Читаем Электричество в мире химии онлайн бесплатно
Издательство "Знание” Москва 1987
ББК 24.5
В75
Автор: ВОРОНКОВ Георгий Яковлевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института горного дела имени А. А. Скочинского Академии наук СССР, специалист по электрохимии и физико-химии, изобретатель.
Рецензент: Соболь В. В.—кандидат химических наук.
Предисловие профессора, доктора химических наук В. В: БАТРАКОВА.
В75 Электричество в мире химии.— М.: Знание, 1987.— 144 с,— ил.
25 к.
65 000 экз.
Научно-популярная книга о том, как трудом многих поколений ученых, среди которых были М. В. Ломоносов, Л. Гальвани, А. Вольта, В. В. Петров, Г. Дэви, М. Фарадей, создавалась и развивалась электрохимия, изучающая связи между электричеством и химическими процессами. Электрохимия — основа химических источников тока, а также многих прогрессивных технологических процессов, играющих важную роль в промышленности. Работа нервных клеток и передача нервных импульсов в организме тоже опирается на электрохимию.
Для широкого круга читателей.
1805000000—017
23—87
ББК 24.5
073(02)—87
© Издательство «Знание», 1987 г.
Среди научных идей, оказавших огромное влияние на развитие человеческого общества, на прогресс техники, экономики и культуры, на весь облик нашей цивилизации, немаловажное место занимает идея взаимосвязи электрических и химических явлений.
Высказанная 230 лет назад гениальным М. В. Ломоносовым, воплотившись в открытиях Гальвани и Вольты, она привела к созданию химического источника тока — вольтова столба. Но это было только начало. Прежде чем по-настоящему воплотить в жизнь эту идею, человечество прошло большой путь научных исканий, накапливая и осмысливая массу новых знаний в области физики и химии.
Появление первого химического источника тока стимулировало изучение природы электричества и его действия на различные вещества. Полтора века отделяют нас от того дня, когда Фарадей окончательно сформулировал законы электролиза, после чего ученые многих стран, в том числе и России, начали последовательно проникать в сущность таких сложных явлений, как связь электрического заряда с частицами вещества, понимать, какова истинная роль химических процессов в образовании гальванического тока, в каком состоянии находится в растворе вещество и какие проявляет свойства, как устроен этот удивительный электрический слой, лежащий на границе твердого тела с раствором и влияющий на химические и физические особенности поверхностных явлений. Так шаг за шагом дело шло к формированию электрохимии сначала как раздела химии, а затем и как самостоятельной науки.
Широко шагает химия в промышленное производство, энергетику, транспорт, связь, культуру и быт; ускоряется процесс внедрения в жизнь новых научных идей. Вклад наших химиков в ускорение научно-технического прогресса неоценим. Все более надежными, прочными, износостойкими, экономичными и эстетически привлекательными становятся изделия промышленности. Все более весомый вклад в развитие народного хозяйства вносят электрохимики — ученые и производственники.
Трудами многих ученых, среди которых были и мировые величины, увенчанные высшими премиями, и люди малоизвестные, но талантливые и беззаветно преданные поискам истины, сотни и тысячи инженеров, техников, рабочих, была создана затем и огромная электрохимическая индустрия, плодами которой человек пользуется ежечасно, даже не задумываясь об их происхождении. Это и аккумуляторы в автомобилях, и батарейки в транзисторах, и бессчетное количество металлических покрытий на вещах, к которым мы прикасаемся,— всего перечислить невозможно! Всем этим изделиям и порождающим их технологиям посвящена последняя, восьмая глава книги, в которой дана и история электрохимии как промышленности, и сегодняшний ее день, и завтрашний.
Историзм вообще свойствен книге Г. Я. Воронкова, в которой повествуется, «как было дело» от шумеров до Гальвани и от Гальвани до Фрумкина. Иногда рассказ лаконичен и суховат, иногда, напротив, заблестит в нем живая, яркая подробность, рисующая характер персонажа или глубинную суть проблемы. Так перед нами встают далеко не бесплотные образы того же Гальвани, Ломоносова, Дэви, Фарадея, Якоби, Нернста. Так влечет к себе таинственный двойной электрический слой. Так будит наше воображение старая, но вечно юная мечта об электромобиле и об экологически благоприятных процессах и устройствах... Хочется верить, что, познакомившись с приключениями электричества в мире химии, читатель разделит наш энтузиазм и убежденность в непреходящем значении тех идей, которые легли в основание электрохимии, как для естествознания вообще, так и для интенсивного прогресса науки и техники, являющегося сегодня главной заботой партии и народа.
