Hermann von Helmholtz
(1821–1894)

Faraday elektromosság-fogalmának fejlôdése napjainkban [1881]

Elôzô rész

Meg kell jegyeznem, hogy eddig csak jelenségekrôl beszéltünk. Az elektromosság mozgása nyomon követhetô és mérhetô. A kémiai komponensek mozgása ettôl függetlenül szintén mérhetô. A kémiai elemek ekvivalensei és az elektromosság ekvivalens mennyiségei olyan számok, amelyek valódi összefüggéseket fejeznek ki a természeti objektumok és hatások között. Lehet ugyan, hogy a kémiai elemek ekvivalens relációi csak hipotetikusan következnek az atomok létének feltevésévôl, de eddig nincs más, kellôképpen kidolgozott elméletünk, amely a kémia összes jelenségét olyan egyszerû és konzisztens módon magyarazná, mint a modern kémia atomelmélete.

A Faraday-törvénynek talán éppen ez a legmeglepôbb eredménye. Ha elfogadjuk azt a hipotézist, hogy az elemi anyagok atomokból állnak, akkor nem kerülhetjük el azt a következtetést, hogy mind a pozitív, mind a negatív elektromosság meghatározott elemi részekre osztható, amelyek az elektromosság atomjaiként viselkednek. Amíg az egyes ionok az elektrolitban mozognak, nem válnak szét elektromos ekvivalensüktôl vagy ekvivalenseiktôl. Az elektródok felületén akkor játszódhat le bomlás, ha az elektromotoros erô elegendô; ekkor az ionok leadják elektromos töltésüket és elektromosan semlegessé válnak.

Ugyanannak az atomnak a töltése különbözô vegyületekben a pozitív vagy a negatív elektromosság ekvivalenseitôl is származhat.. Faraday rámutatott arra, hogy a kén mint elem kationként vagy anionként is viselkedhet. Az ezüst-szulfidban anion, az erôs kénsavban talán kation. Ezután Faraday feltette, hogy a kén a kénsavból másodlagos eredményként csapódik ki. A kation a hidrogén lehet, amely a sav oxigénjével reagálva kilöki a ként. De ha így van, az oxigénnel vízzé egyesülô hidrogénnek meg kell tartania pozitív töltését, és ekkor a kénnek kell leadnia pozitív ekvivalenseket a katódnak. Ezért a kénsav kénjét az elektromosság pozitív ekvivalenseinek kell töltéssel ellátnia.

Amikor a pozitív töltésû hidrogénatomok vagy más kationok kiválnak az elektrolitból és gázzá alakulnak át, a gáz elektromosan semleges lesz: dualista szóhasználattal élve azonos mennyiségû pozitív és negatív elektromosságot tartalmaz. Elképzelhetô, hogy minden egyes atom elektromosan semlegesítôdik, vagy egy pozitív töltésûnek megmaradt atom egyesül egy másik, negatív töltésûvel. Ez utóbbi feltevés egyezik az Avogadro-törvény következményével, amely szerint a szabad hidrogén molekulája valójában két atomból áll.

Felmerül a kérdés, hogy az elektromosság és a kémiai vegyülés között fennálló összefüggések csak azokra az anyagokra vonatkoznak-e, amelyeket elektrolitoknak nevezünk? Ha olyan erôsségû áramot kívánunk elôállítani, amellyel elegendô bomlásterméket gyûjthetünk össze anélkül, hogy túlságosan sok hô fejlôdne az elektrolitban, az elbontandó anyagnak nem szabad túlságosan nagy ellenállást tanúsítania az árammal szemben. Ez az ellenállás azonban igen nagy, az ionok mozgása pedig igen lassú lehet – olyan lassú, hogy akár több száz évig is fenn kellene tartanunk, hogy csak nyomnyi bomlástermékhez jussunk. Az elektrolitikus folyamat minden fontos jellemzôje közben mégis fennmaradhat. A különbözô folyadékok igen különbözô mértékû vezetôképességet mutathatnak. Számos esetben – egészen a desztillált vízig és a tiszta alkoholig – az áram áthaladását érzékeny galvanométerrel követhetjük nyomon. De ha terpentinolajat, benzolt és más hasonló anyagokat vizsgálunk, a galvanométer mutatója mozdulatlan marad. Pedig ezek a folyadékok is rendelkeznek némi vezetôképességgel. Ha az elektromosan töltött vezetôt egy terpentinolajjal töltött cella egyik elektródjához és a földhöz csatlakoztatjuk, a vezetô elektromos töltése eltéveszthetetlenül gyorsabban sül ki a terpentinolajon keresztül, mintha a cellát csak levegôvel töltenénk meg.

