М. Фарадей и электролиты

(См. [180, с. 103-107; 201, с. 116-121].- Прим. ред.)

Использование отдельных физических методов для исследования и объяснения химических процессов началось еще в конце XVIII в., но лишь в XIX в., сто лет спустя после появления новой химической номенклатуры Лавуазье (1787 г.), физическая химия выделилась в самостоятельное научное направление^*. В 1887 г. В. Оствальд, С. Аррениус и Я. Г. Вант-Гофф начали издавать "Журнал физической химии".

^* (О времени выделения физической химии в самостоятельное научное направление см. [190, с. 5-7].- Прим. ред.)

Столь длительный период накопления знаний объясняется прежде всего различным уровнем возможности математической обработки экспериментальных данных в физике и химии. Кроме того, мир веществ очень многообразен, и в центре научных интересов химиков находилось исследование свойств, строения и превращений веществ. В течение десятилетий закон простых кратных отношений удовлетворительно объяснял превращения веществ. Поэтому Бертолле, пытавшийся найти зависимость между массой и химическими свойствами веществ, оставался непонятым современными ему химиками.

До середины XIX в. физикам и химикам, изучавшим вещества разными методами, трудно было найти общий взгляд на их природу. Дальтон отрицал открытые Гей-Люссаком газовые законы, а молекулярная гипотеза Авогадро в течение полувека не получала признания. Закону удельных теплоемкостей, открытому в 1819 г. П. Дюлонгом и А. Пти, повезло больше: он использовался для определения атомных масс, главным образом металлов. Этой же цели служил установленный в том же году Мичерлихом закон изоморфизма, согласно которому изоморфные соединения имеют аналогичный состав.

Г. Дэви и Й. Я. Берцелиус первыми использовали в химии электричество. М. Фарадей продолжил их работы и заложил основы электрохимии.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Майкл Фарадей родился в 1791 г. в семье кузнеца. В тринадцатилетнем возрасте он поступил в обучение к переплетчику в Лондоне. В свободное время юноша посещал вечерние лекции по физике и астрономии, однако большую часть своих научных знаний он почерпнул из книг. Кроме того Фарадей слушал и тщательно записывал лекции Дэви в Королевском институте. Проиллюстрировав записи рисунками тех приборов, которые Дэви использовал на лекциях, Фарадей переплел их и послал почитаемому им профессору. Когда последний предложил юноше место лаборанта, Фарадей счел, что осуществились его самые смелые мечты.

В 1825 г. Фарадей обнаружил в светильном газе бутилен и бензол. Вскоре после этого он сконцентрировал свое внимание на изучении электрических явлений и установил, что электричество, возникающее при трении веществ, и гальваническое электричество идентичны. В 1831 г. Фарадей обнаружил электрические и электромагнитные индукционные токи. В 1834 г. он установил основные количественные законы электролиза.

Открытия Фарадея находили такое же широкое признание у ученых, как и его очень четкие и содержательные лекции - у многочисленных слушателей. Он был избран членом Королевского общества. Статьи Фарадея печатались в основном в "Философских трудах Королевского общества". В последние годы жизни память Фарадея значительно ослабла, так что он вынужден был уменьшить объем работы. Фарадей умер в 1867 г. в возрасте 76 лет.

В 1834 г. Фарадей сформулировал открытый им закон: масса вещества, разложившегося на электродах во время электролиза, прямо пропорциональна количеству электричества, протекшего через электролит. Этот закон вскоре стал использоваться для измерения силы тока.

В том же 1834 г. Фарадей установил, что при пропускании одного и того же количества электричества через растворы различных химических соединений количества разлагаемых веществ пропорциональны их эквивалентным массам. Этот закон оказался чрезвычайно важным для проверки эквивалентных масс веществ.

Фарадей предложил ряд определений важнейших понятий, которые используются и в наши дни. Он ввел понятия "электролиз", "электролит", "электрод", "анод", "катод". Частицы, образующиеся при электролизе, Фарадей называл ионами, которые в зависимости от направления их движения в электролите разделял на анионы и катионы. Среди исследований по электричеству работы Фарадея явились вершиной научных достижений. В химии же они стали эффективными только в сочетании с работами С. Аррениуса и Я. Г. Вант-Гоффа. Помимо одной из самых его известных книг "История свечи" в 1827 г. он опубликовал тоже ставшую очень популярной книгу "Способы работы в химической лаборатории".

В 1836 г., через два года после открытия Фарадеем законов электролиза, его земляк Дж. Даниель создал медно-цинковый элемент, который можно было использовать для измерения электродвижущих сил. Даниель установил, что электрический ток разлагает соли на металл и элементы кислотного остатка, который не всегда содержал кислород. Это послужило аргументом против теории кислот Лавуазье и Берцелиуса.

В 50-е годы XIX в. В. Гитторф и Ф. Кольрауш продолжили работы Даниеля. Проводя анализ растворов вблизи электродов, Гитторф определил скорости движения ионов. Используя эти данные, Кольрауш в 1867 г. предложил точные методы измерения электропроводности электролитов. Он пришел к выводу, что скорость перемещения любого иона в растворе не зависит от скорости перемещения ионов, входящих в состав данной соли. Этот закон независимого движения ионов вызвал удивление и даже отрицательное отношение многих ученых, так как противоречил их представлениям о химическом сродстве. Гитторф сам заметил несоответствие в том, что, например, калийные соли по сравнению с ртутными значительно лучше проводили электрический ток, что противоречило соотношениям величин химического сродства этих соединений.

Особенно удивительным казалось то, что электролит проводит достаточно слабые токи, а считалось, что под действием тока молекулы электролита должны разлагаться и что для этого необходима затрата энергии.

Пытаясь найти объяснение этим наблюдениям, Клаузиус предположил, что, вероятно, не ток разлагает молекулу, а что при пропускании тока усиливается движение молекул. Последние чаще сталкиваются и распадаются на ионы, которые и проводят электрический ток. Этот вывод противоречил наблюдениям, согласно которым при разбавлении растворов электропроводность не уменьшалась. Однако по сравнению с концентрированными в разбавленных растворах содержалось меньше молекул. Следовательно, должны были уменьшаться возможность столкновений молекул и соответственно связанный с ней распад на ионы. Поэтому, казалось бы, электропроводность должна была уменьшаться, а на самом деле она даже увеличивалась.

Это противоречие смог объяснить в 1887 г. замечательный шведский химик С. Аррениус^*. Переосмыслив накопленные его предшественниками наблюдения за поведением молекул электролитов в растворах, Аррениус в 1884-1889 гг. окончательно сформулировал основные положения теории электролитической диссоциации молекул растворенных веществ^**. При этом он использовал открытый в 1864-1867 гг. норвежскими учеными К. М. Гульдбергом и П. Вааге закон действия масс. Закон гласил, что химическое действие веществ пропорционально их массам или числу молекул в определенном объеме^***.

^* (Подробнее о жизни и деятельности С. Аррениуса см. в работах [180, с. 248-254; 201, с. 294-300; 228, 230].- Прим. ред.)

^** (Поскольку основное положение этой теории гласит, что в растворе вещества распадаются на ионы, то эта теория нередко называлась в историко-научной литературе ионной теорией, а ее последователи - ионистами.- Прим. ред.)

^*** (С историей открытия закона действия масс можно ознакомиться в работах: [191, с. 279-292; 227, с. 203-210; 231, с. 14-21, 55-60; 232, с. 146-153; 233, с. 22-28].- Прим. ред.)