Сержио Рарра Кастильо - Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

• Название: Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция
• Автор: Сержио Рарра Кастильо
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия. Герой этой книги был самоучкой, он многое постиг экспериментальным путем, поэтому одной из его важнейших задач стало распространение знаний о своих открытиях среди коллег и современников.

---

Электрохимия

Особенно интересны термины, введенные для понятий, связанных с электрохимией. Если в своих предыдущих исследованиях Фарадей был пионером и ему требовались абсолютно новые термины, то в области электрохимии уже существовал некоторый понятийный аппарат. Однако Фарадей считал, что старые термины не соответствуют тому, что обозначают: он был уверен в неотложной необходимости ввести новые термины для описания знакомых понятий, чтобы не ограничивать процесс осмысления старыми рамками. Например, для терминов «анод» и «катод» Фарадей представил Уэвеллу образ тока, перемещающегося в направлении восток — запад. Этот образ тесно связывался с земным магнетизмом и линиями широты.

Уэвелл предложил два варианта: эйсод (путь входа) и эксод (путь исхода), или анод (путь с востока) и катод (путь на запад). Фарадей в конце концов

выбрал второй вариант, так как он лучше описывал то, что ему хотелось выразить. Также совместно они придумали термин «электролиз», то есть разложение молекул электрическим током. Им принадлежит термин «ион» (идущий) — заряженная частица, движущаяся в растворе. В свою очередь, ионы, движущиеся к аноду, стали анионами, а те, что перемещаются в направлении катода, — катионами. Уэвелл придумал и много других терминов, связанных с наукой. Одно из таких обозначений не имеет эквивалента в русском языке — это все чаще произносимый в последнее время термин consilience, его ввел в моду Эдвард О. Уилсон в книге, озаглавленной «Consilience. Единица знания», и он означает определенный подход к обобщенному изучению науки и гуманитарных дисциплин, выведение общего из разных классов знания.

Уильям Уэвелл. * * * 

Но именно Майкл Фарадей назвал электродами две металлические пластины, погруженные в жидкость для электролиза. Отрицательный электрод получил наименование «катод», а положительный — «анод». Атомы, как правило, нейтральны, у них нет положительного или отрицательного заряда, но прохождение тока через жидкость делало атомы заряженными и заставляло их перемещаться. Фарадей назвал заряженные атомы ионами. Сегодня нам известно, что ион является заряженным атомом, потому что он получил или потерял электроны, но Фарадей в ту эпоху не мог знать об электронах, хотя, несомненно, у него были определенные догадки на этот счет.

Электрохимические эксперименты в этой области показали, что существует два основных класса химических элементов: те, что, распадаясь при электролизе, перемещаются к положительному полюсу электрической цепи (электроотрицательные элементы), и те, которые перемещаются к отрицательному полюсу (электроположительные элементы).

Были сделаны попытки встроить в эту зарождающуюся органическую химию теорию, разработанную Гемфри Дэви и шведским химиком Берцелиусом (1779–1848), согласно которой электрическое взаимодействие между электроположительными и электроотрицательными элементами должно было полностью или частично нейтрализовываться, а с помощью остаточного заряда могли формироваться новые, более сложные соединения с более хрупкими связями.

Тогда были открыты свободные радикалы — группы атомов, которые в химических реакциях ведут себя как отдельная единица и способны соединяться, что парадоксально, как с электроположительными, так и с электроотрицательными элементами. Таким образом, свободные радикалы ставили под сомнение предсказания дуалистской теории и представляли органическую химию как намного более сложную дисциплину, чем казалось на первый взгляд.

