деления в середине шкалы. Возьмите небольшую плоскую чашечку (лучше пластмассовую), приделайте к ней ушко из проволоки (см. маленький рисунок), налейте воды, чтобы покрылось дно, и, пользуясь длинным крючком, поставьте чашечку на дно банки.

Закройте банку крышкой. Влажность воздуха будет повышаться, волосок начнет раскручиваться. Это обнаружится уже через несколько минут. В конце концов относительная влажность в банке достигнет 100%, но для этого потребуется терпение - процесс идет полтора-два часа. Когда стрелка перестанет перемещаться, запишите, сколько она прошла делений, и откройте крышку. Дождитесь, когда стрелка вернется в исходное положение, и поместите в банку 1-2 г свежепрокаленного и измельченного хлористого кальция, положив его в ту же чашечку вместо воды. Стрелка пойдет в обратном направлении - воздух в банке высушивается. Этот процесс тоже идет медленно, лучше оставить прибор в покое на ночь. Впрочем, для ускорения дела можно взять несколько чашечек.

Итак, вы получили на шкале две крайние точки: около 0 и 100% относительной влажности (и заодно убедились, что прибор работает). Однако делить шкалу равномерно на сто частей нельзя - нужна тщательная калибровка, так как между углом закручивания волокна и относительной влажностью нет прямой пропорциональной зависимости. Проще всего калибровать прибор, помещая в три-четыре чашечки растворы Н₂SО₄ (марки х.ч.), пользуясь таблицей, помещенной ниже.

H₂SO₄, %	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
Оносительная влажность, %	100	98	88	74	56	35	16	4,6	0,6	0,03

Растворы серной кислоты, особенно концентрированные, не стабильны: поглощая влагу, они меняют свою концентрацию и поэтому непригодны для многократного или длительного использования. Для надежности лучше пользоваться насыщенными растворами солей, содержащими некоторый избыток соли. Вот ряд таких солей (при 20°С):

Соль	Растворимость безводной соли при 20°С, г/100 г воды	Влажность, %
ZnCl₂ LiCl CH₃COOK CaCl₂ K₂CO₃ Na₂Cr₂O₇ NH₄NO₃ NH₄Cl Na₂CO₃	367 78 256 74 110 180 192 37 22	10 15 20 32 44 52 63 80 91

При длине волоска 10-12 см изменение влажности от 0 до 100% вызывает отклонение стрелки приблизительно на 180°. Отметьте на шкале прибора значения влажности - и ваш гигрометр готов к работе. Не следует ставить его на солнце и держать возле отопительных приборов.

Прибор, который вы сделали, можно использовать не только для определения влажности воздуха в комнате или на улице. Дело в том, что эффект самопроизвольного кручения волоса при изменении влажности изучен очень мало. Поскольку сам прибор и работа с ним очень просты, то в кружке и даже в домашней лаборатории можно провести настоящую исследовательскую работу.

Начинать, конечно, надо с простейших опытов, чтобы накопить экспериментальный материал. Например:

как влияют длина и толщина волоса (человеческого и конского) на его кручение при изменении влажности?

различаются ли по свойствам мужские и женские волосы, крашеные и некрашеные волосы?

как ведут себя волосы разных животных?

как влияет на поведение волоса температура при постоянной влажности?

и так далее.

Несколько замечаний напоследок.

1. Во всех случаях надо измерять угол кручения при изменении влажности от О до 100% (прокаленный СаС1₂ и вода) и отмечать направление кручения: по часовой стрелке или против. Результатом измерения будет частное от деления угла на рабочую длину волоска, измеренную с точностью до 1 мм.

2. Желательно брать волоски длиной не менее 10 см.

3. Если волосы животных короче 10 см, то в каждом опыте надо измерять и записывать длину волоса.

4. При работе с волосками различной длины шкалу прибора не следует приклеивать к банке, надо сделать ее подвижной и устанавливать каждый раз против стрелки.

5. Масса подвесной системы во всех опытах должна быть одинаковой.

6. Волоски после опытов не выбрасывайте, а сохраняйте, не забыв сделать соответствующие записи в лабораторном журнале.

7. Во время опытов желательно поддерживать постоянную температуру, например с помощью термостата, описанного в № 3 за этот год.

Результаты ваших опытов (а также вопросы и сомнения по их поводу) присылайте в редакцию.