Ebben az esetben is megfigyelhetjük az elektródok polarizációját, amely a korábban lejátszódott elektrolízisre utal. Kössük a terpentinolajba merülô két platinadarabot nyolc Daniell-cellából összeállított elemhez, hagyjuk huszonnégy órán át állni, ezután vegyük el az elemet, és kössük az elektródokat egy kvadráns elektrométerhez. A mûszer azt jelzi, hogy a két platinafelület, amely korábban homogén volt, elektromotoros erôt hoz létre, amely az elektrométer tûjét eltéríti. Ennek a polarizációnak az elektromotoros erejét néhány esetben meghatározta Picker úr a Berlini Egyetem laboratóriumában, és azt tapasztalta, hogy az alkohol polarizációja csökken az alkohol víztartalmának növekedésével. ...

Az elektrolitikus vezetés másik jele, hogy a különbözô fémek közé helyezett folyadékok elektromotoros erôt hoznak létre. Ez soha nem játszódik le azonos hômérsékletû fémek vagy más vezetôk hatására, amelyek a fémekhez hasonlóan anélkül engedik át az elektromos áramot, hogy elbomlanának. Elektromotoros erô fellépése figyelhetô meg sok merev test esetében is, bár nagyon kevesnél mutatható ki az elektrolitikus vezetés galvanométerrel, és ez is csak akkor, ha a hômérséklet megközelíti az anyagok olvadáspontját. Emlékeztetni szeretném Önöket Zamboni galvánoszlopára, amelyben száraz papírdarabok választják el a vékony fémlapokat. Ha a kapcsolat elég sokáig fennmarad, még az üveg, a gyanta, a sellak, a paraffin, a kén – az általunk ismert legjobb szigetelôk – is ugyanígy viselkednek. Szinte lehetetlen megakadályozni, hogy az érzékeny elektrométer kvadránsait fel ne töltsék a szigetelô anyagok, amelyeken támaszkodnak.

Valaki felvethetné, hogy a felsorolt esetekben az a kevés nedvesség, amelyet az anyag felvett vagy a felületre tapadt, elektrolit volt. Ezért mutatom meg most Önöknek ezt a kis Daniell-cellát, amelyet egy korábbi asszisztensem, Dr. Giese készített. A hermetikusan lezárt üveggömbben réz-szulfát oldat van; az a elektród platinahuzal. A gömböt egy üreg veszi körül; ebbe cink-szulfát és egy kevés cinkamalgám van bezárva, amelybe egy másik platinahuzal, b nyúlik be az üvegen keresztül. A c és d csô szolgált a folyadékok bevezetésére. Az edény feltöltése után a csöveket lezárták. A készülék Daniell-cellára emlékeztet, amelynek porózus válaszfalát vékony üvegréteg helyettesíti. Kívülrôl minden szimmetrikus a két pólusnál; semmi sem érintkezik a levegôvel, csak az üveg zárt felületével, amelyen a platinahuzalok áthatolnak. Az elektrométer így olyan, mint egy nagyon nagy ellenállású Daniell-cella. Nem ez lenne a helyzet, ha az üveg válaszfal nem viselkedne elektrolitként, hiszen a fémes vezetô polarizációja révén azonnal hatástalanítaná a cella mûködését.

Mindezek a példák azt mutatják, hogy az elektrolitikus jelenség nem korlátozódik a savak és sók oldataira. Nagyon nehéz lenne azonban megállapítani, hogy milyen mértékben terjed ki az elektrolitikus vezetés. Erre a kérdésre ma még nem tudok határozott választ adni. Mindössze arra szerettem volna Önöket emlékeztetni, hogy az elektromos mozgásokkal kiváltott bomlási képesség nem szükségképpen kötôdik kis ellenálláshoz, s az elektromos és kémiai erô kapcsolata nem korlátozódik az általában használt savas és sós oldatokra.

