В середине XIX в. английский химик Томас Грэм (1805—1869) обнаружил вещества с загадочными свойствами. При выпаривании их растворов вмес­то кристаллов получались аморфные студенистые массы. Они имели клеящие свойства. По-гречески клей — «колла», поэтому Грэм назвал эти «аномальные» вещества коллоидами. Он выдвинул гипотезу, согласно ко­торой все вещества делятся на колло­иды и кристаллоиды (при выпарива­нии раствора они выпадают в виде кристаллов). Во второй половине

XIX  в., когда химики открыли много новых коллоидов, казалось, что идея Грэма торжествует. Однако в начале XX в. она была отвергнута.

Как выяснилось, из одного и того же вещества можно приготовить и обычный, и коллоидный раствор. Просто в обычных растворах веще­ство находится в виде отдельных молекул или ионов, а в коллоид­ных — в виде значительно более крупных частиц. Например, пова­ренная соль в органическом раство­рителе (бензоле) образует типич­ную коллоидную систему.

Очень много внимания Вольта уделял изучению различ­ных свойств электрического тока, причём наблюдал его действие преимущественно на людях. Это и неудиви­тельно, ведь никаких электроизмерительных приборов (кроме электроскопа да лягушачьей лапки) тогда не су­ществовало.

Вольта пытался, например, выяснить влияние тока на зрение, на обоняние, на вкус. Однажды в присут­ствии Наполеона учёный выстроил полукругом цепоч­ку гренадеров и предложил им всем взяться за руки, а крайним в цепи прикоснуться к концам вольтова стол­ба. Из-за непроизвольного сокращения мыши все гре­надеры одновременно подпрыгнули!

Вольта и его современникам удавалось избежать трагических последствий подобных опытов, поскольку мощность их батарей была невелика. Однако даже срав­нительно слабый (доли ампера) электрический ток да­леко не безобиден по отношению к живым организмам. Проходя через жизненно важные органы (сердце, лёг­кие, мозг) людей и теплокровных животных, ток может вызвать паралич дыхания, остановку сердца или ожог.

Наиболее опасен для человека переменный ток не­большой частоты (в том числе обычный промышленный ток), постоянный ток менее вреден. Предельно допус­тимое значение напряжения при воздействии на чело­века переменного тока в течение одной секунды соста­вляет 36 В, постоянного — 200 В. При этом предельная величина силы тока равна соответственно 6 и 15 мА. С точки зрения безопасности очень важной величиной является так называемый пороговый неотрываемый ток, т. е. минимальное значение тока, которое вызывает на­столько сильные судорожные сокращения мышц, что че­ловек не может самостоятельно освободиться от зажа­того в руке проводника. Среднее значение порогового неотрываемого тока (при прохождении от рук к ногам) для взрослых мужчин — 15 мА, для женщин — 10 мА.

Алессандро Вольта опытным путём установил ряд напряжений метал­лов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Cила гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше отстояли друг от друга члены ряда. Однако причина этого в те годы была неиз­вестна. Правда, ещё в 1797 г. немец­кий учёный Иоганн Вильгельм Риттер (1776—1810), прославившийся от­крытием ультрафиолетовых лучей, предсказал, что в ряду напряжений металлы должны стоять в порядке уменьшения их способности соеди­няться с кислородом. В случае цинка и золота этот вывод не вызывал сом­нений; что же касается других метал­лов, то надо отметить, что их чисто­та была не очень высока.

В наши дни количество израсходованной электроэнергии измеряет всем знакомый счётчик. Чем больше электричества пройдёт через него, тем больше оборотов сделает диск и тем значительнее показания счёт­чика. Современный прибор, как правило, отградуирован в киловатт-ча­сах (кВт•ч). Однако первый электросчётчик, который придумал в 80-х гг. XIX в. знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847— 1931), был совсем другим. В нём применялся принцип электролиза. В те времена использовался постоянный ток напряжением 110 В. На ввод каж­дого потребителя своей электрической компании Эдисон поместил эбо­нитовую коробочку, в которой находились две цинковые пластинки, по­гружённые в водный раствор сульфата цинка. При пропускании тока цинк постепенно переносился с анода на катод, в результате чего массы пла­стинок менялись. ещё Фарадей в 1833—1834 гг. установил, что при про­хождении через раствор соли цинка 96 500 Кл электричества (это чис­ло называется постоянной Фарадея, её точное значение 96 484,6 Кл/моль) на катоде выделяется 32,7 г металлического цинка, т. е. ровно 0,5 моль, поскольку Zn²⁺ —двухзарядный ион. Поэтому по изменению массы пластинок определяли, много ли электроэнергии истратил потре­битель.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ

(1791—1867)

Он не оканчивал университетов, этот гениальный самоучка. Подростком, работая в переплётной мастерской, приводил в порядок растрёпанные фо­лианты. Среди них попадались книги по химии и физике. Читая их, Майкл Фарадей приобрёл первые познания в этих науках. Он стал посещать публич­ные лекции Гемфри Дэви. Тот обратил внимание на пытливого юношу и в 1813 г. взял его в свою лабораторию ассистентом. Ученик оказался из тех, которым суждено было превзойти учи­теля. Уже в 1825 г. он сменил Дэви на посту директора лаборатории, а годом раньше стал членом Лондонского коро­левского общества.

