Электричество в мире химии: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Еще в молодости он написал книгу «История электричества». Он говорил, что исследователь должен давать свободу воображению и стремиться к сочетанию далеких идей (мысль, изобличающая большого ученого: как известно, то же говорили Ломоносов и Лаплас). Следуя этому правилу, он первый использовал электрический ток в химии. Отделив в запаянной сверху трубке небольшое количество воздуха над водой, он пропустил через зазор между проволоками, впаянными в трубку, электрические искры. Через некоторое время объем воздуха уменьшился. Пристли установил, что вода стала кислой: в трубке образовалась азотная кислота.

Позднее, пользуясь более мощной электрической машиной, Пристли разложил аммиак на водород и азот.

Размышляя над будущим науки в эти дни, Пристли написал Франклину письмо — смесь оптимистических пророчеств и мрачноватой мизантропии. «Быстрый прогресс* достигнутый в настоящее время подлинной наукой,— писал он,— вызывает у меня сожаление, что я родился слишком рано. Трудно вообразить, насколько возвысится через тысячи лет власть человека над природой. Сельское хозяйство может стать менее трудоемким и удвоить свою продукцию; все болезни удастся надежно предотвратить или лечить, не исключая саму старость, и наша жизнь будет продлена в удовольствиях за пределы допотопных мерок. О, если бы и наука морали могла достичь такого же улучшения, чтобы люди перестали быть волками по отношению друг к другу и чтобы человек наконец научился тому, что сейчас безосновательно называется гуманизмом!»

Наличие электростатического источника тока и лейденской банки давало исследователям возможность проводить самые разнообразные эксперименты с различными веществами. При этом экспериментаторы почти всегда обнаруживали изменение вещества. Итальянский ученый Джованни Беккария (1716—1781), например, в книге об электричестве описывает свои опыты по воздействию электрических искр на свинцовые белила и окись олова. Из белил и окиси он получил свинец и олово. Пропускал Беккария электрические искры и через воду и заметил, что при этом выделялся какой-то газ. Выделялся газ и в опытах голландских физиков Иогана Деймана (1743— 1808) и Паетса Ван Троствейка (1752—1837). Но что это был за газ (или газы), исследователи не знали.

В апреле 1781 г. Пристли вместе со своим сотрудником Джоном Уолтайром сделал попытку воспламенить смесь воздуха с водородом электрической искрой. После взрыва на толстых стенках сосуда они обнаружили как бы капельки росы. Тем же способом француз Пьер Макер (1718— 1784) поджигал водород, после горения образовались капли. Разгадку таинственных капель и газов принесли опыты Кавендиша. Он обрабатывал электрической искрой смесь кислорода и водорода. Сосуды взрывались один за другим, но исследователь был терпелив и смел. Опыты длились 53 дня. Анализы показали: получавшаяся в результате опыта жидкость была просто-напросто вода. Тогда же и выяснилось, что знает сегодня каждый школьник: на образование воды требуется около 11 весовых процентов водорода и около 89 кислорода. Водород и кислород и были теми газами, которые выделялись в опытах Беккарии и его голландских коллег.

Это было ошеломляющее открытие: вода — и вдруг продукт соединения двух газов! Потрясенные французские академики целую неделю сжигали водород в кислороде и сожгли 615 литров, но ничего не получили иного, кроме воды.

Генри Кавендиш (1731 —1810) был и человек и ученый удивительный. Большую часть жизни он провел в одиночестве, полностью отдаваясь научной работе. Был он очень богат, но жил весьма скромно. «Самый богатый среди ученых и самый ученый среди богатых»,— как сказал о нем французский физик Био. Работал он целые дни, не зная праздников и развлечений, никого не принимал, жил по строгим правилам. Исследования он проводил в собственной лаборатории и публиковал только те свои работы, в достоверности которых был полностью уверен. Многие его работы оставались неизвестными. Спустя пятьдесят лет после его смерти Кавендишскую лабораторию в Кембридже пригласили возглавить Максвелла. С трудом Максвелл разобрался в огромном архиве Кавендиша и в 1879 г. издал его труды. С изумлением увидели физики, что Кавендиш во многих случаях опередил современную ему науку. Например, задолго до Кулона, в 1771 г., доказал «закон Кулона» о квадрате расстояния при электрическом взаимодействии, ввел понятие электроемкости, определил диэлектрическую проницаемость многих веществ.

Кавендиш прекрасно понимал, что электрический разряд может служить мощным средством воздействия на химические вещества. В 1784 г. он установил, что, если пропускать электрические искры через смесь азота и кислорода, получается окись азота; взаимодействуя с водой, она образует азотную кислоту. Через некоторое время он доказал, что, пропуская искры через влажный воздух, можно связать в азотную кислоту азот воздуха. При этом Кавендиш установил, что одна сто двадцатая часть атмосферного азота в реакцию не вступает; так был открыт инертный газ аргон, выделенный спустя сто лет Рэлеем и Рамзаем из атмосферного азота.

