khimie.ru

Формирование представления об атомном строении электричества, об элементарном электрическом заряде — электроне — представляет одну из интересных страниц истории электрохимии. Экспериментальное открытие электрона (1897 г., Вихерт, Томсон) явилось началом нового важного этапа в развитии не только электрохимии, но и всей химии и физики. Это открытие имеет интересную предысторию.

Еще в 1811 г. Берцелиусом было выдвинуто атомистическое представление об электричестве. Он считал, что «электричество подчиняется тем же заколам, как (весомая материя в смысле пропорций, согласно которым оно соединяется с телами».

В 1834 г. Фарадей писал: «имеется огромное количество фактов, заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними, и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами, и в том числе, своим химическим сродством друг к другу… Электричество, которое мы, по-видимому, можем на время высвобождать из его обиталища и переносить с одного места на другое с сохранением его химической силы, может быть измерено… мы здесь находим звено, которое связывает количество того электричества, которое мы выделяем, с количеством электричества, присущего частицам в их естественном состоянии».

По мнению Фарадея, в процессах электролиза существует возможность «как бы локализовать силу, отождествляя ее с помощью частиц и оперируя с ней в последовательных порциях». Эта мысль и позволила ему сформулировать важнейший вывод: «Атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними».

В работах Фарадея, таким образом, концепция атомного строения электричества впервые получила количественное подтверждение.

Постоянное повторение одних и тех же «порций» электричества в простых кратных отношениях довольно ясно говорило об атомистическом строении электричества. В действительности, однако, на протяжении десятилетий этот факт толковался как свойство материи заряжаться определенными количествами электричества, а не как свойство самого электричества появляться в этих постоянных количествах.

Какая же причина мешала крупнейшим физикам и химикам, начиная с Фарадея, правильно разрешить этот вопрос?

Следует прежде всего отметить, что, опираясь только на законы Фарадея, еще нельзя доказать атомного строения электричества. В самом деле, ведь Фарадей говорил о количестве электричества, которое переносится ионами во время электролиза. Отсюда, как следствие, вытекало мнение о том, что ионы заряжаются лишь определенными количествами электричества. Отсюда понятно, почему в 70−80-е годы XIX в. представления относительно сущности электрического заряда были весьма неопределенными. Об этом свидетельствуют, например, высказывания Максвелла. С одной стороны, электрический заряд, по Максвеллу, это — математический символ, выражающий концы линии сил, возникающих в диэлектрике; с другой стороны, Максвелл был склонен признать атомный заряд «молекулой электричества». Максвелл в 1873 г. писал: «какова бы ни была природа электричества и что бы мы ни понимали под словом «движение электричества», то явление, которое мы называли электрическим смещением, есть движение электричества в том же смысле, в каком мы говорим о движении электричества по проволоке».

Но Максвелл был близок к идее атомного строения электричества. При изучении явлений электролиза Максвелл столкнулся с тем фактом, что атом хлора, отделяясь в виде иона от атома цинка, уносит такой же заряд, какой он уносит при отделении от меди. Это привело его к выводу, что «атомный заряд имеет постоянную величину»; он называет его «молекулой электричества». Но здесь же Максвелл добавлял, что со временем «эти предварительные теории будут ненужными». Последнее замечание, согласно П. Ленару, сыграло отрицательную роль в развитии атомистического представления об электричестве, и таковое не нашло места в теории Максвелла. В 1871 г. идею об атомистическом строении электричества высказал В. Вебер, который пришел к убеждению, что электричество имеет атомистическую структуру.  Он писал: «При всеобщей распространенности электричества мы имеем право принять, что с каждым весомым атомом связан электрический атом».

К 80-м годам XIX в. механистические представления о движении атомов в молекуле дополняются представлениями о специфических силах, действующих между атомами и молекулами; силах, взятых из арсенала «теории притяжения» и электрохимической теории, но с некоторыми принципиальными нововведениями.

Работы физиков Фарадея, Клаузиуса, Гитторфа, Кольрауша и других в ту пору, когда господствовал интерес к органической химии (1840−1880), оказывали небольшое влияние па развитие химии вообще и учения о сродстве, в частности. К 80-м годам становилось очевидным, что именно физика, используя материал химии, может дать ответ на самый глубокий вопрос, который когда-либо ставился химической наукой,— вопрос о природе химической связи.

«Сцена была вполне готова для драматического выхода всепобеждающего героя — электрона. Ни один драматург не мог бы превзойти природу в выборе более подходящего момента для того, чтобы ввести в действие своего главного актера».

