Электричество в мире химии: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Полностью, без всяких сомнений подтверждается ранее открытый закон: химическое действие электрического тока, то есть количество выделившихся веществ, прямо пропорционально силе тока и времени его прохождения, то есть количеству электричества. Этот первый закон электролиза позже был назван первым законом Фарадея. В формулировке закона как в капле воды отражалась «математичность» мышления Фарадея: достаточно было подставить вместо слов буквы, как тотчас получалось соответствующее уравнение.

Фарадея теперь занимало в электролизе другое. Электрический ток выделяет вещества и растворяет металлы, являющиеся частью химических соединений, растворы или расплавы которых подвергались электролизу. Состав же этих веществ и их количество в соединении точно известны. В любом соединении элементы содержатся в строго определенных весовых количествах, соответствующих их эквивалентам. Давно ли знаменитый немецкий философ Иммануил Кант не признавал химию наукой, так как в его время считалось невозможным подвергать математической обработке результаты химических реакций. Но еще при жизни Канта его соотечественник Карл Венцель и шведский ученый Торберн Бергман начали разрабатывать методы весового анализа веществ. Тогда же немецкий химик Иеремия Рихтер (1762—1807) в своей докторской диссертации «О применении математики в химии» продемонстрировал количественный состав различных веществ, а в 1793 г. на основе понятия эквивалента, введенного Кавендишем, вывел закон эквивалентов. Под эквивалентом понималось такое количество вещества, которое соединяется с одной частью другого. Количественными анализами соединений занимались и французские химики Жозеф Пруст, Клод Бертолле, Гей-Люссак.

Исходя из закона постоянства состава и полагая, что каждое качественно определенное вещество имеет точно определенный количественный состав, соотечественник Фарадея, преподаватель физики и математики из Манчестера Джон Дальтон (1766—1844) в 1803 г. установил один из основных законов химии — закон кратных отношений. Берцелиус показал, что и органические соединения подчиняются этому закону. Дальтон сделал первую попытку составить таблицу «атомных весов» элементов и сложных соединений. И снова Берцелиус продолжил его работу.

Найти числовые значения химических эквивалентов не трудно, если известен процентный состав данного вещества в соединении и эквивалент другого вещества. Так, если эквивалентный вес водорода принять за 1, то эквивалентный вес кислорода будет равен 8, меди — 32 и так далее. Химический эквивалент, таким образом, численно равен отношению атомного веса элемента к его ва-лентности в данном соединении.

Что же происходит при разложении химических веществ электрическим током? Последние месяцы Фарадей посвятил количественному изучению продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солей и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет кислорода в 8 раз больше, чем водорода. НО такое соотношение равно соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разнообразных условиях — менял концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными: «химическое действие было вполне определенным».

Еще одну серию опытов ставит Фарадей — он исследует химические реакции в гальваническом элементе и доказывает, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем самом цинка. Из этого он заключает, что «электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, которое выделяется при разложении того же количества вещества».

23 сентября он, наконец, записывает: «Числа, соответствующие весовым количествам вещества, в которых они выделяются, надо назвать электрохимическими эквивалентами...» Он считает, что эти эквиваленты «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Сейчас мы говорим — пропорциональны. Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей устанавливает следующие значения электрохимических эквивалентов: 1, 8, 36, 58, 104, 125.

Фарадей в трудном положении: электростатическая единица заряда еще не установлена, и он не может назвать количество электричества, «соединенного с частицами или атомами материи». Поэтому за единицу электричества Фарадей вынужден принять «абсолютное количество электричества». Он понимает, что это достаточно большая величина. После сотен опытов он делает расчеты и устанавливает, что в одном гране (66,4 миллилитра) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 тысяч раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и что это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». Это было все, что в то время он мог сказать об «абсолютном количестве электричества».

Он составляет таблицу электрохимических эквивалентов (называя ее «таблицей ионов») для 18 анионов и 36 катионов. Эти значения, считает он, «очень полезны для выяснения химического эквивалента или атомного веса вещества».

В январе 1834 г. он представляет Королевскому обществу свои работы по электролизу и делает о них доклады на трех заседаниях. Члены Общества поражены работоспособностью и талантом своего коллеги. Ведь, кажется, совсем недавно (не прошло и двух с половиной лет) мир узнал об открытии индукционного тока и «получении электричества из магнетизма». И вот новое открытие — законы электролиза!

Ученая переписка

Свои доклады Фарадей начинает с установления новой электрохимической терминологии. Надо сказать, что термины, которые сохранились и до наших дней, предварительно обсуждались с сорокалетним кембриджским профессором, философом и историком Реверендом Уэвеллом (1794—1866). Именно Уэвелл изобрел и ввел в обиход слово «ученый», заменив им слишком общее

понятие «философ». Философы остались философами, а люди, работающие в науке, стали учеными. Ученых также называли «физиками». Но слово «физисист» с тремя свистящими не нравилось ни Фарадею, ни всем его коллегам. И все с удовольствием приняли слово «ученый» («сайен-тист»).

