Электролиз
На рубеже XIX и XX веков изобрели аккумуляторные батареи, и химики принялись экспериментировать с электричеством. Вскоре появилась и новая методика под названием «электролиз» - с ее помощью можно было разъять вещество на части и открыть новые элементы. Электролиз стал и источником реактивов - хлора, например.
В 1875 году американский врач изобрел метод умерщвления волосяных луковиц и так начал избавлять своих пациентов от вросших ресниц. Он назвал это нововведение электролизом, и его до сих пор применяют для выведения нежелательных волос. Но депиляция все же имеет мало общего с передовым подходом, который применили в том же 1875 году для выделения нового серебристого металла — галлия. Объединяет их одно: как следует из названия, обе методики используют электричество.
К 1875 году этот второй тип электролиза уже существовал примерно полстолетия, если не больше, и успел совершить переворот в химии XIX века. И потому давайте никогда не будем путать электролиз, великий и ужасный, с методом перманентного удаления волос на ногах. Электролиз оказал мощное влияние и на здравоохранение, постепенно став главным методом извлечения хлора из рассола (хлор — дезинфицирующее средство, применяемое в бассейнах, а также при обработке питьевой воды, чтобы в ней не водилось ничего болезнетворного). Впрочем, в те времена электролиз был знаменит в первую очередь тем, что ученый и лектор Королевского института Гемфри Дэви применил его для выделения множества знакомых нам простых веществ, в том числе натрия, кальция и магния, из их соединений.
Возня с водой
Хотя Дэви стал самым знаменитым экспериментатором с электролизом, лавры изобретения этого метода в 1800 году принадлежат малоизвестному химику по имени Уильям Николсон и его другу, хирургу Энтони Карлайлу. Их зачаровали эксперименты первоизобретателя батареи Алессандро Вольты, которые он завершил в том же году, и друзья пытались их повторить. В ту пору «батарея» Вольты (так называемый вольтов столб) представляла собой стопку металлических дисков, переложенных мокрыми тряпками, с приделанными ко всему этому проводами. Николсона и Карлайла заинтриговали пузырьки водорода, появившиеся в капле воды при контакте с батареей, и тогда они взяли провода и сунули их с разных концов в ванну с водой. На одном конце ванны поперли пузырьки кислорода, а на другом — водорода. Электричество разрушило связи внутри молекул воды и разложило ее на составляющие. Николсон состоялся как лектор, писатель и переводчик, у него уже был собственный популярный научный журнал, и он, не раздумывая, решил, где обнародует результаты своих экспериментов. «Журнал натурфилософии, химии и искусств», который поклонники именовали «Журналом Николсона», вскоре опубликовал статью, в которой провозгласил начало эры электрохимии.
Электрохимия
Вольтов столб взяли в оборот и усовершенствовали, он постепенно стал походить на современную батарейку, и ученые вскоре уже применяли электролиз во всякой интересной химии. Дэви выделил кальций, калий, магний и кое-какие другие простые вещества, а его шведский соперник Йенс Якоб Берцелиус исследовал расщепление разных солей, растворенных в воде. В химии соль — сложное вещество, состоящие из ионов, чьи заряды взаимно компенсируют друг друга. В поваренной соли (хлориде натрия) положительно заряжены ионы натрия, отрицательно — хлора. Еще натрий, например, может образовывать ярко-желтую соль с хромат-ионами. Эта соль, конечно, куда зрелищнее поваренной, зато хромат натрия ядовит и несъедобен.
«Величайший вопрос касательно разложения воды... Получает мощный ответ в экспериментах, впервые проведенных господами Николсоном и Карлайлом...» Джон Босток (1773-1846), английский врач, геолог, естествоиспытатель, цитата из «Журнала Николсона»
Что подводит нас к современному понимаю того, как на самом деле устроен электролиз: все дело в ионах. При растворении в воде соль разваливается (диссоциирует) на положительно и отрицательно заряженные ионы. В процессе электролиза эти ионы притягиваются к электродам с зарядом, противоположным тому, который на ионе. Электроны попадают в систему через катод, и положительно заряженные ионы серебра, к примеру, присваивают эти электроны и оседают в виде серебряного покрытия, состоящего из нейтральных атомов. Отрицательные же ионы притягиваются к другому электроду (аноду), теряют на нем свои избыточные электроны и тоже нейтрализуют заряд.
Некоторые соли — та же поваренная, к примеру, — содержат ионы натрия, которые, хоть и заряжены положительно, как ионы серебра, более активны химически. И поэтому, когда ионы натрия откалываются от ионов хлора, они тут же соединяются с гидроксильными ионами (ОН-) в воде и образуют гидроксид натрия. И потому катод притягивает не ионы натрия, а ионы водорода из воды, которые, получив недостающий электрон, выделяются в виде газа водорода.
Чистая революция
Такой же агрегат — основа целой отрасли производства хлора электролизом. По сути, пропусти электрический ток через морскую воду — и соберешь хлор. Побочный продукт, гидроксид натрия, также известный как каустическая сода, можно смешать с маслом и получить мыло.
Примерно в те же поры в XIX столетии, по ка электролиз стремительно развивался, ученых все больше беспокоила одна напасть: распространение через воду различных заболеваний. Примерно до середины века считалось, что холера передается через вдыхание миазмов «дурного воздуха». При вспышке холеры в Лондоне в 1854 году, однако, Джон Сноу доказал, что люди заражаются от воды из колонки в Сохо: он отметил на карте случаи заболевания и тем самым заработал себе славу одного из первых эпидемиологов.
Через пару десятков лет хлор, получаемый электролизом, начали применять для обеззараживания питьевой воды и так защищать людей от микробов. Впервые этим способом обработали воду в Джерси-сити, Нью-Джерси, США. Хлор применяется и в отбеливателях, а также при производстве многих лекарств и инсектицидов. Ныне водородные пузырьки, образующиеся при электролизе соленой воды, иногда собирают и используют там же, на электролитическом производстве, как топливо для выработки дополнительного электричества.
Золочение и серебрение
При покрытии серебром или золотом электролиз применяют для нанесения тонкого слоя драгоценных металлов на более распространенные. Металлический предмет при этом выступает в роли одного из электродов в электролитической ячейке. Можно посеребрить ложку, приделав к ней провод и батарейку, а затем, погрузив ее в водный раствор цианидов серебра, допустим. Ложка будет катодом, и положительно заряженные ионы серебра из раствора к ней потянутся. Чтобы поддерживать концентрацию ионов серебра, вместо анода используют кусок серебра. В результате серебро перемещается с одного электрода на другой. Так же можно поступить и с золотом: приделать к нему провод и позолотить таким способом украшение или корпус мобильного телефона, к примеру. Раствор, в который погружают электроды, называется электролитом.
Электричество
Вольтов столб, изобретенный Алессандро Вольтой, обеспечил первый бесперебойный источник электричества. До этого для уловления и хранения электричества, получаемого из статических разрядов электрофорной машины с ручным приводом, применяли оклеенные оловянными листами лейденские банки. Банки эти заполняли водой или даже пивом и хранили в них электричество, пока ученые не поняли, что не в жидкости заряд копится, а в фольге.