Электрохимия. Вольта, Дэви

Для совершенствования своей системы Берцелиус использовал и данные электрохимии.

В 1780 г. врач Луиджи Гальвани из Болоньи наблюдал, что только что отрезанная лапка лягушки будет сокращаться, если к ней прикоснуться двумя проволочками из разных металлов, соединенными друг с другом. Гальвани решил, что в мышцах имеется электричество и назвал его "животным электричеством".

Продолжив опыты Гальвани, его соотечественник физик Алессандро Вольта предположил, что источником электричества является не тело животного: электричество возникает в результате контакта разных металлических проволочек или пластин. В 1793 г. Вольта составил электрохимический ряд напряжений металлов; правда, он не связал этот ряд с химическими свойствами металлов. Эту связь обнаружил И. Риттер, установивший в 1798 г., что ряд напряжений Вольта совпадает с рядом окисления металлов - их сродством к кислороду или выделением их из раствора. Поэтому причину возникновения электрического тока Риттер увидел в протекании химической реакции.

В это же время Вольта в ответ на недоверие своих коллег, усомнившихся в правоте его объяснений из-за того, что разряды были слишком слабы и стрелка электрометра отклонялась лишь незначительно, решил создать установку, которая позволила бы зарегистрировать более сильные токи.

В 1800 г. Вольта создал такую установку. Несколько пар пластин (каждая пара состоит из одной цинковой и одной медной пластины), уложенные друг на друга и отделенные одна от другой войлочной прокладкой, пропитанной разбавленной серной кислотой, дали желаемый эффект: яркие вспышки и заметные сокращения мышц. Вольта послал сообщение о созданном им "электрическом столбе" президенту лондонского Королевского общества. Прежде чем президент опубликовал это сообщение, он познакомил с ним своих друзей У. Никольсона и А. Карлайла. В 1800 г. ученые повторили опыты Вольта и при этом обнаружили, что при пропускании тока через воду выделяются водород и кислород [20]. В сущности, это было повторное открытие, потому что в 1789 г. голландцы И. Дейман и П. ван Троствейк, используя электричество, возникающее при трении, получили такие же результаты, но не придали этому особого значения.

Изобретение Вольта привлекло к себе сразу же внимание ученых, поскольку с помощью этой батареи он сделал и другие удивительные открытия, например, выделил различные металлы из растворов их солей.

Как мы уже отмечали, в 1802 г. Берцелиус и Хизингер обнаружили, что соли щелочных металлов при пропускании через их растворы электрического тока разлагаются с выделением входящих в их состав "кислот" и "оснований"^*. Водород, металлы, "оксиды металлов", "щелочи" и т. д. выделяются на отрицательном полюсе; кислород, "кислоты" и т. д.- на положительном [21]. Это явление не находило разгадки, пока в 1805 г. Т. Гротгус^** не создал удовлетворительной гипотезы. Он воспользовался атомистическими представлениями и предположил, что в растворах мельчайшие частицы веществ (в воде, например, атомы водорода и кислорода) связаны друг с другом в своеобразную цепочку. Проходя через растворы, электрический ток воздействует на атомы: они начинают выходить из цепочки, причем отрицательно заряженные атомы осаждаются на положительном полюсе, а положительно заряженные - на отрицательном полюсе. При разложении воды, например, к отрицательному полюсу движется атом водорода, а к положительному полюсу - освобожденный из соединения атом кислорода. Гипотеза Гротгуса стала известна почти одновременно с гипотезой Дальтона. Довольно быстрое признание учеными обеих гипотез показывает, что химикам в начале XIX в. стали привычны атомистические представления.

^* (См. примечание на стр. 25.- Прим. ред.)

^** (О жизни и деятельности этого удивительного ученого, предвосхитившего некоторые положения теории электролитической диссоциации, см. [200].- Прим. ред.)

Открытия, сделанные с использованием электричества в последующие годы, произвели еще большую сенсацию, чем гальванический столб, созданный Вольта.

Карикатура на опыты с газами в Королевском институте (около 1810 г.)

В 1806 г. Гемфри (Хамфри) Дэви начал свои опыты с электричеством в Королевском институте в Лондоне. Он хотел выяснить, действительно ли при разложении воды под действием электрического тока наряду с водородом и кислородом образуются также щелочь и кислота. Дэви обратил внимание на то, что при электролизе чистой воды количества образующихся щелочей и кислот колеблются и зависят от материала сосуда. Поэтому он стал проводить электролиз в сосудах из золота и обнаружил, что в этих случаях образуются только следы побочных продуктов. После этого Дэви поместил установку в замкнутое пространство, создал внутри вакуум и заполнил его водородом. Оказалось, что в этих условиях под действием электрического тока не происходит образования из воды кислоты или щелочи, а при электролизе выделяются только водород и кислород.