Eddig a ponderábilis anyag, valamint az elektromosság elektrolitban zajló mozgásait tanulmányoztuk. Vizsgáljuk most meg azokat az erôket, amelyel ezeket a mozgásokat kiválthatják. Mindazok, aki tudják, milyen nagyok a kémiai erôk, milyen hatalmas hô és mechanikai munka termelésére képesek, mindig is meglepôdtek, hogy milyen csekély az elektromos vonzás a két Daniell-cellából álló elem pólusainál, noha az elem képes a vízbontásra. Egy gramm víz, amely hidrogén és oxigén elégeteskor keletkezik, annyi hôt fejleszt, hogy ha ezt a hôt egy gôzgép mechanikai munkává alakítja át, ugyanezt a súlyt 1600000 méter magasra tudná emelni. Ugyanakkor a legérzékenyebb eszközökkel tudjuk csak kimutatni, hogy a selyemszálon függô aranyfólia vagy kis alumíniumdarabka egyáltalán elmozdul-e az elem elektromos vonzásának hatására. A rejtélyt akkor fejthetjük meg, ha megvizsgáljuk azokat az elektromos mennyiségeket, amelyek az atomok töltéseiként jelennek meg.

Az az elektromos mennyiség, amelyet egy nagyon kis mennyiségû hidrogén szállít, az elektrosztatikus erô mérésébôl roppant nagynak adódik. Faraday tudta ezt, és különféle próbákat tett, hogy legalább közelítô értéket kapjon. Megállapította, hogy még a voltaméteren keresztül kisütött legerôsebb leideni palackok is alig szolgáltatnak észlelhetô mennyiségû gázt. Ma már pontos adataink is vannak. A galvános áram elektromágneses egységének elektrokémiai egyenértékét Bunsen és újabban más fizikusok is meghatározták. Ezt a meghatározást az elektromosság elektromágneses és elektrosztatikus hatásainak igen bonyolult összevetése követte, amelyet elôször Weber professzor, majd a British Association támogatásával Clerk Maxwell professzor végzett el. Az eredmény szerint egy milligramm víz, amelyet két, egymástól egy kilométerre levô, egymással összekötött gömbbe osztanak szét, akkora elektromossággal rendelkezik, amennyi 26800 kilogramm súlyával azonos vonzást hozna létre. (Az egy milligramm vízben tárolt elektromosság mennyisége kétszer ekkora lenne, két milligramm víz négyszer ennyire vonzaná egymást, vagyis 102180 kilogramm súlyával. [1884-es kiegészítés a német fordításban])

Amint már megjegyeztem, az a törvény, hogy az erô intenzitása fordítottan arányos a távolság négyzetével, és arányos a vonzó és a vonzott tömegek mennyiségével, akkor is érvényes, ha a gravitáció olyan hidrogén- és oxigéntömeg között hat, amelyek elektromos töltései is vonzzák egymást. Az eredmény ezeknek a tömegeknek a méretétôl és távolságától függetlenül is fennáll. Azt találjuk, hogy az elektromos erô nagyobb, mint a ponderábilis tömegek gravitációja: 71000 milliárdszor nagyobb, mint az oxigéné és a hidrogéné, amely ezeket az elektromos töltéseket hordozza.

Az a teljes erô, amelyet egy elektromosan töltött test egy másik, ellentétes töltésû testre vonzás közben kifejt, mindig arányos azzal az elektromos mennyiséggel, amelyet a vonzó és a vonzott test hordoz. Így bár egy kis elem pólusai által kifejtett vonzóerôk olyan töltés mellett is képesek vízbontásra, amelyet elektromos berendezéseinkben keltve igen mérsékeltnek tartunk, ugyanez a kis elem az egy milligramm vízben levô atomok óriási töltéséire akkora erôt fejt ki, amely a legerôsebb kémiai affinitással is összemérhetô.

Ha most megvizsgáljuk, hogy a ponderábilis molekulák mozgásai hogyan függenek ezeknek az erôknek a hatásától, kétféle esetet kell megkülönböztetnünk. Elôször is megkérdezhetjük: milyen erôk szükségesek ahhoz, hogy az ionok elôre mozduljanak el töltésükkel együtt a folyadék belsejében? Másodszor: mi szükséges ahhoz, hogy az ion kiváljon az oldatból és korábbi vegyületébôl?

