Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

Но что собой представляют эти ионы? Берцелиус считал, что электродвижущая сила «рвет» силы химического сродства, и при электролизе, например, сернокис-лого^ калия получается электроположительная частица КгСГ и отрицательная 8О3. Но если состав соли выразить, как К2О8О3 (а по Берцелиусу, он получается именно таким), то не понятно, почему тот же ток в одном случае в состоянии только разложить воду на водород и кислород, тогда как в другом он разлагает столько же воды и, ^роме того, еще выделяет на аноде 8О3 и на катоде К2О; Допущение электролиза воды и одновременного разложения воды и соли на ангидрид и основание вело к противоречию с законами Фарадея.

В письме к Фарадею Даниель изложил свои соображения. Все придет в гармонию, писал он, если в солях содержащих кислород кислот, металл рассматривать в качестве одного иона, а кислотную группу — в качестве другого. Так, в растворе сернокислой меди С118О4 необходимо медь рассматривать как катион Си2+, а кислотную группу 8О2-— как анион. Когда электроды электролитической ячейки сделаны из платины или другого химически стойкого металла, в результате электролиза появляется анион, который соединяется с водой, образуя серную кислоту и кислород, который и выделяется. Если же анод сделан из меди или цинка, то анион соединяется с таким металлом и образуется либо сульфат меди С118О4, либо сульфат цинка 7п 8О4 соответственно.

Так, опираясь на количественные измерения продуктов электролиза, Даниель дал правильное объяснение состава анионов и катионов солей.

5 апреля 1881 г. в Лондоне в своей речи в память Фарадея Гельмгольц развил идею о свободных ионах, заряженных определенным количеством положительного или отрицательного электричества. Он подчеркнул, что каждая эквивалентная единица элементарного иона заряжена определенным, неделимым количеством электричества — «электрическим атомом».

Эта фарадеевская речь Гельмгольца идейно подготовила учение об электронах, она заставила химиков обратить внимание на исследование физиков и вспомнить электрохимическую теорию Берцелиуса, которую он выдвинул в 1811 г. и в которой присутствовало атомистическое представление об электричестве. К этой же мысли склонялся и Фарадей. «Атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия,— писал он,— содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними». Концепция атомного строения электричества получила в работах Фарадея количественное подтверждение.

Казалось, в постоянном повторении одних и тех же понятий вроде «порций электричества» подразумевается именно атомное строение электричества. Но это было не так. Речь шла о свойстве материи заряжаться определенным количеством, а не о свойстве самого электричества.

Впрочем, исходя из законов Фарадея, доказать атомное строение электричества еще нельзя. Ведь Фарадей говорил о количестве электричества, которое переносится ионами во время электролиза. Отсюда как следствие вытекало, что ионы заряжаются лишь определенным количеством электричества. Как бы там ни было, но в 70—80-х годах XIX в. представления о структуре электрического заряда были весьма неопределенными. Тем не менее Максвелл в своих работах пришел к выводу, что «атомный заряд имеет постоянную величину», и назвал ее «молекулой электричества».

Но дальше великий физик не пошел. Он даже считал, что это в будущем окажется ненужным.

В 1871 г. идею электрического атомизма высказал немецкий физик Вильгельм Вебер (1804—1891). Он даже построил первую электронную модель атома. Вебер сказал: «При всеобщей распространенности электричества мы имеем право принять, что с каждым весовым атомом связан электрический атом».

В 1874 г. ирландский физик и математик Джордж Стоней (1826—1911), тоже основываясь на законах Фарадея, сделал логическое заключение о дискретности единицы электричества. Он писал: «...я выражу закон Фарадея в следующих словах, которые придадут ему точность: «Каждой химической связи, которая разрывается в электролите, отвечает определенное и одинаковое во всех случаях электричество».

Но вопрос об атомном строении электричества по-настоящему поставил все-таки Гельмгольц. «...Если мы допускаем существование химических атомов,— говорил он в 1881 г.,— то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества. Каждый ион, пока он передвигается в жидкости, должен быть соединен с одним эквивалентом электричества для каждого своего сродства. Только на пограничных поверхностях электродов может произойти разделение; если здесь действует достаточно большая электродвижущая сила, то ионы могут отдавать свое электричество и делаться электрически нейтральными».

Видоизменяя электрохимическую теорию Берцелиуса, Гельмгольц высказал идею о том, что атомы электричества должны входить в состав химических соединений. Это предположение подтверждалось тем, что при растворении электролиты распадаются на ионы.

Один историк науки писал о том времени так: «Сцена была вполне готова для драматического выхода всепобеждающего героя -электрона. Ни один драматург не мог бы превзойти природу в выборе более подходящего момента для того, чтобы ввести в действие своего главного актера».

В физике в это время произошли крупные события. В 1895 г. Конрад Рентген (1845—1923) открыл икс-лучи. Потом оказалось, что это излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод. При этом энергия электронов преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Спустя год Анри Беккерель (1852—1908) открыл радиоактивность — самопроизвольное изменение состава атомных ядер веществ, сопровождающееся, как установили впоследствии, испусканием элементарных частиц. Это открытие сыграло огромную роль в изучении строения атома.

Наконец, в конце века была открыта легчайшая из электрически заряженных частиц —электрон.

В 1897 г. английский физик, член Королевского общества Джозеф Джон Томсон (1856—1940), исследуя отклонения катодных лучей в магнитном и электрическом полях, показал, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Томсон измерил их удельный заряд. Он оказался равен 1,6« 10“19 кулона, а масса частицы 0,9* 10-27 грамма, то есть приблизительно в 1837 раз меньше массы атома водорода. В 1906 г. Дж. Дж. Томсон был удостоен Нобелевской премии.

Выяснилось, что электрический ток в металлах — это поток электронов. Начала открываться природа электропроводности металлов. В растворах же все было по-другому.

Менделеев и Вант-Гофф

Здесь мы снова должны вернуться назад, в 1869 г., когда молодой петербургский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) закончил свой первый вариант классификации химических элементов, составил знаменитую свою таблицу и написал статью «Опыт распределения элементов, основанного на атомном весе и сходстве».

Менделеев установил связь между массой атома и химическими свойствами соответствующего элемента и его соединений. Все известные в то время 63 элемента были расположены на лестнице, которую создала сама природа. Дмитрий Иванович первым понял, как должно было выглядеть это распределение: «Свойства простых тел, также формы и свойства соединения элементов находятся в периодической зависимости... от величины атомных весов элементов».

Значительно позже было установлено, что порядковый номер элемента в периодической системе имеет реальный