Фарадей и Уэвелл в письмах обсуждают возможность новой терминологии и сами термины для названия элементов и деталей электрохимического процесса. Фарадей описывает явление, его физический смысл и механизм и предлагает новые термины. Уэвелл соглашается или предлагает свои варианты. В соответствии с традицией, утвердившейся еще в эпоху Возрождения, базой для терминов служат греческий и латынь.

Именно в этих обсуждениях и родился термин «электролиз», которым было предложено называть процесс хими-56

ческого разложения вещества электрическим током (от греческих слов «электрон» — электричество и «лизис» — растворение). Вместо термина «полюс» вводится слово «электрод» (путь электричества), причем Фарадей предлагает различать электроды по полярности. Появляются катод (путь вниз, отрицательный электрод) и анод (путь вверх, положительный электрод). Вещество и раствор, подвергаемые электролизу, названы электролитом. Вещества, которые переносятся к аноду, получают название анионов (поднимающихся), а к катоду — катионов (опускающихся), их объединяет понятие «ионы» (идущие).

Терминология была принята; время показало, что названия выбраны удачно.

Начав работать, Фарадей непременно доводил работу до конца. Его девиз был: «работать, заканчивать, публиковать». Своими успехами в науке он обязан не только таланту, но и волевой целеустремленности. Когда его спросили, в чем секрет его успехов, он ответил: «Очень просто: я всю жизнь учился и работал, работал и учился».

С 1831 по 1855 г. он опубликовал тридцать серий своих «Экспериментальных исследований по электричеству», изложенных в форме кратких параграфов. Общее число параграфов достигло 3430. С именем Фарадея связаны целые три единицы измерения: фарада, служащая основной единицей измерения электрической мощности в Международной системе единиц; фарадей — внесистемная единица количества электричества, равная приблизительно 9,65 • 10⁴ кулонам, то есть стольким кулонам, сколько кулонов/молей содержится в числе Фарадея, или постоянной Фарадея, численно равной количеству электричества, прохождение которого через электролит приводит к выделению на каждом из электродов одного моля вещества.

В научной литературе то и дело встречаются явление Фарадея, эффект Фарадея, закон Фарадея — Максвелла — Ленца, фарадизация, фарадметр.

Работам Фарадея суждено было стать важнейшим звеном в цепи событий, сделавших нашим достоянием технические достижения в области электричества и электрохимии. Если работы других ученых того времени представляли собой отдельные пики, то Фарадей воздвиг целые горные цепи из взаимосвязанных и очень важных работ.

На языке современных представлений об атомах и молекулах законы электролиза Фарадея можно сформулировать так:

1. Пропускание одного и того же электрического заряда через электролитическую ячейку всегда приводит к количественно одинаковому химическому превращению в данной реакции. Масса вещества, выделяемого на электроде, пропорциональна количеству электричества, пропущенному через ячейку.

2. Для выделения на электроде одного моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает или теряет один электрон, необходимо пропустить через ячейку 96 485 кулонов электричества.

Эти законы имели большое значение для развития теории строения материи: они указывали на существование «атомов» электричества, связанных с атомами вещества. Так как в них отражалась количественная связь между массой вещества, выделяемого при электролизе, и необходимым для этого количеством электричества, стало возможным количественно предсказать ход определенных электрохимических процессов и экспериментально определить эквивалентные массы химических элементов и их соединения. Исходя из эквивалентных масс веществ, можно рассчитать их молекулярные массы. Связав свои исследования электрических явлений с атомистическими представлениями в химии, Фарадей стал предвестником современного учения о строении атома.

Открытия Фарадея, результаты его титанической работы поражают воображение. Одной из самых поразительных работ Фарадея является исследование, проведенное им после одиннадцати с лишним тысяч экспериментов, которые он провел в течение всей своей научной жизни. Последняя запись в его лабораторном журнале сделана 12 марта 1862 г., когда Фарадею было семьдесят лет. Из нее следует, что ученый пытался установить, может ли пучок света преломляться в магнитном поле. Попытка не увенчалась успехом из-за ограниченных возможностей аппаратуры. Фарадей, однако, был уверен, что влияние магнетизма и электричества на свет должно существовать. Он оказался прав. Эффект этот обнаружил голландский физик Питер Зееман (1865—1945), за что и был в 1902 г. удостоен Нобелевской премии.

Главным направлением деятельности Фарадея было изучение тайн природы, а не их использование, тем не менее трудно переоценить то значение, которое имели заг коны электролиза для практики. Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии. Еще при жизни Фарадея был изобретен гальванический элемент и началось использование гальванопластики, создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.

Глава 5. ИСТИННЫЕ ПРИЧИНЫ ЭДС

Удачный источник тока

После открытия законов электролиза стала ясно видна связь между возможностью получения электрического тока в гальваническом элементе и протеканием в нем химической реакции. Но каким образом должен быть собран источник тока, чтобы химическая реакция была использована рационально? Это было не совсем ясно. Опустив, например, в раствор серной кислоты два электрода, цинковый и медный, исследователь получал довольно мощный источник тока. Но ток от такого элемента быстро слабел, хотя химические реакции и продолжали идти.