Электричество в мире химии: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В то время были открыты и изучены органические реакции, которые полностью противоречили электрохимическому дуализму Берцелиуса. Происходило невозможное: водород в углеводородах замещался хлором. Снова, как и в случае с кислородом и серой, соединялись два отрицательно заряженных элемента. Но ведь они должны были отталкиваться, а не соединяться! Но хлорирование органических соединений было фактом, и дуализм затрещал по швам.

«Берцелиус спал, когда мы работали, и поводья выпали из его рук,— язвительно заметил по этому поводу немецкий химик Юстус Либих.— Сейчас он проснулся, но когда старый лев, чьи зубы уже затупились, рычит, его не боятся даже мыши». И хотя Берцелиус совсем не спал, а открывал элементы — церий, селен, торий, писал пятитомный учебник по химии, по которому учились несколько поколений химиков, написал еще около 250 работ, ввел в науку такие понятия, как «катализ», «изомерия», «полимеризация», выполнил гигантскую работу по определению точных атомных весов, все это его не радовало: дуалистическая теория, любимое его детище, оказалась, мягко говоря, не универсальной. Он чувствовал себя очень одиноким и решил найти утешение в женитьбе. Избранницей Берцелиуса стала дочь старого его друга, государственного канцлера Швеции. Приготовления к свадьбе были долгими, Берцелиус получил титул барона. Накануне свадьбы он писал своему другу: «Жизнь холостяка, особенно в преклонные годы, одинока и несчастлива, и единственный выход — это жениться. Моя избранница гораздо моложе меня, ей около 25 лет. Но она гораздо умнее, чем большинство пожилых женщин, так что я надеюсь скомпенсировать этим хотя бы лет десять в разнице наших возрастов». Брак оказался удачным. Они прожили вместе тринадцать счастливых лет.

Электрохимизм в той форме, какую придавал ему Берцелиус, должен был пасть, но его идея о том, что «атомы электричества», позже названные электронами, должны входить в состав химических соединений, имела большое значение для всей химии, и именно на этом пути от дальнейшего изучения электролиза можно было ожидать новых открытий в выяснении природы химических реакций. Настало время выяснить главное: как же связаны химические и электрические явления. Это и сделал великий Фарадей.

ГЛАВА 4. ОТКРЫТИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Альбом Майкла Фарадея

С лета 1832 г. Фарадей все больше и больше задумывался над химическим действием электрического тока. Он чувствовал, что здесь должно быть заключено нечто глубокое, и решил во что бы то ни стало докопаться до этих глубин. Первые опыты были простыми, но они позволили Фарадею определить программу и последовательность исследований.

Сначала он выяснил наличие химического действия электрического тока. Маленькую куркумовую бумажку, смоченную раствором сульфата натрия, он поместил одним концом против острия разрядного провода электрической машины. Другой ее конец соединил со вторым проводом машины. «После сорока или пятидесяти оборотов машины конец бумажки, обращенный к острию, был окращен благодаря присутствию свободной щелочи»,— записал он. Но вызван ли обнаруженный эффект только действием тока?

Видоизменяя объект исследования, он проделал опыт, в котором «не допускалось металлического соединения с разлагаемым веществом». На листочек куркумовой бумажки был положен такой же листочек лакмусовой бумажки, обе были смочены раствором сульфата натрия. На некотором расстоянии от концов бумажек были укреплены острия, одно из которых было связано с кондуктором машины, а другое — с разрядным проводом. Через некоторое время после вращения машины «делалось очевидным разложение, так как конец лакмусовой бумажки краснел от выделившейся кислоты, а конец куркумовой окрашивался от подобного же и одновременного выделения щелочи».

Фарадей записывает: «Кислота собирается около отрицательного конца, а щелочь — около положительного». Что делать дальше, ясно...

Майкл Фарадей (1791 —1867), сын кузнеца, учился в школе для бедных детей; там он научился читать, писать и считать. В девять лет ему пришлось работать разносчиком газет. Тяжелый труд — привилегия детей бедняков... Через некоторое время отец отдал его на семь лет в ученики переплетчика. «Будучи учеником,— вспоминал Фарадей,— я любил читать научные книги, которые переплетал. Из них мне нравились «Беседы о химии» Марсе и статьи по электричеству в Британской энциклопедии».