Kezdjük azzal az esettel, amikor a vezetô folyadékot mindenütt szigetelôk veszik körül. Ekkor a felületén semmilyen elektromosság nem léphet ki és nem távozhat, de a pozitív elektromosság az egyik, a negatív a másik oldalra vándorolhat a külsô, elektromosan töltött testek vonzó és taszító erôinek a hatására. Ezt a folyamatot, amely minden fémes vezetôben is lejátszódik, elektrosztatikus indukciónak nevezik. A folyékony vezetôk ilyen körülmények között ugyanúgy viselkednek, mint a fémek. Ha a két test felületének nagy részei egymáshoz igen közel kerülnek, jelentôs mennyiségû elektromosság gyülemlik fel. Ezt az elrendezést elektromos kondenzátornak nevezik. Olyan elektromos kondenzátorokat készíthetünk – Ayrton és Perry urak újabb kíséreleti nyomán –, amelyek egyik felülelete folyadékfelület. Sir W. Thomson vízcseppes berendezése, amely nagy elektromosságot gyûjt össze, ezeknek a kondenzátoroknak különleges formája: tökéletes szabályossággal tölthetô fel azzal a legkisebb elektromotoros erôvel is, amelyet a legérzékenyebb elektrométerek észlelni képesek. Wullner professzor bebizonyította, hogy ha legjobb szigetelôinket hosszú ideig elektromos hatásnak tesszük ki, végül ugyanolyan módon töltôdnek fel, ahogy a fémek egy szempillantás alatt. Nem lehet kétséges, hogy még az 1/100 Daniellnél kisebb elektromotoros erôk is tökéletes elektromos egyensúlyt hoznak létre az elektrolit folyadék belsejében.

Ugyannek a hatásnak egy másik, kissé módosított példája figyelhetô meg abban a voltametrikus cellában, amelynek két platinaelektródját Daniell-cellához kötik, de a cella elektromotoros ereje nem elegendô az elektrolit elbontására. Ekkor az elektródokhoz szállított ionok nem tudják leadni elektromos töltésüket. Az egész berendezés úgy viselkedik – ahogy Sir W. Thomson elôször felhívta rá a figyelmet –, mint egy óriási kapacitású kondenzátor. A kondenzátorban felgyülemlô elektromosság – azonos elektromotoros erô mellett – fordítva arányos a lemezek távolságával. Ha ez az egyszázadára csökken, a kondenzátor százszor több elektromosságot vesz föl, mint korábban. Ha most a két platinafelületet és a folyadékot egymáshoz érintjük, távolságukat molekuláris méretûre csökkentjük. Ilyen kondenzátor kapacitását határozták meg Varley, Kohlrausch és Colley urak. Magam is végeztem néhány kísérletet, amelyek azt mutatták, hogy a folyadékban elnyelôdött oxigén jelentôsen befolyásolja az értéket. A gázok teljes kiûzése után kisebb értéket kaptam, mint Kohlrausch, ami arra utal, hogy ha a két azonos platinalemez közötti teljes polarizációt egyenlôen felosztjuk, a pozitív és negatív elektromosság két rétege közötti távolságnak a milliméter 1/10 000 000 (Kohlrausch szerint 1/15 000 000) részének kell lennie (a két réteg közül az egyik a fém, a másik a folyadék legkülsô molekuláira kerül). Csaknem ez a határérték adódik, amikor kiszámoljuk a molekuláris erôk hatótávolságát, amint azt Sir. W. Thomson több más példában is kimutatta.

Ennek az elektrolitos galvanométernek olyan óriási a kapacitása, hogy ha csak a legkisebb elektromoros erôvel van is feltöltve, a galvanométer könnyen jelzi a belépô elektromos mennyiséget. Amit most a kondenzátor feltöltésének nevezek, korábban a fémlemez polarizációjának hívtam. Valójában mindkettô ugyanaz a folyamat, hiszen az elektromos mozgást mindig kémiai bomlás kíséri az elektrolit oldatokban.

Ha az elsô ábrán bemutatott cellához hasonló cellában figyeljük meg a polarizáló és depolarizáló áramokat, akár az igen kicsiny, 1/1000 Daniell-cellányi elektromtoros erô is elegendô a jelenségek vizsgálatához. Azt tapasztaltam, hogy eddig a határig a kondenzátorba belépô elektromosság mennyisége arányos volt az elektromosságot összegyûjtô elektromotoros erôvel. Úgy gondolom, hogy nagyobb platinafelületekkel még kisebb határértéket érhetünk el.

