Содержание статьи
    Также по теме

    ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

    ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА. Автономные (переносные) химические источники тока подразделяются на первичные (гальванические элементы) и вторичные (аккумуляторы). Первичные источники после их истощения не заряжаются, а выбрасываются. Не удивительно, что их стоимость значительно ниже, чем у аккумуляторов, которые служат, например, в мобильных телефонах. Однако принцип действия у них один – окислительно-восстановительная химическая реакция, при которой электроны, переходящие от восстановителя к окислителю, и есть электрический ток.

    До изобретения гальванических элементов единственным источником электричества были электрические электростатические машины (название происходит от греческого слова «электрон» – янтарь; с древности была известна способность кусков янтаря заряжаться при трении и притягивать легкие предметы). В этих машинах электрический заряд возникает за счет трения. Затем появились индукционные машины, в которых заряды появлялись на вращающихся в противоположные стороны стеклянных дисках и накапливались на двух металлических шарах – разрядниках (такие машины можно увидеть и в школьном кабинете физики). Когда напряжение на разрядниках превышает напряжение пробоя воздуха (примерно 30 киловольт/см), проскакивает искра и слышен треск; аналогичное явление в большом масштабе происходит и при разряде «настоящей» молнии. Такие машины позволяли проделывать некоторые опыты (например, с помощью искры можно было поджечь эфир), однако они не могли давать электрический ток в течение хотя бы нескольких секунд. В 1745–1746 немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук, работавшие в городе Лейдене, создали простой прибор, позволяющий сохранять электрический заряд, полученный от электростатической машины. Это был прообраз современных конденсаторов, который назвали лейденской банкой. Он тоже мог давать только кратковременный разряд.

    Созданию постоянных источников тока содействовало открытие, сделанное в конце XVIII в. итальянским профессором анатомии Луиджи Гальвани. Гальвани препарировал лягушку, а неподалеку стояла электростатическая машина. Когда острие скальпеля коснулось бедренных нервов, то, как писал Гальвани, «немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги». Помощник Гальвани заметил, что в этот самый момент между полюсами машины проскочила искра.

    Такие же результаты были впоследствии получены и на других животных и не только холоднокровных. Электрическую машину в опыте с лягушкой вполне мог заменить разряд в лейденской банке и, как впоследствии выяснилось, атмосферный разряд – молния. Гальвани объяснил это необычное явление существованием некоего «животного электричества». По его мнению, мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки и могут накапливать электричество. Действительно, так и происходит у электрических рыб и скатов: у них имеются довольно емкие природные конденсаторы. Но это стало известно намного позже. Гальвани же, сам того не подозревая, предвосхитил опыты немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который с помощью искры получил радиоволны, а затем смог их принять на отдалении нескольких метров. Только у Герца приемником служил проволочный прямоугольник – антенна с искровым промежутком (очень слабые искорки в приемнике он наблюдал в темноте или с помощью лупы), тогда как у Гальвани роль антенны выполнял скальпель, а детектором был нерв лягушки.

    Однако в некоторых опытах лягушачьи мышцы сокращались без всяких видимых причин: ни грозы, ни электрической машины поблизости не было. Оказалось, что это происходит в тех случаях, когда мышца и нерв соединены металлической проволокой, и особенно сильно – если эта проволока составлена из двух разных металлов; сильнее других действовала пара железо-серебро.

    Раскрыть природу открытого Гальвани явления удалось итальянскому физику Алессандро Вольта. Вначале он вообще не поверил Гальвани, но, повторив его опыты, убедился в том, что явление действительно существует. Однако опыты с проволокой он объяснил совершенно иначе: электричество возникает при контакте разных металлов, а лягушка – это просто очень чувствительный прибор для измерения и к образованию электричества как такового отношения не имеет. Опытным путем Вольта расположил металлы в ряд таким образом, что чем дальше друг от друга отстоят они в этом ряду, тем более сильный эффект производят. Химики с удивлением обнаружили, что в таком же порядке изменяется и химическая активность металлов. В настоящее время этот ряд называется рядом напряжений или, точнее, рядом электродных потенциалов. В основных чертах он имеет вид Li...Mg...Zn...Fe...Sn...H...Cu...Ag...Au

    Вольта, помимо лягушки, использовал и другие способы измерения, например, собственный язык: он клал на него золотую или серебряную монету, а под язык – медную. Как только две монеты соединяли кусочком проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус, знакомый каждому, кто пробовал «на язык» контакты батарейки для карманного фонаря. Чтобы усилить эффект, Вольта соединял пары металлов последовательно, так что получилась цепочка, названная по имени изобретателя «вольтовым столбом». Сначала это были чашечки с раствором кислоты, в которую были опущены металлические полоски, затем – кружочки из цинка и меди (или серебра), разделенные прокладками из бумаги или ткани, которые были пропитаны раствором щелочи или просто рассолом.

    Введение в электрическую цепь растворов (Вольта назвал их проводниками второго рода в отличие от металлов – проводников первого рода) оказалось решающим в изобретении Вольта. В память о Гальвани, умершем в 1798, Вольта назвал свои элементы гальваническими. Вскоре английский хирург и химик Энтони Карлейль изготовил вольтов столб из 36 последовательно соединенных цинковых кружков и монет в полкроны (а Англии их чеканили тогда из серебра 925 пробы). В первых же опытах с батареей наблюдалось разложение воды с образованием газов.

    Знаменитый английский химик Гемфри Дэви изготовил вольтов столб из медных и цинковых пластинок, разделенных водным раствором аммиака. Первая его батарея состояла из 60 таких элементов, а через несколько лет довел их число до тысячи. С помощью этой батареи он провел знаменитые опыты по выделению новых элементов – щелочных и щелочноземельных металлов.

    Еще более грандиозную батарею построил за несколько лет до Дэви русский физик-самоучка Василий Владимирович Петров. В 1802 он создал батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых пластин. Между металлическими кружками диаметром около 4 см прокладывались картонные кружки, пропитанные раствором хлорида аммония. «Столб Петрова», в отличие от вольтова столба, располагался горизонтально в сухих узких деревянных ящичках. Вся батарея была составлена из четырех рядов, каждый длиной около 3 м, соединенных последовательно медными скобками. О трудоемкости работы с этой батареей свидетельствует такой факт: чтобы очистить только 40 пластин после их окисления помощнику Петрова требовалось не менее часа! Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 вольт. С помощью этой гигантской батареи Петров провел множество опытов: он разлагал различные вещества, в том числе органические, а также оксиды металлов – ртути, свинца и олова. В 1803 Петров впервые в мире получил электрическую дугу и указал на возможность ее практического применения; так, с ее помощью ему удалось расплавить металлы, ярко освещать большие помещения.

    В течение XIX в. трудами физиков и химиков была заложена теория работы гальванических элементов; основная заслуга в этом принадлежит немецкому физикохимику Вальтеру Нернсту. Конструкция элементов также была значительно усовершенствована. Главный итог работы теоретиков таков: в гальваническом элементе происходит прямое превращение химической энергии в электрическую. Для этого в элементе должна протекать окислительно-восстановительная реакция, например, растворение цинка в кислой среде: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2. Атомы цинка (восстановители) отдают электроны: Zn – 2e ® Zn2+, а ионы водорода (окислители) их принимают: 2H+ + 2e ® H2. В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления пространственно разделены: водород должен выделяться не на цинке, а на меди. Тогда электроны от цинка к меди будут переходить не непосредственно в растворе (в этом случае они теряются без пользы), а через внешнюю цепь, где могут совершать полезную работу. Именно так работает элемент Вольта.