По существу, Кавендиш и Пристли разработали способ получения азотной кислоты из воздуха. Лет через сто, в в связи с возросшей потребностью в азотных удобрениях, проблема фиксации атмосферного азота стала важнейшей задачей химии. Дело, впрочем, было не только в возрастании потребности: к концу XIX в. залежи чилийской селитры стали истощаться, и перед Европой возникла перспектива азотного голода. Будущее рисовалось в самых мрачных красках. Фиксация атмосферного азота казалась единственным выходом из положения.

В 1905 г. в Дрездене состоялись торжества по случаю освоения синтеза азотной кислоты по методу Биркеланда, Кристиан Биркеланд (1867—1917), норвежский физик, прославившийся главным образом своими исследованиями полярных сияний, изобрел печь для получения азотной кислоты путем прокачивания азота через вольтову дугу. Потом на смену этому способу пришел более экономичный— синтез аммиака по методу Фрица Габера (1868— 1934). Сейчас в мире производится более 60 миллионов тонн азотных удобрений в год. И к этому грандиозному производству привели опыты с электричеством, которое, как выяснилось, действует на химические соединения самым иногда неожиданным образом.

Два открытия Гальвани

Открытие, сделанное двести лет назад анатомом из Болоньи Луиджи Гальвани (1737—1798), ярким светом озарило идею связи электрических и химических явлений. И хотя, как это часто случается в истории науки, сам Гальвани истолковывал свое открытие неправильно, заслуга его перед наукой огромна. Вокруг его открытия поднялась такая буря страстей и споров, что современники сравнивали ее в шутку с политической бурей, вызванной французской революцией. Споры эти побудили ученых всего мира рассмотреть то, что увидел Гальвани, внимательно, а это в конце концов привело к созданию химического источника тока, а также способствовало развитию физиологии.

Вот как сам Гальвани описывает историю своего открытия: «Я препарировал лягушку и положил ее на стол, на котором стояла электрическая машина. Как только один из моих помощников коснулся, совершенно случайно, кончиком скальпеля бедренных нервов лягушки, мышцы ее стали сокращаться. Другой помощник уверял, что это произошло тогда, когда из кондуктора электрической машины была извлечена искра. У меня явилось страстное желание проверить это явление и выяснить, что за ним скрывается». Оказалось, что судорожное сокращение мускулов происходит при совпадении двух условий: когда металлический предмет прикасается к нерву и когда по соседству проскакивает электрическая искра.

Едва ли не самое интересное в этой истории то, что у Гальвани не должно было быть оснований приходить в столь большое волнение. Если бы он обладал всеми научными познаниями своего времени, он бы мог без особого труда создать даже целую теорию наблюдаемого и^ явления. Лет за тридцать до него сокращение лягушачьей лапки вблизи электрической машины наблюдал и описал Марко Кальдани, не придавший, впрочем, этому никакого значения. А в 1678 г. физиолог Шваммердам показывал герцогу Тосканскому, как содрогаются лапки лягушки, подвешенной на серебряной нити. К счастью, Гальвани ничего этого не знал, то, что он увидел, его взволновало, и он решил доискаться до причин удивительного явления.

Сначала он убедился, что лапки сокращаются, когда из электрической машины или из лейденской банки извлекается искра. Потом он заметил, что «сильнейшие и многократные сокращения» вызываются и вспышкой молнии, если препарированную лягушку повесить на проводник, соединенный с громоотводом. Итак, первое открытие Гальвани было такое: если в момент прикосновения к нерву металлического тела вблизи происходит электрический разряд, мышцы сокращаются. Открытие было сделано в 1780 г.

Прошло шесть лет, Гальвани решил узнать, как действует на мышцу атмосферное электричество, когда нет грозы. Он воткнул в спинной мозг препарированной лягушки медный крючок и повесил ее на железную решетку своего балкона. Ничего не произошло. Устав от ожидания, Гальвани стал надавливать на крючок, прижимая лягушку к решетке. К немалому удивлению, ибо дело было при ясном небе, он заметил, что «лягушка впадала в обычные сокращения». Тогда он решил, что атмосферное электричество накопилось в лягушке, а потом вышло из нее при соприкосновении с металлом.

Гальвани перенес лягушку в комнату, положил ее на железную пластинку и стал прижимать к ней вставленный в спинной мозг медный крючок. То, что он увидел, поразило его: происходили энергичные мышечные сокращения. Он стал экспериментировать с разными металлами и заметил, что в разных случаях сокращения были различной интенсивности. Все это должно было направить мысль Гальвани на размышления о роли двух разнородных металлов в наблюдаемом эффекте, и тогда бы эффект получил правильное истолкование. Десятки раз ведь он убеждался, что мышца сокращается, когда два разнородных металла вступают в соприкосновение с ней и одновременно друг с другом. Именно в этом и- была суть его второго открытия. Гальвани же пришел к заключению, что источником электричества является сама лягушка, и решил, что открыл новый вид электричества, назвав его «животным». Как-то он сказал, что «легко ошибиться в исследовании, если считать виденным и найденным то, что мы желали увидеть и найти». Судьбе было угодно, чтобы он сам и совершил эту ошибку.

