Эквиваленты

В середине 1833 г. Фарадей почти не отвлекался на решение других проблем. Электричеству принадлежит будущее, часто говорил он, то, над чем я работаю, важнее всего. 19 сентября он записал результаты опыта (запись № 732) и окинул взглядом результаты последних экспериментов.

Полностью, без всяких сомнений подтверждается ранее открытый закон: химическое действие электрического тока, то есть количество выделившихся веществ, прямо пропорционально силе тока и времени его прохождения, то есть количеству электричества. Этот первый закон электролиза позже был назван первым законом Фарадея. В формулировке закона как в капле воды отражалась «математичность» мышления Фарадея: достаточно было подставить вместо слов буквы, как тотчас получалось соответствующее уравнение.

Фарадея теперь занимало в электролизе другое. Электрический ток выделяет вещества и растворяет металлы, являющиеся частью химических соединений, растворы или расплавы которых подвергались электролизу. Состав же этих веществ и их количество в соединении точно известны. В любом соединении элементы содержатся в строго определенных весовых количествах, соответствующих их эквивалентам. Давно ли знаменитый немецкий философ Иммануил Кант не признавал химию наукой, так как в его время считалось невозможным подвергать математической обработке результаты химических реакций. Но еще при жизни Канта его соотечественник Карл Венцель и шведский ученый Торберн Бергман начали разрабатывать методы весового анализа веществ. Тогда же немецкий химик Иеремия Рихтер (1762-1807) в своей докторской диссертации «О применении математики в химии» продемонстрировал количественный состав различных веществ, а в 1793 г. на основе понятия эквивалента, введенного Кавендишем, вывел закон эквивалентов. Под эквивалентом понималось такое количество вещества, которое соединяется с одной частью другого. Количественными анализами соединений занимались и французские химики Жозеф Пруст, Клод Бертолле, Гей-Люссак.

Исходя из закона постоянства состава и полагая, что каждое качественно определенное вещество имеет точно определенный количественный состав, соотечественник Фарадея, преподаватель физики и математики из Манчестера Джон Дальтон (1766-1844) в 1803 г. установил один из основных законов химии - закон кратных отношений. Берцелиус показал, что и органические соединения подчиняются этому закону. Дальтон сделал первую попытку составить таблицу «атомных весов» элементов и сложных соединений. И снова Берцелиус продолжил его работу.

Найти числовые значения химических эквивалентов не трудно, если известен процентный состав данного вещества в соединении и эквивалент другого вещества. Так, если эквивалентный вес водорода принять за 1, то эквивалентный вес кислорода будет равен 8, меди - 32 и так далее. Химический эквивалент, таким образом, численно равен отношению атомного веса элемента к его валентности в данном соединении.

Что же происходит при разложении химических веществ электрическим током? Последние месяцы Фарадей посвятил количественному изучению продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солей и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет кислорода в 8 раз больше, чем водорода. Но такое соотношение равно соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разнообразных условиях - менял концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными: «химическое действие было вполне определенным».

Еще одну серию опытов ставит Фарадей - он исследует химические реакции в гальваническом элементе и доказывает, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем самом цинка. Из этого он заключает, что «электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, которое выделяется при разложении того же количества вещества».

23 сентября он, наконец, записывает: «Числа, соответствующие весовым количествам вещества, в которых они выделяются, надо назвать электрохимическими эквивалентами...» Он считает, что эти эквиваленты «совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им». Сейчас мы говорим - пропорциональны. Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей устанавливает следующие значения электрохимических эквивалентов: 1, 8, 36, 58, 104, 125.

Фарадей в трудном положении: электростатическая единица заряда еще не установлена, и он не может назвать количество электричества, «соединенного с частицами или атомами материи». Поэтому за единицу электричества Фарадей вынужден принять «абсолютное количество электричества». Он понимает, что это достаточно большая величина. После сотен опытов он делает расчеты и устанавливает, что в одном гране (66,4 миллилитра) воды «содержится» столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 тысяч раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и что это количество равносильно «весьма мощной вспышке молнии». Это было все, что в то время он мог сказать об «абсолютном количестве электричества».

Он составляет таблицу электрохимических эквивалентов (называя ее «таблицей ионов») для 18 анионов и 36 катионов. Эти значения, считает он, «очень полезны для выяснения химического эквивалента или атомного веса вещества».

В январе 1834 г. он представляет Королевскому обществу свои работы по электролизу и делает о них доклады на трех заседаниях. Члены Общества поражены работоспособностью и талантом своего коллеги. Ведь, кажется, совсем недавно (не прошло и двух с половиной лет) мир узнал об открытии индукционного тока и «получении электричества из магнетизма». И вот новое открытие - законы электролиза!