Дэви был так увлечен изучением разлагающей силы электрического тока, что начал изучать его влияние и на многие другие вещества. И в 1807 г. ему удалось из расплавов едкого кали (гидроксида калия КОН) и каустика (гидроксида натрия NaOH) получить два элемента - калий и натрий! До того ни едкое кали, ни каустик не удавалось разложить ни одним из известных методов. Так подтвердилось предположение, что щелочи - сложные вещества. Электрический же ток оказался сильным восстановителем.

Гемфри Дэви (1778-1829)

Гемфри Дэви родился в 1778 г. в Пензансе (графство Корнуэлл, Англия); его отец был резчиком по дереву^*. Школу Дэви посещал неохотно и впоследствии считал счастьем, что многие часы в детстве он провел не за школьной партой, а наблюдая за природой. Свои последующие успехи в естественных науках Дэви приписывал свободному развитию его личности в детстве. Дэви интересовался природой, поэзией и философией.

После смерти отца в 1794 г. шестнадцатилетний Дэви поступил в обучение к врачу, где он занимался приготовлением лекарств. Свободное время он посвящал тщательному изучению системы Лавуазье. Через три года Дэви переехал в Клифтон (вблизи Бристоля), чтобы заниматься исследованием лечебного действия газов в недавно основанном Пневматическом институте доктора Т. Беддоиса. Работая в этом институте с монооксидом углерода, Дэви чуть было не погиб. С "веселящим" газом (оксидом азота N₂О) ученому повезло больше: Дэви открыл его опьяняющее действие и приобрел популярность благодаря остроумному описанию этого эффекта. Изучая действие электрического тока на различные вещества, Дэви открыл щелочные элементы калий и натрий. Необыкновенные свойства щелочных металлов способствовали тому, что их открытие привлекло особое внимание.

По рекомендации графа Румфорда^** Дэви в 1801 г. занял должность ассистента, а спустя год - профессора в Королевском институте. Правда, вначале Румфорд был разочарован очень юным видом нового сотрудника и его довольно неуклюжими манерами. Но вскоре он был покорен эрудицией Дэви и предоставил ему прекрасные условия для научной работы. Дэви полностью оправдал заботу руководителей института, сделав сенсационные открытия в области электрохимического выделения новых элементов и изучения свойств различных соединений.

В Лондоне Дэви быстро усвоил манеры, принятые в высшем обществе. Он стал светским человеком, но в значительной степени утратил свою природную сердечность. В 1812 г. английский король пожаловал ему дворянство. В 1820 г. Дэви стал президентом Королевского общества^***, но шестью годами позже по состоянию здоровья вынужден был отказаться от этой должности. Умер Дэви в Женеве в 1829 г.

^* (Подробнее о жизни и деятельности Г. Дэви см. в [178, с. 203-209; 201, с. 96-102].- Прим. ред.)

^** (Граф Румфорд (Бенджамин Томпсон, 1753-1814) - естествоиспытатель и политический деятель, по происхождению американец. В 1798 г. на основе экспериментальных данных пришел к выводу, что теплота - результат особого вида движения частиц материи. В 1799-1802 гг. он был на государственной службе в Великобритании, где в 1800 г. вместе с "друзьями - исследователями природы" основал Королевский институт - исследовательское и научно-пропагандистское учреждение.- Прим. ред.)

^*** (Лондонское Королевское общество - Академия наук Великобритании. Г. Дэви был избран членом Королевского общества в 1803 г., с 1807 по 1812 г. был его секретарем. В 1826 г. Дэви был избран иностранным почетным членом Петербургской Академии наук.- Прим. ред.)

Дэви знаменит не только результатами своих экспериментов, но также разработанной им электрохимической теорией. Он хотел разрешить проблему сродства веществ, которая давно занимала химиков. Некоторые из них составляли так называемые таблицы сродства, например Э. Жоффруа (1718г.), Т. Бергман (около 1775г.) (который предложил впоследствии использовать введенное Гёте в литературу выражение "родство душ"), Л. Гитон де Морво (около 1789 г.) и Р. Кирван (1792г.).

Электричество казалось Дэви ключом к пониманию стремления веществ вступать во взаимодействие. По его мнению, химическое сродство основано на различном электрическом состоянии элементов. Когда два элемента реагируют друг с другом, контактирующие между собой атомы заряжаются противоположными зарядами, за счет чего атомы притягиваются и соединяются. Таким образом, химическая реакция представляет собой как бы перераспределение между веществами противоположных по знаку электрических зарядов. При этом выделяются тепло и свет. Чем больше разность этих зарядов между веществами, тем легче протекает реакция. По мнению Дэви, разлагающее действие тока на вещество заключалось в том, что ток возвращал атомам электричество, которое они утратили при образовании соединения [22].