Фарадей вошёл в историю как один из величайших учёных XIX в. «Никогда со времён Галилея свет не видел столь поразительных и разнообразных от­крытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея», — говорил известный русский фи­зик Александр Григорьевич Столетов.

Первый период его творчества был в основном связан с химией. Впечатляюще выглядит перечень достигнутых результатов. Усовершенствовав способ сжижения газов, Фарадей получил в жидком состоянии хлор, сероводород, диоксид углерода, аммиак и диоксид азота. В 1825 г. из отходов светильно­го газа выделил бензол и изучил его важнейшие свойства. Одним из первых исследовал каталитические реакции, безуспешно пытаясь синтезировать ам­миак из азота и водорода.

Что происходит в растворе при про­хождении электрического тока? Как связано электричество с веществом? Почему при электрохимическом раз­ложении воды водород и кислород выделяются на разных полюсах?

Многие из этих вопросов суждено было решить великому английскому физику и химику Майклу Фарадею. Он прежде всего выяснил, имеет ли электричество, полученное от разных источников, одну и ту же природу. Учёный установил, что электричест­во, возникающее при трении веществ (например, в электрофорной маши­не), а также полученное в гальва­нической батарее, магнитоэлектричество, «животное» электричество (например, от электрического ската), термоэлектричество тождественны по своей природе и различаются лишь количественно — мощностью и напряжением.

Фарадей придумал для новой нау­ки исключительно удачные термины. Согласно Фарадею, процессы элек

трохимического разложения — элек­тролиза — протекают на электродах (от греч. «электрон» и «ходос» — «до­рога», «путь»), В растворе электриче­ство переносится ионами (от греч. «ион» — «идущий»): ионы, несущие положительный заряд (катионы), пе­ремещаются к отрицательно заря­женному электроду — катоду (от греч. «катод» — «путь вниз»), а ионы, несущие отрицательный заряд (ани­оны), направляются к положительно заряженному электроду — аноду (от греч. «анод» — «путь вверх»).

Электролиз широко используют в про­мышленности для синтеза разнообраз­ных продуктов. Регулируя температуру и силу тока, можно сравнительно про­сто управлять скоростью и направлени­ем этого процесса. Электролизом вод­ных растворов в огромных количествах получают водород и кислород, хлор и его диоксид, гидроксид натрия, хлора­ты (соли хлорноватой кислоты НСlО₃) и перхлораты (соли хлорной кислоты НСlО₄), такие металлы, как медь, сви­нец, олово, кобальт, никель и др. Элек­тролитическим методом наносят деко­ративные и защитные покрытия из драгоценных металлов, никеля, хрома (гальванические покрытия). Электро­лиз расплавов даёт щелочные и шёлочно-земельные металлы, алюминий, маг­ний и др. В органической химии различные соединения получают вос­становлением на катоде или окислени­ем на аноде; при этом часто использу­ют неводные растворители.

Механизм многих процессов элек­тролиза водных растворов может быть довольно сложным. Внешний источник напряжения как бы перекачивает элек­троны от анода к катоду, поэтому на ка­тоде происходят реакции присоедине­ния электронов (восстановление), а на аноде — реакции отдачи электронов (окисление). Если на электродах не бу­дут идти окислительно-восстановитель­ные реакции, ток через раствор вообще не пойдёт. Ведь именно в ходе электрод­ных реакций электроны переходят с катода в раствор, а из раствора — на анод, замыкая таким образом электри­ческую цепь. В растворе же ток перено­сится не электронами, а ионами.

Изобретение Вольта быстро привлекло внимание учёных ещё и потому, что по­зволяло проводить длительные разнооб­разные опыты, в том числе и химиче­ские. Раньше, когда единственным источником тока служила электрофорная машина, заряжавшая простейшие накопители электричества — лейден­ские банки, многие эксперименты бы­ли невозможны. Восторженные отзывы об открытии Вольта шли потоком. Вот, например, слова его биографа фран­цузского физика Доминика Франсуа Араго (1786—1853): «Столб, составлен­ный из кружков медного, цинкового и влажного суконного. Чего ожидать априори от такой комбинации? Но это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разно­родных металлов, разделённых неболь­шим количеством жидкости, составля­ет снаряд, чуднее которого никогда не

изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».