В. Батраков, профессор, доктор химических наук
С незапамятных времен человек начал осваивать химические процессы. Что такое дубление кожи, окраска тканей, гончарное производство, получение металлов и сплавов из руды, как не химия, обыкновенная практическая химия, совокупность технологических приемов, основанных на превращениях веществ... Другое дело, что осознание закономерностей этих превращений, проникновение в их атомно-молекулярные механизмы пришло много позже.
А электричество? Находило ли оно применение в те далекие времена? Это вопрос посложнее. Конечно, человек знал об электрических скатах и угрях, наблюдал разрушительное действие молнии, видел, как натертый янтарь притягивает лоскутки и даже, возможно, догадывался о родстве всех этих явлений. Но шло ли дело дальше этих догадок?
В III тыс. до н. э. в горных областях Шумера (на территории современного Ирака), по свидетельству археологов, уже добывали медь, а около 1500 г. до н. э. в Малой Азии и на Южном Кавказе умели плавить железо с помощью «жаркого пламени», получаемого при продувке воздуха через горящий древесный уголь. Это была эпоха, когда человек учился добывать металлы и изготовлять из них разнообразные изделия. Кроме меди и железа, в употреблении были свинец, олово, ртуть, золото, серебро. Появились первые электролиты — уксусная и лимонная кислота, сода, поташ, сульфат медщ различные соли, гидроокиси щелочных металлов. Вполне достаточно, чтобы случайным сочетанием двух разнородных металлов, опущенных в раствор электролита, получить химический источник тока.
Лет пятьдесят назад под Багдадом археологи нашли керамический сосуд с остатками железа и меди. Что это? Не гальванический ли элемент? Ведь если залить этот сосуд раствором электролита, будет вырабатываться электрический ток. Но для чего понадобился шумерам гальванический элемент?
Прошло четверть века, и южнее Багдада, на высоком берегу Тигра, археологи раскопали конусообразные керамические сосуды, в которых обнаружились разъединенные медные цилиндры и железные бруски. Опять гальванический элемент? Неподалеку были найдены серебряные украшения, на которых хорошо сохранилась позолота. Так вот для чего! В наше время для нанесения тонкого слоя золота поверх серебра пользуются электролизом — другого способа нет. Но неужели и шумерам был известен электролиз? А почему бы и нет: ведь каким-то образом им удавалось наносить золото на серебро, и если это был не электролиз, то что же? Жаль только, что ни в одном из шумерских текстов нет и намека на то, что в те времена умели получать электрический ток и пользоваться им. Тогда гипотеза, пусть даже и весьма правдоподобная, превратилась бы в доказательство.
Как бы то ни было, ни в эпоху Древней Греции и Древнего Рима, ни в средние века мы не находим никаких свидетельств практического использования электричества. Если и был известен шумерам гальванический элемент, то его секрет погиб вместе с их царством. Между тем химия, где и должно было начаться применение электричества, на месте не стояла. В поисках способа получения золота и серебра из неблагородных металлов алхимики перепробовали все виды воздействия одних веществ на другие и открыли немало полезного. Но до электролиза они не додумались, иначе могли бы получать золото, осаждая его на электроде.
В 1660 г. магдебургский бургомистр Отто фон Герике (1602—1686), человек пытливого ума и прирожденный изобретатель, вспомнив о свойствах янтаря, решил создать электрическую машину. Он отлил из серы шар и укрепил его на оси. Вращая шар и прижимая к нему ладони, можно было получать электричество. Из шара сыпались искры.
Но это была игрушка, не более. Когда же в 1745 г. появился первый конденсатор — лейденская банка, о перспективах практического использования электричества заговорили всерьез. Хотя, по правде говоря, перспективы эти были еще очень и очень туманными. Лейденская банка вошла в моду. В аристократических салонах, в кабинетах ученых, даже в театрах — всюду проводились опыты с лейденской банкой, из которой выскакивали искры. В основном это были физиологические опыты: демонстрировалось действие электрического тока на человека и на жи-6
вотных. Электричеством пытались лечить, говорили, что оно хорошо помогает от головной боли, от невралгии.
