Еще в восьмом классе на уроках физики мы коснулись такого процесса как электролиз. Нас особенно заинтересовал электрический ток в жидких проводниках. С этим явлением связано много непонятных до этого слов, а также имен ученых, в честь которых названы изобретения, процессы и т. д. Поэтому мы решили выяснить историю открытия электролиза, что оказалось очень занимательно.

Тема занятна еще и тем, что дает возможность интеграции школьных предметов: химии, биологии, ведь мы учимся в естественнонаучном классе.

Электролиз расплавов и растворов электролитов имеет очень широкое применение на практике. Почти в каждом заводе есть гальванический цех. В нашей жизни мы каждый день сталкиваемся с изделиями, полученными на основе этого процесса.

Кроме этого, недавно, на уроках химии мы изучали процесс получения металлов, в котором, конечно же, не обошлось без электролиза. К сожалению, этот момент был изучен недостаточно подробно, а нас он очень заинтересовал, в связи с этим подробно ознакомились с теоретической частью данного процесса, а также раскрыли его на практике.

Таким образом, тема очень актуальна в наше время, дает возможность её глубокого раскрытия, а также дальнейшего изучения и разработки.

Цели и задачи

Цель исследования:

выяснение природы электрического тока в жидких проводниках и рассмотрение его применения на практике.

Поставленная цель потребовала решения ряда взаимосвязанных задач:

изучение механизма электрического тока в жидких проводниках;

рассмотрение открытия явления электролиза;

ознакомление с краткими биографиями ученых, участвующих в исследовании этого процесса;

сравнение первых гальванических элементов с современными батарейками ведущих фирм мира;

сравнение батареек ведущих фирм мира между собой;

изучение применения электролиза (тяжёлая вода, получение металлов, гальваническое производство);

проведение экспериментов в домашних условиях с использованием процесса электролиза, создание инструкции.

Практическая часть

Сначала мы подробно изучили процесс электролиза и сделали вывод, что электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Далее была рассмотрена биография Луиджи Гальвани, его открытия, пробы и ошибки. Подробное изучение первого периода физики последнего столетия помогло нам понять, как много времени, средств и сил затрачено на это открытие, выяснение его природы. Толчком к открытию процесса электролиза стали исследования Луиджи Гальвани о животном электричестве, раскрытие истинной природы данного процесса принадлежит другому учёному – Алессандро Вольту. Он же нашёл применение на практике – создал вольтов столб.

От Вольтова столба мы перешли к изучению других гальванических элементов. Их оказалось огромное множество. Со временем они усложнялись, приобретали новые особенности. Каждый из них имел свои минусы и плюсы. Например, одни были удобны для переноски, другие служили источником тока на телеграфных станциях. Изучив этот материал, мы сделали следующие выводы. Достоинство гальванического элемента измеряется силой тока, им развиваемого, и продолжительностью его действия, а именно произведением первой величины на другую. Стоимость устройства и пользование батареей имеет большое значение в технических вопросах. Почти во всех лучших элементах употребляется цинк, который во время действия элемента окисляется и растворяется в количестве, эквивалентном количеству электричества, протекающему в это время по проводникам, т. е. силе тока. Сопротивления элементов, как зависящие от размеров пластинок, величины погруженной части их в жидкость, от качества глиняных банок в элементах, где таковые содержатся, представляют величины, имеющие определенное значение лишь в конкретных частных случаях. Электровозбудительные силы не зависят от размеров элементов, но зависят от крепости кислоты и степени насыщенности солей, в которые погружены одни и те же пластинки.

Создание гальванических элементов – долгий путь к современным батарейкам.

В последние десятилетия возрос объем производства щелочных аналогов элементов Лекланше, в том числе воздушно-цинковых. Так, например в Европе производство щелочных марганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в 1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска.

Использование свободного электролита ограничивает возможности применения автономных и в основном используется в стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследования направлены на создание так называемых сухих элементов, или элементов с загущенным электролитом, свободных от таких элементов, как ртуть и кадмий, которые представляют серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды.

Такая тенденция является следствием преимуществ щелочных ХИТ в сравнении с классическими солевыми элементами:

существенное повышение разрядных плотностей тока за счет применения пастированного анода;

повышение емкости ХИТ за счет возможности увеличения закладки активных масс;

создание воздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22) за счет большей активности существующих катодных материалов в реакции электровосстановления дикислорода в щелочном электролите.