В 1881 г. Г. Стопи, основываясь на законах Фарадея, сделал логическое заключение о дискретности единиц электричества. Он писал: «Природа дает нам определенные единицы количества электричества, не зависящие от особенностей тех тел, с которыми они связаны. Чтобы сделать это ясным, я выражу закон Фарадея в следующих словах, которые, как я покажу, придадут ему точность: «Каждой химической связи, которая разрывается в электролите, отвечает определенное и одинаковое во всех случаях количество электричества».

Первым, кто широко поставил вопрос об атомном строении электричества, был Г. Гельмгольц.

Гельмгольц в 1881 г. писал: «Если применить атомистическую теорию к электрическим процессам, то она в соединении с законом Фарадея приводит к поразительным следствиям. Если мы допускаем существование химических атомов, то вынуждены заключить отсюда, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества. Каждый ион, пока он передвигается в жидкости, должен быть соединен с одним эквивалентом электричества для каждого своего сродства. Только на пограничных поверхностях электродов может произойти разделение; если здесь действует достаточно большая электродвижущая сила, то ионы могут отдавать свое электричество и делаться электрически нейтральными».

Видоизменяя электрохимическую теорию Берцелиуса, Гельмгольц высказал идею о том, что атомы электричества должны входить в состав химических соединений. Это предположение подтверждалось тем, что при растворении электролиты распадаются на ионы. При этом, с одной стороны, выявляется нахождение электрического заряда в соединении, а с другой,— проявляется его влияние на специфические свойства ионов.

Фарадеевское чтение Гельмгольца в 1881 г., идейно подготовившее учение об электронах, впервые по-настоящему заставило химиков обратить внимание на исследования физиков и вспомнить электрохимическую теорию Берцелиуса.

С первого взгляда, казалось бы, логично, исходя из электростатики, предположить, что атомный электрический заряд распределяется по поверхности атома везде равномерно как по шаровой поверхности. Но учение о валентности, исследования по стереохимии говорили о фиксированных «местах», где больше всего проявляют себя силы сродства. В свете теории электролитической диссоциации Аррениуса учение об электроположительных и электроотрицательных ионах приобретает новую интерпретацию. На основе теории Аррениуса и идеи об атомистической структуре электричества Гельмгольца постепенно (после работ Вихерта, Нернста, Томсона, Лоренца) рождается электронная теория, которая связала химическое сродство со свойствами электронов. По этой теории анионы — это атомы, соединенные с электроном, катионы — атомы, потерявшие электроны.

Таксон так сформулировал основные выводы работы (1897 г.), впервые экспериментально установившей существование электрона:

1)     Атом нельзя считать неделимым, так как отрицательно заряженные частицы могут быть оторваны от него действием электрических сил, ударом быстро движущихся атомов, ультрафиолетовым светом или теплом.

2)     Все эти частицы имеют одну и ту же массу и одни и тот же заряд отрицательного электричества, из какого бы вещества Мы их пи взяли. Они являются составной частью всех атомов.

3)     Масса этих частиц менее одной тысячной доли массы атома водорода.

Эти результаты были настолько неожиданными, что многие выдающиеся физики, присутствующие па историческом докладе Томсона, заявили: «опыты очень интересны, но к чему тут притянуты за волосы какие-то частицы меньше атома» (из воспоминаний Томсона).

Название «электрон» получало признание довольно медленно. После Стони Г. А. Лорентц, Дж. Дж. Томсон, Фицджеральд и другие употребляли слово «ион» вместо «электрон». Только с 1900 г., когда Друдэ предложил назвать ионом заряженную частицу электролита, а электроном — атом Вебера, эти названия получили общее признание.

С развитием представлений о природе катодных и каналовых лучей, фотоэффекте и т. п. родилась полная уверенность в корпускулярном строении электричества.

Электронная теория оказала, как известно, огромное влияние на дальнейшее развитие химии, физики, электрохимии и других наук.

1899 год был ознамепован появлением теории сродства электрона к атому, разработанной Абеггом и Бодлендером. Теория электросродства охватывала как ионное состояние материи, так и неионизированное. Это позволяло, например, распространить ее на такую далекую от электрохимии область, как строение органических соединений.

XX столетие приносит с собой новое учение об атоме и электроне и теорию квантов, приобретшие решающее значение для развития физической химии. В первые десятилетия XX в. утверждается представление о сложном строении атома, о существовании электронов и ядра в атоме и сложном электростатическом взаимодействии между ними.

В результате новых открытий и исследований физики атома учение о химическом сродстве в XX в. видоизменяется в учение о химической связи и реакционной способности.