Когда ему исполнилось девятнадцать лет, он случайно узнал о лекциях по естествознанию некоего мистера Татума. Посетив 13 лекций, он решил сам заняться наукой. Ему определенно везло. Как-то в переплетную мастерскую, где работал Фарадей, зашел Дэне, член Королевского института. Поговорив с Фарадеем, он понял, что имеет дело с незаурядным человеком. Он принес Майклу билеты на цикл лекций по химии, которые читал Дэви. Лекций Дэви явились поворотным пунктом в жизни Фарадея. «...Желание заниматься научной работой, хотя бы самой примитивной, побудило меня, незнакомого со светскими правилами, написать президенту Лондонского Королевского общества сэру Джозефу Бэнксу. Вполне естественно было затем узнать у привратника, что моя просьба остав* лена без ответа».

По совету того же Дэнса Фарадей пишет письмо своему кумиру Дэви, приложив к нему как доказательство серьезности своих стремлений к науке тетради с его лекциями. Через два месяца они встретились. Но Дэви ничего не мог сделать для Фарадея. Помог случай, опять случай! Неосторожный Дэви поранил в своих опытах глаза и, вспомнив о Фарадее, пригласил его на время секретарем. Познания, аккуратность и старательность юноши произвели на Дэви сильное впечатление, и он упросил администрацию принять Фарадея на работу в Королевский институт.

В конце 1813 г. Дэви отправляется в Европу. Майкл сопровождает его в качестве лаборанта, секретаря и... слуги. Леди Дэви требует, чтобы он прогуливал ее собачку, третирует его. Если бы она знала, что через 150 лет ее будут вспоминать только благодаря этому молчаливому юноше, заботившемуся о походной лаборатории ее мужа! Тихий лаборант жадно впитывает опыт знаменитого химика, своими глазами видит великих — Вольту, Ампера, Гей-Люссака, внимает их словам.

Вернувшись на родину, молодой Фарадей много работает. Первые публикации, первые самостоятельные опыты по электричеству и химии... Пылко влюбляется. И не в пример несчастному своему учителю, не в пример тому же Амперу или Томпсону живет счастливой семейной жизнью. Спустя 25 лет после женитьбы Фарадей вспомнил первую свою профессию и собственноручно переплел в один альбом все многочисленные свои дипломы. Их оказалось 95. В альбом он вписал: «Среди этих воспоминаний и отличий я ставлю дату события, которое больше, чем все они, было для меня источником гордости и счастья. Мы поженились 12 июня 1821 года». Ради науки он почти целиком ограничил свой мир двумя этажами Королевского института: внизу лаборатория, вверху квартира. Работоспособность его была феноменальной. Спал он не более пяти часов в сутки, а все остальное время работал.

8 сентября 1832 г. (день этот отмечен его записью) Фарадей заметил, что площадь окрашенных участков на бумажках зависела от времени пропускания тока. Он надеялся, что выяснение количественных соотношений в процессах воздействия тока на растворы и получение тока во время химических реакций прольет свет на механизм связи химических и электрических явлений. Той связи, которой обязан своим появлением химический источник тока — вольтов столб, позволивший изучить свойства тока, открыть его магнитное действие, электромагнитное вращение и «превращение магнетизма в электричество».

Когда Фарадей узнал, что Эрстед открыл отклонение магнитной стрелки вблизи проводника, через который проходит электрический ток, он сконструировал специальный прибор и доказал, что существует и обратное явление — проводник с током движется вокруг магнита (электромагнитное вращение). Первое большое открытие! 1 мая 1823 г. 29 членов Королевского общества (среди них не было Дэви!) рекомендовали его в члены этого общества. В начале 1824 г. он был избран, год спустя возглавил лабораторию Королевского института. Он продолжал упорно экспериментировать, пытаясь «получить ток из магнетизма», но только в 1831 г. добился успеха: он обнаружил, что прохождение электрического тока по одной проволочной катушке может вызвать на короткое время появление тока в другой катушке, если эти катушки связаны общим железным кольцом. Он чувствует, что его «исследовательская удочка зацепилась за что-то крупное», и наконец, через полтора месяца получает электрический ток с помощью только магнита. Ток появляется на концах проволочной спирали, намотанной на магнитное кольцо, в которое вдвигался другой магнит.

Открыв новое в мире электрических явлений, Фарадей проложил путь к техническим вершинам современной цивилизации. В сущности, был найден простой способ получения электрического тока. Почти вся электрическая энергия, которой сегодня пользуется человек, получена этим способом. Фарадей открыл дверь в век электричества. Энгельс назвал его «величайшим до нашего времени исследователем в области электричества». Эти слова так же справедливы сегодня, как и век назад, когда они были сказаны.