Во многих лабораториях началось настоящее заочное состязание физи­ков — кто построит самую мощную гальваническую батарею? Первыми об открытии Вольта узнали в Англии: в письме президенту Лондонского коро­левского общества Джозефу Бэнксу (1743—1820) от 20 марта 1820 г. изо­бретатель описал различные конструк­ции гальванических элементов. Бэнкс ознакомил с этим посланием своих кол­лег, и уже в конце апреля того же года Энтони Карлейль (1 768—1 840) изгото­вил вольтов столб из 17 последователь­но соединённых цинковых кружков и монет в полкроны (тогда их чеканили массой 14,1 г из серебра 925-й пробы). Затем число элементов батареи было увеличено до 36. В первых же опытах наблюдалось разложение воды с обра­зованием газов.

Знаменитый английский физик Гем­фри Дэви сначала проводил опыты с батареей, подаренной ему самим Вольта, но затем стал изготовлять всё более мощные собственные конструкции из медных и цинковых пластинок, разде­лённых водным раствором аммиака. Если первая его батарея состояла из 60 таких элементов, то выполненная несколько лет спустя — уже из 1000.

Эстафету исследований принял у Гальвани его соотечественник — фи­зик Вольта. Повторив опыты Гальвани, Вольта вначале полностью разделял теорию «животного» электричества. Однако позже он заметил: если при­коснуться с двух сторон к препариро­ванной лапке лягушки концами про­волоки из одного металла, то реакция мышц будет довольно слабой, а если в лапку воткнуть две соединённые между собой проволочки из разных металлов, сокращения усилятся. Это наблюдение не согласовывалось с теорией Гальвани. Вольта утвердился в мысли, что электричество возника­ет при контакте разнородных метал­лов. А лапка лягушки играет роль естественного индикатора электри­ческого тока. Учёный показал, что индикатором может быть не только лягушачья лапка, но и... язык экспери­ментатора! Он клал на середину язы­ка золотую или серебряную монету, а кончиком языка прикасался к оловян­ной или свинцовой пластинке. Как только два металла приводили в контакт с помощью проволоки, сразу же во рту ощущался кис­лый вкус. Когда металлы на языке меняли местами, чувст­вовалась горечь, характерная для щелочей.

Физиолог Гальвани однажды, как обычно, препарировал лягушку и лап­ки с обнажёнными нервами оставил на своём лабораторном столе. На этом же столе стояла электрофорная машина — прибор для получения статического электричества. Один из ассистентов Гальвани случайно дотро­нулся кончиком стального скальпеля до нерва препарированной лапки, и её мышцы начали интенсивно со­кращаться. Произошло это именно в тот момент, когда на электрофорной машине проскочила искра. Гальвани бросился повторять опыт. Много раз прикасался он к обнажённому нерву кончиком скальпеля, в то время как его ассистент вызывал разряд электрофорной машины. И каждый раз мышцы лягушки сокращались. Гальвани, по его словам, «зажёгся невероят­ным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нём сокрытого».

Явление, которое наблюдал и опи­сал учёный, сходно с тем, что проис­ходит, если слушать радиоприёмник во время грозы: электрический раз­ряд (молния) порождает электромаг­нитные волны, в приёмнике они пре­образуются в электрические сигналы, вызывающие треск. У Гальвани роль молнии выполнял разряд электрофорной машины, антенной служил скальпель, а регистрирующим прибо­ром (очень чувствительным) — лап­ка лягушки. Сам он, конечно, ничего об этом не знал: опыты по передаче электромагнитных волн были прове­дены столетием позже.

Продолжая эксперименты, Гальвани натянул на балконе своего дома стальную проволоку, развесил на ней препарированных лягушек, а к их лапкам присоединил другую длинную проволоку, конец которой опустил в колодец с водой. При приближении грозы и, особенно, при вспышке мол­нии мышцы неоднократно сильно сокращались. Однако учёный вскоре догадался, что многие опыты нельзя объяснить только изменением «атмо­сферного электричества». Повторяя их уже в доме, Гальвани установил: мышечные сокращения лягушки воз­никают всегда, когда две металличе­ские проволоки, воткнутые в мышцу, соприкасаются друг с другом.

В конце XVIII в. итальянские учёные Луиджи Гальвани (1737—1798) и Алессандро Во'льта (1745—1827) со­здали первый химический источник тока. С этого открытия в истории ци­вилизации началась новая эра — эра электричества.

До работ Гальвани и Вольта элек­тричество в лаборатории умели полу­чать единственным способом — пу­тём трения одного предмета о другой. Лучше других электризовались при трении кусочки янтаря. Янтарь по-гречески — «электрон»; это вещество и дало название электричеству. Поя­вилась наука электростатика, были открыты новые законы, например закон Кулона.

Изучать с помощью статических зарядов действие электричества на различные вещества было практиче­ски невозможно, требовались посто­янные источники тока.