Электричество было известно человечеству еще с античных времен. Древние греки знали, что кусочек янтаря, если его потереть о шерстяную ткань, способен притягивать пылинки и даже легкие предметы. Найденные при раскопках в Ираке фрагменты упоминаемой ранее «парфянской батареи», позволяют высказывать смелые гипотезы о том, что уже в начале нашей эры человек мог использовать для своих нужд примитивные гальванические элементы (см. гл. 2, п. 2.4).

Спустя практически две тысячи лет английскому физику Уильяму Гилберту удалось обнаружить, что способностью электризоваться обладают и другие вещества. По инициативе Гилберта вещества, обладающие такими свойствами, стали называть «электриками» (от греческого слова ηλεχτρον — янтарь). Как позднее выяснил французский химик Ш.Ф. де Систернэ Дюфе, существует два вида электрических зарядов: один из них возникает на стекле («стеклянное электричество»), а другой — на янтаре («смоляное электричество»). Тело, несущее заряд одного вида, притягивает к себе тело, содержащее заряд другого типа, однако два одинаково заряженных тела испытывают взаимное отталкивание.

В середине XVIII в. выдающийся американский ученый, дипломат и государственный деятель Бенджамин Франклин выдвинул гипотезу для объяснения природы электрических зарядов. Согласно его предположению, носителем заряда является электрический флюид.

Если содержание этого флюида превышает некоторый предел, тело приобретает заряд одного сорта, а в том случае, когда этого флюида содержится меньше нормы, тело несет заряд другого вида. По мнению Б. Франклина, стекло характеризуется избыточным содержанием флюида и вследствие этого несет положительный заряд. У янтаря, напротив, наблюдается недостаток флюидов, поэтому его заряд имеет отрицательный знак. Система знаков электрического заряда используется до сих пор, несмотря на то, что представления о природе электрического заряда противоположны тем, которые существовали в XVIII–XIX вв.

^{Бенджамин Франклин (1706–1790)}

^{Луиджи Гальвани (1737–1798)} 

Важной вехой в изучении электричества стал 1783 г. Согласно наиболее популярной версии, итальянский физиолог Луиджи Гальвани из Болонского университета, препарируя лягушку одновременно с экспериментами по статическому электричеству, первым изучил электрические явления при мышечном сокращении. Продолжая свои исследования, итальянский ученый пришел к выводу, что животная ткань вырабатывает электричество («животное электричество»), а металлы играют роль обычных проводников.

Эстафету исследований в новой области принял у Л. Гальвани его соотечественник — физик Алессандро Вольта. В 1800 г. итальянский ученый установил, что можно так подобрать две металлические пластины, разделенные растворами электролитов, что через соединяющий их провод пойдет электрический ток. Вольта разработал первую электрическую батарею, представляющую собой конструкцию из 20 пар пластинок двух различных металлов. Эта батарея, получившая название Вольтова столба, стала первым источником постоянного тока. Электрический ток в гальваническом элементе образуется в результате протекания химической реакции, в которой участвуют два разных металла и разделяющий их раствор электролита. В своих работах А. Вольта привел первые несомненные доказательства тому, что между химическими реакциями и электричеством существует устойчивая связь. Дальнейшее развитие эта идея получила в исследованиях английских химиков Уильяма Николсона и Энтони Карлайла. В своих работах они обнаружили обратную связь — электрический ток может изменять материю и вызывать протекание химической реакции. При помощи электрического тока они разложили воду на водород и кислород, т.е. осуществили электролиз воды. Выделявшиеся по мере разложения воды H₂ и O₂ они собирали в отдельные сосуды. Последующие измерения позволили установить, что объем выделившегося H₂ в два раза больше объема O₂.

C начала XIX в. гальванический электрический ток стал интенсивно применяться в физических и химических экспериментах. Возможность разложения молекулы воды на простые вещества вдохновила английского химика Гемфри Дэви на проведение исследований по использованию электрического тока для разложения соединений, которые было нельзя разложить химическим путем. На первых стадиях своих опытов Г. Дэви пропускал ток через растворы изучаемых веществ, в результате чего он практически всегда получал только H₂ и O₂. Позднее его посетила блестящая догадка удалить воду и перевести анализируемые вещества в расплавленное состояние. В 1807 г., пропуская электрический ток через расплав карбоната калия, Г. Дэви получил маленькие шарики металла, который он назвал потассием (от тривиального названия K₂CO₃ — поташ). Некоторое время спустя из расплава Na₂CO₃ Дэви выделил еще один металл, названный содием. Эти чрезвычайно химически активные металлы впоследствии назвали соответственно калием и натрием, хотя в английском языке сохранились названия, присвоенные этим элементам самим первооткрывателем.