В 1791 г. он опубликовал результаты своих многолетних опытов. Издание «Трактата о силах электричества при мышечном движении» вызвало мощную волну исследований. Многие повторяли опыты Гальвани. Казалось, что найдена тайна жизни. Всякий, кому удавалось найти лягушку и обзавестись двумя кусками разнородных металлов, пытался воспроизвести чудесное оживление отрезанных конечностей. Но что же это такое? Спорил весь ученый мир Европы. И надо сказать, что с теорией «животного» электричества соглашались немногие. На Гальвани со всех сторон обрушивалась критика. Частная жизнь его тоже не была усыпана розами, его постигли несчастья. После болезни умерла горячо любимая жена. Созданную Бонапартом республику Гальвани не признал и отказался ей присягнуть, за что его отстранили от заведования кафедрой в Болонском университете. Одинокий, несчастный, почти нищий, он умер через семь лет после опубликования своего трактата. Было ему немногим более шестидесяти.

В 1791 г., когда был опубликован труд Гальвани, сорокашестилетний профессор университета в Павии Алессандро Вольта, только что принятый в члены Лондонского Королевского общества, приступил к опытам с изобретенным им электроскопом, а тридцатилетний Василий Петров начал преподавать физику в Измайловском кадетском училище в Петербурге. Гэмфри Дэви исполнилось 13 лет, Берцелиусу— 12, а Майкл Фарадей только появился на свет. Все еще было впереди.

Вольтов столб

Простой и гениальный вывод из опытов Гальвани суждено было сделать его соотечественнику Алессандро Вольте (1745—1827). Рассказывают, что все многочисленные братья и сестры Алессандро росли здоровыми и нормальными. Один Алессандро был хил, плохо развивался, заговорил только в четыре года, первое слово его было «нет». После этого развитие мальчика пошло гигантскими шагами.

Прочитав в марте 1792 г. трактат Гальвани, Вольта чрезвычайно заинтересовался «животным» электричеством и начал ставить опыты сам. И только спустя восемь лет чудо «оживления» получило верное истолкование.

Вскоре же после начала опытов Вольта замечает, что «лягушка представляет собой электрометр, весьма чувствительный», то есть играет роль измерительного прибора. Он заменяет лягушку собственным языком и ощущает, как он пишет, «вкус электричества». На середину языка он кладет золотую монету или серебряную ложку, а к кончику языка прикладывает чистую оловянную пластинку и приводит ее в соприкосновение с монетой или ложкой. При этом он ощущает «такой же кисловатый вкус, что и при приближении языка к кончику искусственно наэлектризованного проводника...»

Через три месяца после того как Вольта начал повторять опыты Гальвани, у него уже не осталось никаких сомнений относительно наличия тока: лягушка или язык регистрирует электрический ток. Откуда он появляется? Металлы, пишет Вольта, «не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества».

После статьи в «Физико-медицинском журнале» в 1794 г., где он утверждал, что надо говорить не о «животном» электричестве, а об электричестве «металлическом», оставалось ждать только одного: появления технического устройства из металлов, генерирующего электрический ток. Но идеи такого устройства у Вольты в то время не было. Прошло пять лет, заполненных опытами, дискуссиями, размышлениями, сомнениями. Но вот в самом конце 1799 г. Вольта создает источник электрического тока из двух разнородных металлов, разделенных «влажным телом». Это был вольтов столб — одно из выдающихся в истории естествознания изобретений, возвестившее наступление эры электричества.

Различные виды вольтова столба

Вольтов столб складывался из элементов, а каждый элемент состоял из медного (или серебряного} и цинкового (или оловянного) дисков, проложенных кружком из пористого материала, пропитанного солевым раствором. Чтобы раствор не вытекал, пористые кружки делались по размеру несколько меньше, чем металлические. Несколько элементов ставились друг на друга — получался столб. При прикосновении к самому нижнему и самому верхнему диску ощущался электрический удар.

Мощность столба зависела от количества элементов. Но при большом количестве дисков столб делался неустойчивым, и Вольта придумал для него специальную ограду из четырех прутьев, не проводящих ток, или делил столб на несколько частей. Самым лучшим оказался столб, который Вольта назвал «прибором из цепи чашек». Несколько десятков чашек, наполненных соленой водой, соединялись металлическими дугами, которые делались из двух металлов — меди и цинка. Оба металла были спаяны выше места их погружения в жидкость. Один конец дуги помещался в одну чашку, другой — в другую, так что в средних чашках оказывались два разнородных металла.