Между тем электричеством начинала постепенно инте* ресоваться химия. Одним из первых среди химиков, кто проявил к нему интерес, был, пожалуй, тот, кто и положил начало химии как науке, а именно знаменитый Роберт Бойль (1627—1691). Бойль ввел в химию экспериментальные методы и понятие химического элемента, создал индикаторы для определения кислоты и щелочи в растворах, сделал немало других важных открытий. Изучал он и электризацию тел, подолгу наблюдая за искрами, которые проскакивают между иголкой и натертым шерстью янтарем. Он писал, что они напоминают ему маленькие молнии. Но так и не придумал, что делать с ними. Семнадцатому веку не суждено было проникнуть в тайны электричества или хотя бы начать приобретать власть над ним. Все это досталось восемнадцатому веку, когда благодаря трудам Антуана Лавуазье (1743—1794) и его коллег в других странах была подвергнута новым серьезным преобразованиям химическая наука, а Бенджамин Франклин (1706—1790) потряс весь мир своими опытами с атмосферным электричеством.
«...В Филадельфии господин Франклин столь далеко отважился,— писали «Санкт-Петербургские ведомости»,— что возжелал из атмосферы вытягивать тот страшный огонь, который часто целые земли погубляет». Этот неутомимый политик, талантливый дипломат, энергичный борец за независимость посвятил науке всего семь лет. Но сколько он успел сделать за эти годы! Он увлекся опытами с электричеством в сорок лет и вскоре же проделал блестящий эксперимент, пропустив на землю разряд молнии по влажной веревке от воздушного змея. Этим он продемонстрировал электрическую природу молнии. Франклину мы обязаны понятиями батареи, конденсатора, проводника, заряда, разряда, он ввел их в науку. Он считал, что электричество состоит из мельчайших частиц, которые способны проникать внутрь металлов с такой же легкостью, с какой газ распространяется в атмосфере. В 1750 г. он изобрел громоотвод. Слава о нем распространилась по всему миру. «Он отнял молнию у богов
и власть у тиранов» — высечено на его памятнике. Лучшей эпитафии этому человеку — герою и ученому — не придумаешь.
Опыты Франклина ошеломили мир. Императрица Елизавета пожелала, чтобы российские академики Ломоносов и Рихман, тоже экспериментировавшие с атмосферным электричеством, показали ей и ее приближенным, как улавливается грозовая энергия. Летом 1753 г., когда над Петербургом собиралась гроза, в покоях императрицы собралось избранное общество. При сверкании молнии за окном из стеклянного шара с треском выскакивали искры. Елизавету даже слегка ударило током. Рихман успокоил ее, рассказав, как один ученый наэлектризовал свою даму сердца и, когда она его поцеловала, ощутил на губах сильный электрический разряд, после чего в науке возникло новое понятие «электрический поцелуй». Ее величество благосклонно внимала шутке, и никто не подозревал, что экспериментатор вскоре падет жертвой новой, необузданной еще силы.
Еще в 1745 г. Георг-Вильгельм Рихман (1711 —1753) сделал свое первое крупное изобретение — создал «электрический указатель». Прибор состоял из поставленной вертикально металлической линейки, свободно висящей вдоль нее льняной нити и дуговой шкалы, разделенной на градусы. Величина заряда измерялась углом отклонения нити. Рихман хотел измерить этим прибором электрическую силу молнии. Вместе с Ломоносовым они сконструировали «громовую машину» — электроскоп, улавливающий электрический заряд из атмосферы.
Опыты Рихмана и Ломоносова в области атмосферного электричества привлекали всеобщее внимание. Сообщения о них регулярно печатались в «С.-Петербургских ведомостях». В начале сентября 1753 г. на публичном собрании Академии наук должен был состояться отчет об этих исследованиях. Времени оставалось мало, и ученые не пропускали ни одной грозы. 6 августа они приступили к опытам в доме Рихмана на углу Большого проспекта и 5-й линии Васильевского острова.
Тучи уже клубились над Невой, из провода посыпались первые искры. Жена и дочь позвали Ломоносова обедать. Он был голоден и решился ненадолго уйти. Рихман остался один. Вдруг из железного прута, выходящего из «громовой машины», отделился синеватый клуб огня. Неслышно проплыв по воздуху, он коснулся лба Рихмана, 8
и тот молча упал. На его лбу запечатлилось красновишневое пятно. Затем последовал пушечный раскат грома, все лейденские банки разлетелись вдребезги, присутствующий при этом художник, не успев, конечно, ничего зарисовать, был отброшен к порогу, одежда на нем горела.
Немного позднее появилась работа Ломоносова, посвященная памяти Рихмана, в которой образование атмосферного электричества объяснялось трением, возникающим при движении потоков воздуха.