^{Гемфри Дэви (1778-1829)}

После выделения в свободном состоянии щелочных металлов Г. Дэви доказал, что газообразный хлор — «дефлогистированная муриевая кислота» Шееле — является простым веществом. Модифицируя и изменяя оборудование для проведения электрохимических исследований, английский химик выделил в чистом виде целую группу щелочноземельных металлов: магний, стронций, барий и кальций.

Результаты исследований Г. Дэви, Ж.Л. Гей-Люссака и Л.Ж. Тенара подтверждали, что не только хлор, но и иод являются элементами, а не окисленными радикалами. Более того, с помощью электрохимических экспериментов Г. Дэви доказал, что хлороводородная и иодоводородная кислоты не содержат кислорода. В результате длительного изучения процессов электролиза английский ученый пришел к убеждению, что основной составной частью кислот, которая и определяет общие химические свойства этого класса соединений, является водород, а не кислород, как это следовало из теории А.Л. Лавуазье (см. гл. 6, п. 6.7).

Необходимо отметить, что Г. Дэви был поистине блестящим экспериментатором. Все его работы отличались безукоризненной скрупулезностью процедуры и поразительной точностью полученных результатов. Именно поэтому Дэви весьма прохладно отнесся к атомистической теории Дж. Дальтона. Главной мишенью для критических выпадов оказался характер экспериментальных данных Дальтона, которые казались Г. Дэви явно недостаточными для провозглашения фундаментальных теоретических положений. На основании анализа и сопоставления многочисленных экспериментальных данных Дэви разработал собственную электрохимическую теорию, призванную объяснить природу химического сродства. В 1807 г. он опубликовал основные ее положения:

— в химическое взаимодействие вступают вещества неодинаковой природы, при контакте приобретающие противоположные электрические заряды;

— акт химического взаимодействия представляет собой процесс выравнивания зарядов, он протекает интенсивнее между исходными веществами, которые обладают большей разностью между противоположными зарядами;

— химическое сродство составных частей соединения связано с их электрической полярностью: чем больше полярность, тем больше сродство;

— между химическими и электрическими процессами существует однозначная связь; первые всегда связаны со вторыми и наоборот.

Даже с современных позиций теория Г. Дэви выглядит достаточно логичной и не лишенной здравого смысла^{325}. Однако в начале XIX в. не все ее положения были безоговорочно приняты современниками. Тем не менее она сыграла важную роль в развитии естествознания, поскольку, во-первых, стимулировала изучение взаимосвязи химических и электрических явлений, что в конечном итоге привело к созданию электрохимии.

Во-вторых, способствовала установлению более тесных отношений между физикой и химией, призывая к более широкому использованию математических методов при проведении химических экспериментов.

^{Майкл Фарадей (1791–1867)} 

Работы Г. Дэви по электролизу продолжил его ученик и помощник Майкл Фарадей. Целый ряд электрохимических терминов, используемых и по сей день, был введен в научный язык по инициативе Фарадея: например, разложение соединений под действием электрического тока английский ученый предложил называть электролизом, а вещества, растворы или расплавы которых способны проводить электричество, — электролитами. Такие термины, как электрод, катод, анод, ион, катион, анион, своим появлением также обязаны Фарадею.

В 1834 г. М. Фарадей высказал утверждение, что электрохимические процессы характеризуются определенными количественными соотношениями, и сформулировал два закона электролиза. Согласно первому из них, масса вещества, выделившегося на электроде во время электролиза, пропорциональна количеству электричества, пропущенного через раствор.

т = kIt,

где k — коэффициент пропорциональности; I — сила тока; t — длительность процесса электролиза.

Второй закон утверждал, что масса металла, выделенная определенным количеством электричества, пропорциональна его эквивалентной массе. Эти законы, получившие название законов постоянства электрохимических действий, открывали возможность определять электрохимические эквиваленты металлов и далее рассчитывать их относительные атомные массы. Однако в тот период ученые еще не были готовы к тому, чтобы применить законы Фарадея для определения атомных масс, причем одним из наиболее влиятельных противников применения этих законов был сам И.Я. Берцелиус.