Электролиз

Итак, известны 103 элемента и соответственно 103 разных атома. Достаточно причин для беспокойства. Конечно, периодическая таблица приводит все эти элементы в определенный порядок, но, может быть, существует и какой-то другой порядок?

Почему элементов так много? Почему незначительная разница в массе атомов приводит к столь большим различиям свойств веществ? Например, разница между атомным весом аргона (39,9) и калия (39,1) небольшая, однако первый — очень инертный газ, а второй — весьма активный металл.

Чтобы понять это, нужно изучить сам атом. Быть может, у атомов тоже есть структура и именно она объясняет их свойства.

Первые попытки изучить атом были предприняты еще в 1816 году английским физиком Уильямом Праутом (1785–1850). В то время атомная теория была еще очень молодой, и ученым были известны лишь атомные веса элементов и масса атомов некоторых элементов, крайне приблизительно определенная Дальтоном. Все атомные веса являлись кратными целыми атомному весу водорода (1).

Для Праута это не было просто совпадением. Если массы атомов всех элементов были кратны массе атома водорода, то не логично ли, что атомы более тяжелых элементов состоят из атомов водорода? Например, атомный вес водорода 16, так, может быть, атом кислорода состоит из 16 тесно между собой связанных атомов водорода?

Праут опубликовал свою теорию анонимно, но вскоре выяснилось, что он был автором работы, и она получила название гипотезы Праута.

Столетие спустя многие химики произвели точные расчеты атомных весов элементов, в том числе и для того, чтобы проверить, являются ли они кратными целыми атомного веса водорода. Оказалось, что нет. Как я писал выше, атомный вес кислорода не в 16, а в 15,88 раза больше атомного веса водорода. Атомный вес никеля в 58,24 раза больше атомного веса водорода и т. д.

Гипотеза Праута несколько раз опровергалась, однако все равно не давала покоя химикам, так как атомные веса более чем у половины элементов оказались очень близкими к целым числам. Это не могло быть просто совпадением, это должно было иметь какое-то значение.

Значение было, и в конце концов его удалось определить с помощью электрического тока[119].

В 1807–1808 годах Гемфри Дэви удалось получить несколько элементов (натрий, калий, кальций, магний, стронций и барий), пропуская электричество через химические соединения, молекулы которых содержат атомы этих веществ. Работу продолжил английский химик Майкл Фарадей (1791–1867), который в молодости был ассистентом и протеже Дэви.

Представьте себе два металлических стрежня, подключенных к разным полюсам электрической батареи. Эти стержни получили название электроды (от греч., означает «путь электричества»). Фарадей назвал электрод, подключенный к плюсу, катодом («верхний путь»), а к минусу — анодом (нижний путь). (В те времена считалось, что электричество течет от плюса к минусу, как вода, сверху вниз.)

Если электроды соединить, то по ним потечет электричество. Однако если между электродами находится воздух, то цепь разрывается и электричество не течет. Если же оба электрода погрузить в жидкость, то электричество может течь, а может и не течь в зависимости от того, что это за жидкость. Например, раствор серной кислоты или хлорида натрия пропускают электричество, т. е. является проводником, электролитом, а дистиллированная вода или раствор сахара — не пропускают, т. е. являются изоляторами, или неэлектролитами.

Прохождение электричества через электролит сопровождается химическими реакциями. Как правило, это реакции распада некоторых молекул раствора на химические элементы (электролиз). Именно с помощью электролиза Дэви удалось выделить из химических соединений отдельные металлы.

Элементы скапливаются возле электродов, газы тут же улетучиваются, а металлы «прилипают» к электродам (гальванопокрытие).

Элементы образуются и возле анода, и возле катода. Если электричество проходит через раствор серной кислоты, то водород скапливается возле катода, а кислород — возле анода. Когда электричество проходит через раствор хлорида натрия, то натрий образуется возле катода, а газообразный хлор — возле анода.

Фарадей не знал, как именно атомы распространяются внутри электролита. Некоторые называли такие атомы «дрейфующими», однако атомистическая теория тогда все еще была в новинку, и Фарадей относился к ней с недоверием, поэтому назвал их ионами (что в переводе с греческого означает «бродяга»), ничего не говоря об их природе.

Те ионы, что образуются у катода (например, ионы натрия и водорода) называются катионами, а те, что образуются возле анода (ионы кислорода и хлора), получили названия анионы.

Фарадей тщательно измерил массу элементов, образующихся под действием электрического тока, и в 1832–1833 годах написал работу, которая впоследствии получила название законы электролиза Фарадея.

Первый закон электролиза гласит: масса элементов, образующихся в результате электролиза, прямо пропорциональна количеству пропускаемого через электролит электричества. Единицей количества электричества в системе МКС является 1 кулон (см. ч. II). Если пропустить заряд в 1 кулон через серебросодержащее химическое соединение, то образуется 0,001118 г серебра. Согласно первому закону Фарадея, под действием заряда в два кулона образуется 0,001118 x 2 г серебра, а под действием заряда в X кулон — 0,001118 x X г.

Один грамм-атом серебра равняется 107,87 г серебра. Какое количество электричества необходимо для получения 107,87 г серебра? Составляем уравнение 0,001118?X = 107,87. Решением уравнения является X = 96,5 кулона, или 1 фарадей. 1 фарадей — это количество электричества, необходимое для получения 1 грамм-атома серебра из серебросодержащего химического соединения.

Перед тем как перейти ко второму закону Фарадея, необходимо понять, что такое эквивалентная масса.

Молекула хлористого водорода (НСl) состоит из одного атома хлора и одного атома водорода, и, чтобы получить один грамм-атом хлористого водорода, необходимо соединить один грамм-атом хлора (35,5 г) и один грамм-атом водорода (1 г). Точно так же из одного грамм-атома натрия (23 г) и одного грамм-атома хлора получается один грамм-атом хлорида натрия (NaCl).

Однако один грамм-атом хлорида кальция (СаСl₂) получается из одного грамм-атома хлора и лишь половины грамм-атома кальция. Это происходит потому, что один атом кальция присоединяет два атома хлора, а для реакции нужна лишь половина атомов кальция. Один грамм-атом кальция равен 40 г, то есть половина грамм-атома кальция равна 20 г. Значит, эквивалентная масса кальция по отношению к хлору (как и к водороду и натрию) при образовании химических соединений равна 20 г (впрочем, обычно эквивалентная масса берется по отношению к водороду).

Или, например, для образования одного грамм-атома хлорида магния (MgCl₂) необходимо соединить один грамм-атом хлора с половиной грамм-атома магния, а для получения одного грамм-атома хлорида алюминия (АlСl₃) необходимы один грамм-атом хлора и одна треть грамм-атома алюминия, значит, эквивалентной массой магния будет 12 г, т. е. атомный вес магния (24), разделенный на два, а алюминия — 9 г (27 разделить на 3).

Итак, в упрощенном виде второй закон Фарадея звучит так: если пропустить заряд в 1 фарадей через химическое соединение, то получаемые элементы будут иметь массу, равную их эквивалентной массе.

Под действием заряда в 1 фарадей образуется 108 г серебра, или 23 г натрия, или 35,5 г хлора, или 1 г водорода (т. е. масса образовавшихся элементов будет равна их атомному весу), или же 20 г кальция и 12 г магния (т. е. масса равна половине атомного веса элемента), или 9 г алюминия (треть атомного веса).