«Тождество электричеств»

Как-то раз, придя в лабораторию, Фарадей на листках бумаги написал вопросы, относящиеся к химическому действию тока и подлежащие разрешению. На первом листке значилось: «тождество электричеств». Фарадей так всегда приступал к изучению какой-либо проблемы: составлял перечень вопросов в том порядке, в каком намеревался проводить опыты. По мере выполнения опытов он делал пометки на листках и откладывал их в сторону.

В этот день, как он писал потом, ход исследований по электричеству привел его «к такому моменту, когда для продолжения исследований стало существенно, чтобы не оставалось никаких сомнений относительно того, тождественны или различны отдельные виды электричества, возбуждаемые различными способами».

Видов стало уже пять. Человечеству издавна было известно «животное электричество», присущее некоторым рыбам и морским животным. Фарадей даже держал в лаборатории живого ската, демонстрируя желающим этот источник тока. Столь же давно люди наблюдали искры, получающиеся благодаря трению изоляторов. Во времена Фарадея это делалось в электростатических машинах. Со времен Гальвани и Вольты стал известен гальванизм. Он действовал на лапку лягушки, вызывал нагревание проводников, разлагал соли, кислоты и щелочи, действовал на магнитную стрелку.

Недавно Зеебек открыл термоэлектричество — четвер-

тый источник тока. И вот теперь сам Фарадей открыл пятый способ получения тока — магнитоэлектричество.

Но что же такое электричество? В чем его сущность? Одни ученые, например Вольта, Риттер, Волластон, Страхов, считали все известные им виды электричества тождественными, другие, например Дэви,— различными. Некоторым казалось: то, что производит вольтов столб, электричеством назвать нельзя — в этом случае надо говорить о гальванизме. В учебных пособиях по физике в начале XIX в. можно было встретить самостоятельные разделы «Электричество» и «Гальванизм». И вот теперь пять видов электричества. Одна у них природа или нет? Разнородные вещи гальванизм и магнитоэлектричество или однородные?

Если Фарадей направлял свой интерес на какую-нибудь проблему, он уже не переставал думать о ней и работал до тех пор, пока не находил ответа. Биограф Фарадея английский физик Джон Тиндаль писал о нем: «Он раздражался, когда ему приходилось опираться на факты, хотя бы слегка подверженные сомнению. Он ненавидел так называемое сомнительное знание и всегда старался превратить его в знание несомненное или в совершенное незнание». Прежде всего Фарадей устанавливает виды воздействия электрического тока. Их он находит восемь: физиологическое действие, отклонение магнитной стрелки, способность к намагничиванию, искра, нагревательная способность, химическое действие, притяжение и отталкивание, разряд через нагретый воздух. «Моя задача,— пишет он,— состоит в сравнении электричества от различных источников в отношении способности производить эти действия».

Выполняя простые, но тщательно продуманные опыты, сравнивая обычное и гальваническое электричество, Фарадей приходит к выводу, что способность обычного электричества разряжаться через воздух, особенно нагретый, обусловлена его высоким напряжением. Напряжение между полюсами вольтовой батареи невелико. Но если напряжение увеличить, сделав батарею из 140 пластин и подогреть воздух пламенем спиртовки (а еще лучше сделать его разреженным), разряд произойдет легко.

Подобные опыты он делает и с другими видами электричества. Результаты опытов сводятся в таблицу. Общий вывод формулируется в работе «Экспериментальные исследования по электричеству»: «...Отдельные виды 46

электричества тождественны по своей природе, каков бы ни был их источник. Явления, присущие пяти перечисленным типам или видам электричества, различаются друг от друга не по своей природе, а лишь количественно».

15 декабря 1832 г. Фарадей представляет Королевскому обществу пробную статью о своих опытах и выводах. В январе 1833 г. он докладывает Обществу о своих исследованиях, которые привели его к выводу о единой природе всех видов электричества, каково бы ни было их происхождение. Ибо все они могут производить все присущие электричеству действия — физиологические, химические, магнитные, световые, механические.

Фарадей был твердо убежден в единстве сил природы. Эта теоретическая предпосылка и побудила его добиваться «превращения магнетизма в электричество». Той же мыслью он руководствовался и в дальнейших своих работах. Он как-то сказал: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы». Сам он владел этим искусством в совершенстве.