Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

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.

Вскоре, однако, произошли два события, которые, как надеялись многие, должны были внести ясность в вопрос о стабильных источниках и об истинных причинах электродвижущей силы (ЭДС) таких элементов.

Английский ученый и изобретатель Джон Даниель (1790—1845) опубликовал в 1836 г. сообщение о том, что им создан стабильный медно-цинковый элемент. В то же самое время талантливый физик и электротехник Борис Семенович Якоби (1801—1874) изобрел гальванический элемент новой конструкции. Еще в 1834 г. Якоби, работая архитектором в Кёнигсберге, собрал первый электродвигатель «вращательного действия». Для него он хотел сделать устойчивый источник энергии и спустя два года нашел прекрасное решение. Об этом он сообщал в феврале 1837 г. в письме к Э. X. Ленцу; письмо потом было зачитано на заседании Петербургской Академии наук.

Даниель предположил, что причиной нестабильности и неэкономичности упомянутого нами выше источника тока с опущенными в раствор серной кислоты цинковым и медным электродами является выделение водорода на медном электроде, и поместил этот электрод в раствор медного купороса. А цинковый так и оставался в серной 60

кислоте. Растворы он разделил пористой перегородкой.

Якоби также заметил, что «выделение водорода у медного электрода не только бесполезно, но и вредно». Кроме того, он установил, что цинк растворяется в кислоте, даже когда элемент не работает. Желание избежать всех этих неудобств привело Якоби к мысли о применении в элементе двух электролитов: у медного электрода— раствора сульфата меди, у цинкового—сульфата цинка.

Нагрузка Схема элемента Даниеля — Якоби

основным принципом при

Самое главное, что преследовал и чего добился Якоби, это то, что в процессе работы батареи изменялось только количество реагирующих веществ, но вид реакции не менялся. Это стало конструировании гальванических элементов для практики.

Оба, Даниель и Якоби, исходили из одного и того же, оба приняли серьезные меры к устранению главной помехи, но Якоби поступил решительнее своего английского собрата. Новый стабильно работающий электрохимический источник тока получил впоследствии название элемента Даниеля — Якоби. Это был сосуд, разделенный пористой перегородкой. В одном отделении медный электрод находился в растворе медного купороса, в другом цинковый — в растворе сульфата цинка. Сульфат цинка не взаимодействует с цинком, а сульфат меди — с медью. При замыкании цепи элемента электрический ток шел от цинкового электрода к медному.

Через некоторое время медный электрод становился тяжелее, а цинковый — легче. Атом цинка отдавал иону меди свои заряды и переходил в раствор в виде иона, а ион меди, получив заряды, превращался в металлическую медь. Но явления ионизации цинка и выделения меди были пространственно разделены, заряды передавались через внешнюю цепь.

Элемент Даниеля — Якоби давал постоянное напряжение — почти ровно один вольт. Поэтому он нашел широкое применение в практике электрохимических исследований. Русский электрохимик А. С. Савельев, работавший вместе с Ленцем, сказал, что это изобретение «надобно поставить в ряду самых важных открытий в области гальванизма». Работа элемента Даниеля — Якоби показала, что энергетическим источником действия вольтова столба являются химические процессы. Подтвердилась мысль, ранее высказанная Риттером, Дэви, Берцелиусом, Петровым, Фарадеем, что гальванический процесс — это процесс химический. Но окончательным этот вывод мог стать лишь после того, как был открыт и утвердился в науке закон сохранения энергии.

Затворник из Нью-Хейвена

В июле 1840 г. судно, на котором служил врачом Роберт Майер (1814—1878), стояло у острова Ява. Одному матросу надо было сделать операцию, и Майер был поражен, увидев, как светла у того венозная кровь. Неужели он задел артерию? Нет! Потом ему сказали, что у экватора венозная кровь всегда светлее, чем в северных широтах. И его осенило: в жарком климате для поддержания нормальной температуры тела должно сгорать (окисляться) в организме меньше пищи, чем в холодных странах. Он установил также, что количество сгораемых продуктов в организме при выполнении работы возрастает с увеличением ее объема. Сопоставив два этих явления, Майер сделал гениальный вывод: так как и теплота и работа могут быть получены за счет химических