Ha az elektromos töltések közötti erôn kívül bármilyen más kémiai erô is létezne, amely az összes ellentétes töltésû iont összekötné és bármekorra munkát igényelne is ennek az erônek a legyôzése, az olyan elektromotoros erôknek, amelyek képesek az ionokat az elektródokhoz vonzani és ezeket kondenzátorokként feltölteni, alsó határértékkel kellene rendelkezniük. Eddigi tudásunk szerint semmilyen jelenség nem utal ilyen határértékre, ezért azt a következetetést kell levonnunk, hogy semmilyen más erô nem tartóztatja fel az ionok mozgását a folyadékok belsejében, mint az elektromos töltések kölcsönös vonzása. A vonzóerô megakadályozza, hogy az egymást taszító, azonos töltésû atomok egy helyen gyûljenek össze, és a másik típusú atomok, amelyeket az elôbbiek vonzanak, a folyadék bármely más helyén gyûljenek fel, amíg a külsô elektromos erô kedvez ennek az eloszlásnak. Az elektromos vonzás ily módon oda vezethet, hogy az ellenkezô töltésû atomok egyenletes eloszlást vesznek fel az egész folyadékban, és így a folyadék minden alkotórésze elektromosan is, kémiailag is semlegessé válik.

Másrészt, amint az ion megválik elektromos töltésétôl, azt tapasztaljuk, hogy az elem elektromos erôi jelentôs ellenállással találkoznak, amelynek a legyôzése nagy munkát igényel. Az ionok elektromos töltésük elvesztésével egy idôben rendszerint ki is válnak az oldatból; némelyek gázzá alakulnak át, mások merev rétegként tapadnak az elektródok felüeltére, mint az elektrolízissel leválasztott réz. De azoknak az alkotórészeknek az egyesülése, amelyeknek elegendô affinitásuk van ahhoz, hogy vegyületet alkossanak – amint Önök mindannyian nagyon jól tudják –, nagy mennyiségû hôt termel, és a hô munkával egyenértékû. Ennek megfelelôen a vegyületek bomlása munkát igényel, mert a vegyületek energiát tárolnak. Hiszen amikor a hidrogén az oxigénben elég, az oxigénnel vízzé egyesül, és jelentôs mennyiségû hôt fejleszt. A vízben a két elem közötti kémiai vonzás továbbra is olyan hatást fejt ki, mint korábban, hogy az elemeket erôsen összetartsa, de már semmilyen változást nem tud létrehozni. Az összekapcsolódott elemeket elôzô állapotukba kell visszavinnünk – akkora erôvel kell szétválasztanunk ôket, amkkora legyôzi az affinitásukat –, hogy elôzô reakciókészségük újra megjelenhessen. A kémiai egyesüléskor keletkezô hô mennyisége azonos azzal a munkával, amely a vegyület szétválasztásához, valamint a szabad hidrogén és oxigén visszaállításához szükséges. Ezt az értéket a gravitációs erô ellenében felemelt súly példájával számítottam ki korábban.

Az oxigénnel vagy a halogénekkel egyesülô fémek hasonló módon termelnek hôt; néhányuk, például a kálium, a nátrium és a cink még több hôt termel, mint az azonos mennyiségû hidrogén. A kevésbé oxidálható fémek, például a réz, az ezüst és a platina kevesebb hôt fejleszt. Ezért hôképzôdést tapasztalunk, amikor a cink kiszorítja a rezet a kénsav halogénjével képzett vegyületbôl, ami a Daniell-cella esetében is lejátszódik.

Ha bármely vezetôn – fémhuzalon vagy elektrolit folyadékon – galvános áram halad át, hô fejlôdik. Dr. Joule bizonyította be elôször kísérletileg, hogy ha az áramkör nem végez más munkát, a galvanikus áramkörben adott idô alatt fejlôdô összes hô pontosan egyenlô azzal a hôvel, amelyet ugyenez alatt az idô alatt kellett volna a kémiai reakcióknak termelniük. De ez a hô nem azoknak az elektródoknak a felületén fejlôdik, ahol ezek a kémiai reakciók lejátszódnak, hanem az áramkör minden részében, és arányos az egyes részek galvános ellenállásával. Ebbôl nyilvánvaló, hogy a fejlôdô hô nem a kémiai reakció, hanem a galvános áram azonnali hatása és az elem kémiai munkája csak elektromos hatások kiváltására fordítódik.