Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
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.
Решающий эксперимент
Начав исследовать какой-либо вопрос, Фарадей с гениальной способностью определял ключевые направления поиска. Методичность и трезвость его экспериментальной техники удивляют и заслуживают подражания. Его называли «королем эксперимента». Простой опыт часто служил для него исходным пунктом, отправляясь от которого его мысль доходила до познания тайны явления. Даже когда он, казалось бы, повторял опыты других, его работы приобретали фундаментальное значение для науки. Он никогда не предвосхищал результата опыта, он говорил: «Я не знаю». Он доверял только фактам.
11 июля 1832 г. он устанавливает, что бумага, смоченная раствором йодистого калия и крахмала, весьма чувствительна к направлению электрического тока от вольтова столба.
6 и 8 сентября. Под действием тока на индикаторные бумажки концы их, близкие к «входу и выходу тока», окрашиваются...
Но не сам факт химического действия интересует Фарадея. Существующие теории электролиза не предсказывают химического действия в определенных местах.
Электрохимический прибор Фарадея, показывавший, что электрохимическое действие наблюдается только у электродов: 1 — электрод; 2 — лакмусовая бумага; 3 — чистый гель; 4 — гель, содержащий соль; 5 — куркумовая бумага.Гротгус, выдвинув замечательную мысль о полярности молекулы воды, предположил, что отдельные ионы существуют лишь короткое время, в течение которого молекулы ими обмениваются. Если бы это было так, индикаторная бумага окрашивалась бы вся, так как в растворе, через который пропускали ток, существует как кислород, так и водород. Дэви вслед за Гротгусом считал, что кислород притягивается положительным электродом, а водород — отрицательным. Но и тогда бумажка окрашивалась бы по всей своей длине.
А тут — только у электродов! Поразительно! Что это значит? Где же все-таки происходит химическое изменение под действием тока — в объеме раствора или на электродах? Когда-то, еще в 1806 г., Дэви провел электролиз сульфата калия в двух агатовых чашках, соединенных бумажкой, смоченной этими же растворами. Через некоторое время он обнаружил в одной чашке едкое кали, а в другой — серную кислоту. Фарадей понимает, что он должен радикально изменить опыт Дэви и выяснить, где, в каком месте происходит выделение кислоты и щелочи, где происходит химическое превращение под действием тока и на основе полученного результата построить теорию явления. Только после этого станет ясно, что делать дальше.
22 октября был выполнен решающий эксперимент. Фарадей изготовил электролитическую ячейку. У электродов располагались влажные индикаторные бумажки. Такие же бумажки находились у геля — твердообразной системы, образованной при коагуляции коллоидного раствора, содержащего соль — сульфат калия. Все это прокладывалось чистым гелем, который проводит ток как обыкновенный раствор. Пропуская ток через такую ячейку, Фарадей увидел, что индикаторные бумажки снова окрашивались только у электродов. Причем лакмусовая бумажка показывала, что у рядом расположенного электрода образуется кислота, а куркумовая — что у другого электрода образуется щелочь. Бумажки, находившиеся у геля, содержащего соль, которая при разложении дает продукты кислого и щелочного характера, и расположенные в середине ячейки, не окрашивались. Это значило, что электрохимическое действие происходит только у электродов. Вот разница между электрохимическими реакциями и просто химическими, идущими в объеме раствора.
Теперь можно создавать новую теорию электролиза. Прежде всего говорить о притяжении полюсов, как это предполагал Дэви, нет никаких оснований. Жидкости, поддающиеся электролизу, состоят из частиц, имеющих противоположные заряды. Под действием электрического тока частица, связанная с другой в молекулу, испытывает действие других противоположно заряженных частиц и вступает с ними в соединение. Путем таких перескоков и обменов частица движется вперед. Движется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми она может соединиться. Только у электродов она не окружена полностью другими частицами и, следовательно, только здесь на нее действуют неуравновешенные силы. Здесь частица выталкивается наружу, «где и выделяется».
Теория Фарадея указывала, в каких направлениях следует вести исследования. Стало ясно, что химическое преобразование вещества происходит только у электродов. Зная место такой реакции, можно определить и даже измерить объем участвующих в ней веществ. Можно сопоставить количество выделившихся у электродов веществ с величиной тока и временем его пропускания и подойти к количественной разгадке законов электролиза.
Добавление к античной формуле
В сентябре 1832 г. Фарадей уже мог сформулировать первый закон электролиза. Экспериментальные данные не оставляли никаких сомнений в существовании зависимости между количеством электричества и величиной его химического действия. Но Фарадей не торопится. Он как всегда работает методично.
Чтобы установить зависимость между количеством электричества и объемом веществ, образующихся в результате электрохимической реакции, надо сначала выполнить кое-какие подготовительные работы.
14 сентября он доказывает, что количество электричества не зависит от напряжения. Несколько раз он повторял опыты с батареей, состоящей то из семи, то из пятнадцати лейденских банок, каждую из которых он заряжал тридцатью оборотами машины, а потом подключал батарею к электрометру. Стрелка электрометра через определенное время всегда отклонялась на пять с половиной делений. Из чего следовало, что «отклоняющая сила электрического тока прямо пропорциональна прошедшему количеству электричества независимо от напряжения последнего».
На другой день он собирает маленький, или, как он его называет, «стандартный» вольтов столб. Точно как всегда регламентирует все условия опыта: диаметр платиновой и цинковой проволочек, глубину их погружения в раствор, концентрацию серной кислоты в растворе. При работе с такой батареей он устанавливает, что при ее разряде стрелка электрометра отклоняется на пять с половиной делений за восемь отсчетов промежутков времени по хронометру. Так он
