Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Проанализировав свои наблюдения, Фарадей сформулировал теорию электролиза. Жидкости, поддающиеся этому процессу, состоят из частиц с противоположными зарядами. Под действием тока одна частица, связанная в молекулу с другой частицей, испытывает действие иных противоположно заряженных частиц, вступает с ними в соединение и продвигается вперед. Это повторяется до тех пор, пока впереди есть противоположно заряженные частицы, с которыми можно соединиться. Однако у электродов частицу уже не будут окружать другие частицы и, оказавшись под воздействием неуравновешенных сил, она вылетит наружу, «где и выделится».

14 сентября Фарадей доказал, что количество электричества не зависит от напряжения. Несколько раз он повторял опыты с батареей, состоящей то из 7, то из 15 лейденских банок (приборов, запасающих электрический заряд), каждую из которых заряжал 30 оборотами машины, а затем подключал батарею к электрометру. Стрелка электрометра всегда отклонялась на пять с половиной делений, из чего следовало, что «отклоняющая сила электрического тока прямо пропорциональна прошедшему количеству электричества независимо от напряжения последнего».

На другой день Фарадей собрал маленький вольтов столб. Отрегулировав диаметр платиновой и цинковой пластин, глубину их погружения в раствор и концентрацию серной кислоты в растворе, ученый начал работу с батареей и обнаружил, что при ее разряде стрелка электрометра отклоняется на пять с половиной делений за восемь равных промежутков времени. Это показало, что количество электричества не зависит от источника.

Далее Фарадей обратил внимание, что величина пятна на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором йодистого калия, вокруг прижатой к ней платиновой пластины одинакова, если пропускать одно и то же количество тока от разных источников. А значит, размер пятна (то есть величина химического действия тока) прямо пропорционален времени пропускания тока, иначе говоря, количеству электричества.

Наконец, 10 декабря Фарадей записал первый закон электролиза: «Химическая сила прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества». Говоря современным языком, масса вещества, образующегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через расплав (электролит).

Весной 1833 г. Фарадей разработал более десятка различных модификаций нового прибора, названного им вольтаметром. Такой прибор позволял измерять количество газа, выделяющегося при электрохимической реакции, а также потерю или увеличение массы электрода. Самый простой и удачный вариант представлял собой стеклянную проградуированную трубку, в которую был впаян платиновый электрод, а в верхней части собирался весь выделившийся газ. Фарадей опускал в чашку два таких вольтаметра и проводил электролиз воды, собирая в одной трубке кислород, а в другой водород. В итоге было установлено, что если раствором служит кислота или азотнокислая соль натрия, то на аноде (положительном электроде) почти всегда выделяется кислород, а на катоде (отрицательномэлектроде) — водород. Когда же в раствор входят азотнокислые соли других металлов, например ртути, меди или серебра, то на аноде тоже образуется кислород, а на катоде — соответственно ртуть, медь либо серебро. Чтобы определить количество образующегося на катоде вещества, Фарадей создал вольтаметр в виде сосуда, куда помещался предварительно взвешенный металлический электрод или чашечка. В качестве анода брался тот же «газовый» вольтаметр, который заполнялся раствором и погружался в сосуд.

Выполнив более 300 опытов, Фарадей изучил электрохимическое поведение и продукты разложения при электролизе 130 различных веществ. И все же необходимо было выяснить, влияют ли размеры электрода на процесс электрохимического разложения. Весной 1833 г. ученый последовательно соединил два вольтаметра с разными по площади электродами. Количество продуктов разложения в обоих сосудах оказалось одинаковым. «Напряжение не оказывает влияния на результаты, ― сделал вывод он, ― если количество электричества остается одинаковым».

Затем Фарадей занялся количественным изучением продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солей и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет в 8 раз больше кислорода (по массе), чем водорода — такая пропорция соответствует соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разных условиях, изменяя концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными.

Исследовав химические реакции в гальваническом элементе, ученый доказал, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем цинка. И заключил: «Электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, что выделяется при разложении того же количества вещества».

23 сентября 1833 г. Фарадей наконец записал: «Числа, соответствующие весовым количествам выделяемого вещества, надо назвать электрохимическими эквивалентами…» Они «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей установил электрохимические эквиваленты 1; 8; 36; 58; 104; 125, а чуть позже составил таблицу для 18 анионов и 36 катионов.

После сотен опытов ученый сделал расчеты и обнаружил, что в одном гране (66,4 мл) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 000 раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». На таком основании был сформулирован второй закон электролиза: «Для выделения на электроде одного моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает либо теряет один электрон, необходимо пропустить через ячейку 96 485 кулонов электричества». Иными словами, электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность (способность атома соединяться с определенным числом других атомов).

Работа Фарадея поражает воображение. Возможность окисления и восстановления веществ электрическим током открыла широкие перспективы как для научных исследований, так и для химической и металлургической технологии. Еще при жизни ученого началось использование гальванопластики, создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.