* * * Электролиз воды

Электролиз воды — это разложение воды (H2O) на газы — кислород (O2) и водород (H2) — с помощью пропускания электрического тока через воду. Этот процесс позволяет подтвердить соотношение, в котором находятся эти два газа: 2 объема водорода на 1 объем кислорода. Отрицательно заряженный катод собирает катионы водорода для формирования газа водорода. Положительно заряженный анод направляет электроны к аноду для замыкания цепи. Чистая вода не проводит электричество. Для осуществления реакции в воду добавляется несколько капель серной кислоты (Н2SO4), электроды должны быть из платины, используется постоянный ток. в результате мы получаем вдвое больший объем H2 (на катоде) по сравнению с O2 (на аноде). Более детально рассматривая процесс, мы можем наблюдать, что при погружении двух электродов в кювету с водным раствором (вода и несколько капель серной кислоты) в растворе будут находиться ионы водорода (Н+) и сульфата (SO4-). Если затем подключить генератор электрического тока, некоторые молекулы воды будут распадаться на H+ и ОН-. В результате ион OH- будет образовывать воду и молекулы газа кислорода, осаждающиеся на аноде в виде пузырьков.

При этом ион SO4- вернется в раствор и останется в состоянии иона. В то же время ионы H+ от кислоты и воды уступят свои заряды и образуют молекулы водорода, осаждающиеся в виде пузырьков на катоде.

* * *

Открытие свободных радикалов привело к необходимости выявить число возможных комбинаций, которые могли создавать каждый радикал и каждый элемент. Позже это число назовут валентностью. Таким образом, давалась численная оценка способности одного или нескольких атомов элемента заменять один или несколько атомов другого элемента в сложной органической структуре.

Результаты экспериментов, проведенных Фарадеем в области электрохимии, можно обобщить в двух предложениях, которые получили название «законы электролиза Фарадея».

— Масса химических веществ, осажденных на электроде, прямо пропорциональна количеству пропущенного тока на требующееся для процесса время.

— Для данного количества электричества масса освобожденных химических элементов прямо пропорциональна их химическим эквивалентам.

Химическим эквивалентом, или эквивалентной массой, называется масса элемента, взаимодействующая с примерно 1 граммом водорода. Необходимое количество электричества для осаждения химического эквивалента любого постоянного элемента является константой, названной постоянной Фарадея, равной 96500 Кл, что эквивалентно 1 фараду (Ф). Таким образом, математическая формула, объединяющая оба закона, выглядит так:

где т — масса в граммах осажденного на электроде элемента, I — сила тока, t — время прохождения тока через раствор, Eq — химический эквивалент элемента.

Современная электрохимия появилась благодаря законам электролиза, сформулированным Фарадеем. В связи с этим в его честь фарадом (Ф) называется единица, используемая в электрохимических системах для расчета массы элементов, которые осаждаются на электроде, то есть количество электричества, необходимое для осаждения химического эквивалента элемента: 23 грамма натрия, 108 граммов серебра или 32 грамма меди.

ПРИЗНАКИ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ

Эксперименты по химическому разложению стали для пытливого ума Фарадея толчком к новым исследованиям. Он начал новую серию опытов, связанную с первой, однако результаты показались малофункциональными. Например, одно из важнейших сопутствующих исследований, которые Фарадей оставил незавершенными из-за боязни никогда не найти убедительного объяснения, было связано с эффектом платины — металла, используемого в качестве одного из полюсов в кюветах для электролиза. Фарадей заметил, что на платине, какой бы чистой она ни была, при прохождении тока на поверхности всегда возникают реакции водорода и кислорода. Такое явление называется катализом — термин предложил Берцелиус в 1836 году. При этом процессе происходит ускорение или замедление химических реакций благодаря участию вещества, называемого катализатором. Многие каталитические процессы, особенно связанные с водородом, требуют участия таких металлов, как платина. Однако Фарадею здесь не удалось добиться больших успехов.

Наступила весна 1834 года, и ученый начал жаловаться, что до сих пор не смог сформулировать теорию о взаимодействии электричества и материи. Например, его чрезвычайно расстраивал тот факт, что жидкость при заморозке продолжает проводить электричество и даже может заряжаться. Прежде все материальные вещества в мире разделялись на проводники и изоляторы, но Фарадей полагал, что все тела должны проводить электричество «от металлов до лака и газов, но в разной степени».

Догадки? Я ими не занимаюсь. Я лишь опираюсь на факты.

Майкл Фарадей, ответ на вопрос о жизни после смерти

Но если версия Фарадея была справедливой и электричество проходило одинаково через все вещества, материя не могла считаться континуумом, а должна была состоять из частиц.