Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Элементы образуются и возле анода, и возле катода. Если электричество проходит через раствор серной кислоты, то водород скапливается возле катода, а кислород — возле анода. Когда электричество проходит через раствор хлорида натрия, то натрий образуется возле катода, а газообразный хлор — возле анода.

Фарадей не знал, как именно атомы распространяются внутри электролита. Некоторые называли такие атомы «дрейфующими», однако атомистическая теория тогда все еще была в новинку, и Фарадей относился к ней с недоверием, поэтому назвал их ионами (что в переводе с греческого означает «бродяга»), ничего не говоря об их природе.

Те ионы, что образуются у катода (например, ионы натрия и водорода) называются катионами, а те, что образуются возле анода (ионы кислорода и хлора), получили названия анионы.

Фарадей тщательно измерил массу элементов, образующихся под действием электрического тока, и в 1832–1833 годах написал работу, которая впоследствии получила название законы электролиза Фарадея.

Первый закон электролиза гласит: масса элементов, образующихся в результате электролиза, прямо пропорциональна количеству пропускаемого через электролит электричества. Единицей количества электричества в системе МКС является 1 кулон (см. ч. II). Если пропустить заряд в 1 кулон через серебросодержащее химическое соединение, то образуется 0,001118 г серебра. Согласно первому закону Фарадея, под действием заряда в два кулона образуется 0,001118 x 2 г серебра, а под действием заряда в X кулон — 0,001118 x X г.

Один грамм-атом серебра равняется 107,87 г серебра. Какое количество электричества необходимо для получения 107,87 г серебра? Составляем уравнение 0,001118 ∙X = 107,87. Решением уравнения является X = 96,5 кулона, или 1 фарадей. 1 фарадей — это количество электричества, необходимое для получения 1 грамм-атома серебра из серебросодержащего химического соединения.

Перед тем как перейти ко второму закону Фарадея, необходимо понять, что такое эквивалентная масса.

Молекула хлористого водорода (НСl) состоит из одного атома хлора и одного атома водорода, и, чтобы получить один грамм-атом хлористого водорода, необходимо соединить один грамм-атом хлора (35,5 г) и один грамм-атом водорода (1 г). Точно так же из одного грамм-атома натрия (23 г) и одного грамм-атома хлора получается один грамм-атом хлорида натрия (NaCl).

Однако один грамм-атом хлорида кальция (СаСl 2) получается из одного грамм-атома хлора и лишь половины грамм-атома кальция. Это происходит потому, что один атом кальция присоединяет два атома хлора, а для реакции нужна лишь половина атомов кальция. Один грамм-атом кальция равен 40 г, то есть половина грамм-атома кальция равна 20 г. Значит, эквивалентная масса кальция по отношению к хлору (как и к водороду и натрию) при образовании химических соединений равна 20 г (впрочем, обычно эквивалентная масса берется по отношению к водороду).

Или, например, для образования одного грамм-атома хлорида магния (MgCl 2) необходимо соединить один грамм-атом хлора с половиной грамм-атома магния, а для получения одного грамм-атома хлорида алюминия (АlСl 3) необходимы один грамм-атом хлора и одна треть грамм-атома алюминия, значит, эквивалентной массой магния будет 12 г, т. е. атомный вес магния (24), разделенный на два, а алюминия — 9 г (27 разделить на 3).

Итак, в упрощенном виде второй закон Фарадея звучит так: если пропустить заряд в 1 фарадей через химическое соединение, то получаемые элементы будут иметь массу, равную их эквивалентной массе.

Под действием заряда в 1 фарадей образуется 108 г серебра, или 23 г натрия, или 35,5 г хлора, или 1 г водорода (т. е. масса образовавшихся элементов будет равна их атомному весу), или же 20 г кальция и 12 г магния (т. е. масса равна половине атомного веса элемента), или 9 г алюминия (треть атомного веса).

Изучив законы электролиза, ученые задались вопросом: а вдруг электричество, как и любое вещество, тоже состоит из частиц?

Давайте представим, что эти частицы действительно существуют, причем существуют они в двух вариантах: положительно заряженные частицы, которые притягиваются к отрицательно заряженному катоду, и отрицательно заряженные, притягивающиеся к положительно заряженному аноду. (Разноименные заряды притягиваются — см. ч. II). Эти заряды можно обозначить как «+» и «–». Так, заряды со знаком «+» переносят атомы водорода и натрия к катоду, а со знаком «–» — атомы кислорода и хлора к аноду.

Итак, если атом водорода переносится к катоду положительно заряженными частицами, то такой атом можно обозначить Н +. То есть Фарадей назвал бы его ионом водорода. Точно так же можно обозначить ион натрия — Na +, а ион калия — К +. Все эти ионы являются положительными заряженными (т. е. катионами).

Можно сказать, что 1 фарадей содержит равное числу Авогадро количество электрических частиц. Если одна частица переносит один атом, то электрический заряд в 1 фарадей перенесет к катоду равное числу Авогадро количество атомов водорода, то есть один грамм-атом. Точно так же под действием заряда в 1 фарадей на электроде образуется один грамм-атом натрия, или один грамм-атом серебра.

Так как под действием заряда в 1 фарадей всегда образуется один грамм-атом вещества, то вполне логично было предположить, что частица, переносящая один атом вещества, является мельчайшей.

Так как атомы хлора образуются возле анода — электрода с положительным зарядом, то их должны переносить отрицательно заряженные частицы. Ион хлора обозначается как Сl –. Под действием заряда в 1 фарадей образуется один грамм-атом хлора, значит, количество и размер этих отрицательно заряженных частиц равны количеству и размеру положительно заряженных.

А как тогда быть с кальцием? Ведь под действием заряда в 1 фарадей образуется лишь половина грамм-атома кальция. Самый простым объяснением будет то, что для переноски одного атома кальция необходимы два катиона. То есть заряд в 1 фарадей перенесет в два раза меньше ионов кальция, чем, скажем, ионов натрия. Поэтому ион кальция обозначается как Са ++, ион магния — Mg ++, ион бария — Ва ++, а ион алюминия — Аl +++и т. д.

Первым, кто предположил, что на самом деле ионы Фарадея — это всего лишь положительно или отрицательно заряженные атомы, стал шведский химик Сванте Август Аррениус (1859–1927). В своих взглядах он опирался не только на работы Фарадея, но и на наблюдения других химиков.

По Аррениусу, под действием электричества молекула расплавленного хлорида натрия (NaCl) распадается не на атомы, а на заряженные ионы натрия (О”) и хлора (Na +). Затем ионы натрия устремляются к катоду, а хлора — к аноду. (Эта теория получила название теория диссоциации Аррениуса.) [120] Как выяснилось позже, Аррениус ошибался, полагая, что ионы образуются под влиянием электричества. Например, атомы хлорида натрия постоянно существуют в форме ионов. Тем не менее Аррениус, как и Дальтон, был прав для своего времени. У катода и анода ионы разряжаются и образуются незаряженные атомы: натрий у катода и газообразный хлор у анода.