Страница 11 из 67
Во время опытов Фарадей убедился, что ему трудно составлять описание их, у него для этой цели не хватает терминов. Чтобы описать какую- нибудь пустяковую проволочку, опущенную в воду, приходится сочинять длинную запутанную фразу. Фарадей решил придумать новые простые и короткие названия, составив их из древнегреческих слов.
Разложение растворенного вещества с помощью электрического тока получило название: электролиз — электрическое разложение. Жидкость, которую наливают в батарею или в сосуд для разложения ее на составные части, Фарадей назвал электролит.
Проволочки, пластинки, стержни, по которым ток проникает в прибор или выходит из него, стали называться электродами.
Тот электрод, через который ток «входит» в какой-либо прибор, Фарадей назвал анод — что значит восход (ано — вверх, одос — путь; анодос — путь вверх). Электрод, через который ток уходит из прибора, — катод («иду вниз» — заход). Фарадей, следуя установившейся традиции, тоже считал, что ток идет от плюса к минусу.
Частицы вещества в электролите, которые переносят электрические заряды, Фарадей назвал ионами, что значит — странствующие. Ионы, двигающиеся при электролизе к аноду, получили название анионов; ионы, движущиеся к катоду, — катионов (рис. 31).
Рис. 31. Движение заряженных частичек — ионов — в электролите.
Все эти термины сохранились в науке до настоящего времени.
Химическое действие тока
Фарадей начал исследовать электролиз, повторяя опыты своих предшественников. Он разлагал электрическим током слегка подкисленную воду. Частицы воды при этом распадались на водород и кислород. Кислород собирался на аноде, водород — на катоде.
Чтобы эти газы во время опыта не улетучились, ученый надел на катод и на анод опрокинутые пробирки, заполненные водой. Пузырьки газов, отрываясь от электродов, подымались вверх и, вытесняя воду, скапливались под донышками пробирок. Это несложное приспособление позволяло измерять, сколько газов выделяется при электролизе (рис. 30).
Рис. 30. Размер и форма электродов не влияют на количество газов, выделившихся при электролизе.
После первых опытов у Фарадея зародилось предположение, что количество выделившихся газов зависит только от того, сколько тока было пропущено через электролит. Но прежде чем проверять свою догадку, Фарадей решил узнать, какое значение имеют размеры электродов. Он взял четыре одинаковые стеклянные банки и заполнил их слабым раствором серной кислоты. В первую банку Фарадей опустил самые большие пластинки, во вторую— поменьше, в третью — еще меньше, а в четвертую — тонкие короткие проволочки.
Все четыре банки Фарадей соединил проводами последовательно. Ток из первой банки переходил во вторую, из второй в третью, а из третьей — в четвертую. При таком соединении через каждую из банок проходит совершенно одинаковое количество электричества.
Фарадей присоединил провода к батарее и стал наблюдать. В пробирках побежали пузырьки газов.
Прошло десять минут, — водорода во всех банках выделилось поровну (то же можно было сказать и о количестве кислорода); ученый подождал еще 5 минут, — равенство не нарушилось, и на 25-й минуте опыта количество водорода во всех банках продолжало увеличиваться совершенно равномерно. Размеры электродов влияния на количество разложившегося вещества не оказывали.
За первым опытом последовали другие. Фарадей менял силу тока, концентрацию раствора кислоты, расстояние между электродами, но количество водорода всегда неизменно оставалось пропорциональным количеству электричества, пропущенного через электролит.
В последнем опыте Фарадей применил электроды одинакового размера и формы, но изготовленные из разных материалов. Катоды были платиновые, а аноды — один цинковый, другой — серебряный, третий — платиновый.
Банки, как и в первом опыте, были соединены последовательно. В результате оказалось, что водорода выделилось во всех банках поровну, а именно: 1 грамм (11,2 литра) на каждые 96500 кулонов электричества.[3]
Закон, найденный в опытах с водой, Фарадей стал проверять на других веществах. Он разлагал током соединение хлора с медью. Пропустив 96500 кулонов, получил на аноде 35,5 грамма (тоже 11,2 литра!) хлора, а на катоде 32 грамма меди.
При разложении раствора медного купороса 96500 кулонов электричества тоже выделяли 32 грамма меди.
Эти числа остаются неизменными. Любое химическое соединение, содержащее хлор, выделяет 35,5 грамма хлора на 96500 кулонов электричества. Любое вещество, содержащее медь, выделяет 32 грамма меди притом же количестве электричества.
Числа, полученные Фарадеем, свидетельствовали о неразрывно прочной связи между количеством пропущенного через электролит электричества и количеством выделившегося вещества. Это был незыблемый закон.
Фарадей записал свои выводы примерно так:
1. Количество выделяющихся на электродах веществ прямо пропорционально количеству электричества, пропущенного через электролит.
2. Вес порции каждого вещества, выделяющегося при электролизе на каждые 96500 кулонов, неизменен и зависит только от химических свойств этих веществ, то есть водорода — выделяется 1 грамм, кислорода — 8 граммов, меди — 32 грамма, серебра— 108 граммов и так далее.
Переправа электрических путешественников
Как объяснить упрямое постоянство, проявляемое химическими элементами при электролизе? В чем кроется причина такого постоянства? Что переносит вещества с такой строгой точностью: ни пылинки меньше и ни пылинки больше?
На эти вопросы Фарадей ответа дать не мог.
Но в чем же все-таки дело? Почему 96500 кулонов электричества всегда выделяют ровно 108 граммов серебра и ни одной крупиночки больше?
Представим себе мысленно реку. На ее берегах две пристани. К пристаням подходят шоссейные дороги. По шоссе спешат на пристань путешественники. Они подбегают к пристани, торопятся попасть на другой берег, но, увы, — нет ни парома, ни парохода. Имеются только одноместные рыбачьи челноки.
Броситься вплавь? Но плавать наши путешественники не умеют. Переправиться можно лишь на одноместных челноках.
Каждый путешественник садится в челнок, переправляется на другой берег и спешит дальше; брошенный им челнок остается возле пристани.
Сколько путников переправилось, столько же осталось на берегу челноков.
Но, разумеется, все это будет обстоять так при условии, что вес и рост всех путешественников и размеры всех челноков одинаковы. Окажись среди путников малыши, которые могли бы втиснуться вдвоем в один челнок, или среди челноков — большие лодки, способные вместить несколько путников одновременно, строгое соответствие между числом переправившихся путников и числом брошенных челноков неминуемо нарушилось бы.
Теперь представим себе, что путешественники — это электрические заряды, шоссе — провода, пристани — катод и анод, река — электролит, а челноки — частицы вещества.
«Челнок с пассажиром» — это заряженная частица вещества, которая движется к катоду или аноду в зависимости от знака заряда. Сколько переправилось мельчайших зарядов, столько же выделилось частиц вещества. Отсюда — строгое соответствие количества вещества и электричества при электролизе.
Электролиз показывал, что существуют наименьшие электрические зарядики и что эти зарядики все одинаковы.
Подобное рассуждение невольно наводит на мысль — нельзя ли определить вместимость «лодочки» и узнать, таким образом, величину электрического зарядика?
О постановке такого опыта во времена Фарадея не приходилось думать — тогда даже изолированная проволока считалась редкостью, а постройка сложных, точных приборов и подавно была невозможна. Самое же главное, — идея о прерывистом, зернистом строении электричества только начинала пробивать себе дорогу в науке.
3
Подсчет дан в современных мерах.