Книга Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

Одно из них было сделано в ходе экспериментов, которые проводили университетские физики на берегу Москвы-реки. Пользуясь электрической машиной и вольтовым столбом, профессор Петр Иванович Страхов (1757—1813) изучал, как проходит электрический ток через речную воду и влажную землю. Опыты убедили Страхова в том, что гальваническое электричество, полученное с помощью вольтова столба, и электричество, получаемое с помощью электростатических машин, тождественны. Эту мысль он проводит в своем учебнике «Краткое начертание физики», вышедшем в 1810 г. Как он пришел к ней? Прямых оснований для нее не было ни в исходных данных Вольты, ни в последующих опытах по электролизу. Заметим также, что в то время не существовало иных указателей электрического тока, кроме физиологических,— реакций лапок лягушки, например, или болезненных ощущений в пальцах, которыми экспериментатор касался оголенных концов столба и электрической машины. Были, правда, еще электроскопы.

Страхов занимает особое место в истории Московского университета. Окончив его, он некоторое время работал секретарем поэта М. М. Хераскова, потом стал профессором университета, а с 1805 г. был его ректором. Он создал в университете физический кабинет. Так же как В. В. Петров в Петербурге, Страхов ввел в Москве физический практикум для студентов. Словом, начало экспериментальным работам по физике в Московском университете было положено им.

Так вот, проводя опыты на берегу Москвы-реки, Страхов обнаружил, что, если долго пропускать электрический ток через грунт, земля вокруг положительного полюса становится сухой и прохождение тока прекращается. К сожалению, большая часть рукописей, содержащих результаты его экспериментальных и теоретических работ, погибла при пожаре Москвы в 1812 г., сам он вскоре умер, и все идеи, к которым пришел этот незаурядный ученый, так и остались неизвестными.

Опыты Страхова продолжил его коллега Фердинанд Фридрихович Рейсс (1778—1852), занявшийся изучением действия гальванического тока на растворы.

Рейсс обнаружил, что разложение «межполюсной жидкости» на составные части под действием гальванического тока наблюдается всегда, каково бы ни было расстояние между полюсами. «Этот интересный результат,— писал Рейсс,— неизвестный до настоящего времени, я добыл из опытов, которые я производил на берегу Москвы-реки и на земле одного сада. Газы выделялись всегда с одинаковой скоростью на конце полюсов маленького элемента, когда они находились в наполненном водой стакане на расстоянии только одного дюйма или когда они были удалены друг от друга слоем воды в двести шагов или слоем влажной земли в десять, двадцать или больше аршин».

Механизм электролиза Рейсс объяснял тем, что «одна из двух составных частей молекулы, разлагаемой действием гальванического тока, переносится от одного полюса к другому через межполюсную жидкость». Если между полюсами поместить какое-либо постороннее тело, например землю, то она не будет мешать прохождению тока и разложению воды.

В 1807 г. Рейсс видоизменил опыт Никольсона по разложению воды. Чтобы добиться разделения продуктов электролиза, Рейсс заполнил толченым кварцем среднюю часть 15-образного электролизера-трубки. Это помогло ему получить чистый кислород и водород. Но он заметил, что приложение внешнего большого напряжения к электродам приводит к перемещению воды в трубке в сторону отрицательного полюса. При длительном пропускании тока устанавливалась постоянная и значительная (до 20 сантиметров) разность уровней жидкости. Перенос жидкости

Схема опытов Рейсса по электроосмосу и электрофорезу под действием внешнего электрического тока, наблюдавшийся в пористых телах, получил название электроосмоса.

Рейсс продолжал модифицировать опыты по электролизу. Он погружал во влажную глину две стеклянные трубки, заполненные водой, в трубки вставлял электроды. После включения тока наряду с электроосмосом наблюдалось еще одно новое явление — движение оторвавшихся частичек глины в противоположном направлении — к положительному полюсу. Явление перемещения частиц твердой фазы в жидкости под действием тока было названо электрофорезом.

Рейсс сделал сообщение в университете об открытых им явлениях. Спустя два года вышли его статьи, в которых были подробно описаны электроосмос и электрофорез. В этих явлениях проявлялась связь между электрическим током и относительным перемещением твердой и жидкой фазы. Понимание такой связи было, однако, неполным, ибо явления, обратные электроосмосу и электрофорезу по характеру причинно-следственной связи, то есть возникновение электрического потенциала при движении жидкости или твердых частиц, были открыты спустя лишь полвека.

Эффект, противоположный электроосмосу, открыл Георг Квинке (1834—1924), профессор Берлинского университета. В его опытах при протекании жидкости через пористую диафрагму возникала разность потенциалов

Песок

Вода Схема возникновения потенциалов течения и оседания

между двумя электродами, помещенными по разным сторонам диафрагмы. Явление получило название потенциала течения. Тогда же (а именно в 1859 г.) Квинке предположил, что поверхность твердого тела заряжается одним знаком, а прилегающий слой жидкости — другим. Эта схема помогала объяснить относительное движение жидкости и частиц твердой фазы под действием тока, а также появление потенциала при протекании жидкости через пористую диафрагму. Впоследствии эта идея привела к открытию удивительной границы на разделе фаз — двойного электрического слоя.

Возникновение же разности потенциалов под влиянием механического движения твердых частиц в жидкости наблюдал в 1880 г. немецкий физик Фридрих Дорн (1848—1916). Оно было названо эффектом Дорна, или потенциалом оседания.

Так были открыты все электрокинетические явления.

Теория Берцелиуса

В 1818 г. Берцелиус (1779—1848) опубликовал на шведском языке третий том своего знаменитого учебника химии. Особую главу в нем он посвятил теории химических отношений. Спустя год эта глава была издана во Франции и Германии под названием «Опыт взгляда на учение о химических пропорциях и о влиянии электричества как химического агента». Эта работа была продолжением исследований, которые он выполнил сразу же после окончания университета в Упсале вместе с Вильгельмом Хизингером (1776—1852), у которого дома была превосходная лаборатория. Они изучили влияние вольтова столба на растворы различных солей и установили что, щелочи перемещаются к отрицательному полюсу, а кислород, кислоты и окисленные продукты — к положительному. Они пришли к выводу, что соли разлагаются на окись металла и кислотный ангидрид.

Из факта разложения растворов солей на две части, выделяющихся на различных электродах, Берцелиус делает вывод, что каждое сложное вещество независимо от числа составляющих его частей может быть разделено на две части — электроположительную и электроотрицательную.

Этот электрохимический дуализм стал для Берцелиуса объяснительным принципом. С подобных позиций на электролиз он смотрел так. При прохождении электрического тока у атомов восстанавливается полярность, которой они обладали до вступления в соединение, и они, естественно, начинают тяготеть к полюсу с противоположным электрическим зарядом. Теория Берцелиуса дополняла теорию Гротгуса. Но шведский ученый желал идти