Фирма Duracell – признанный лидер в мире по производству щелочных гальванических источников одноразового действия. История фирмы насчитывает более 40 лет. Сама фирма расположена в Соединенных Штатах Америки. В Европе ее заводы находятся в Бельгии. По мнению потребителей как у нас, так и за рубежом по популярности, продолжительности использования и соотношению цены и качества батарейки фирмы Duracell занимают ведущее место. Плотности разрядного тока в литиевых источниках не велики (по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2. При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током рационально использовать литиевые элементы Duracell в высокотехнологичных системах. Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана (TiO2) и других технологических особенностей способствует повышению мощности и эффективности использования марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell. Внутри стального корпуса щелочных элементов "Duracell" расположен цилиндрический графитовый коллектор, в котором находится пастообразный электролит в контакте с игольчатым катодом. Гарантированный срок хранения элементов 5 лет, и при этом - емкость элемента, указанная на упаковке, гарантируется в конце срока хранения.

Концерн Varta – один из мировых лидеров по производству ХИТ. 25 заводов концерна расположены в более чем 100 странах мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов и батареек. Основные производственные мощности занимает Департамент стационарных промышленных аккумуляторов. Однако порядка 600 наименований гальванических элементов от батареек для часов до герметичных аккумуляторов производятся на заводах концерна Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии и т.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от географического расположения завода. В фотографической камере первого человека, ступившего на Луну, были установлены батарейки концерна Varta. Они достаточно хорошо известны нашим потребителям и пользуются устойчивым спросом. Panasonic Corporation — крупная японская машиностроительная корпорация, один из крупнейших в мире производителей бытовой техники и электронных товаров. В 2007 году компания заняла 59-е место по объёму выручки в глобальном рейтинге компаний Fortune Global 500 http://ru.wikipedia.org/wiki/Panasonic - cite_note-0. До 1 октября 2008 года носила название Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (Panasonic была одной из торговых марок этой компании). Штаб-квартира — в городе Кадома префектуры Осака (Япония).

Диаграмма 1.

Диаграмма 2.

Диаграмма 3.

Важнейшее значение электролиз имеет при получении тяжелой воды Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного лёгкого протия содержит два атома тяжёлого изотопа водорода – дейтерия. История её открытия и получения подробно раскрыта в приложении 5. Сначала тяжёлая вода была получена в малых количествах, затрачено много средств, в особенности объёмов воды, которые подвергаются электролизу. Далее процесс был усовершенствован. Тяжёлая вода нашла широкое применение. Важнейшим её свойством является то, что она практические не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для их торможения и в качестве теплоносителя. Также применяется в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1000 тонн тяжёлой воды.

Получение металлов также не обошлось без использования электролиза. Так, к примеру, получают алюминий из его расплава.

Более широкое применение данный процесс нашёл в гальваническом производстве. Гальваническое покрытие – это металлическая пленка толщиной от долей микрона до десятых долей миллиметра, наносимые на поверхность неметаллических изделий методом гальваники для придания им твердости, износостойкости, антикоррозийных, антифрикционных, декоративных свойств. Из самых распространённых процессов сюда относится меднение, никелирование, хроматирование и др. Существует так же и гальванопластика – осаждение толстого, массивного слоя металла на поверхности какого-либо предмета, форму которого хотят воспроизвести, скопировать.

Данные процессы широко распространены в наше время. Гальванические цеха есть на большинстве заводов. Один из таких заводов описан в приложении 8.

Некоторые механизмы гальванопластики и гальваностегии возможно осуществить и в домашних условиях. Это мы доказали, проведя некоторые опыты. (Приложение 9.) Конечным результатом работы стало создание инструкции по проведению таких опытов, которые вы можете попробовать сами.

Гальваностегия и гальванопластика

Урок гальванопластики

После анодирования алюминия естественно будет перейти к очередным электрохимическим опытам, благо под рукой есть и электролитическая ванна, и источник тока, и ключ с реостатом. В этих экспериментах мы будем извлекать металл из раствора и наносить его на поверхность. Этот процесс называют гальваностегией, а покрытия - гальваническими. Кстати, анодирование алюминия тоже относится к гальваностегии.

Сначала поучимся наносить на стальную поверхность медь. Меднение очень распространено в промышленности, и не только как самостоятельный процесс, но и (пожалуй, даже чаще) как подготовительная операция перед покрытием другими, более прочными и нарядными пленками: хромовыми, никелевыми, серебряными. Причина в том, что медь, правильно нанесенная, очень прочно держится на стали и выравнивает шероховатости и дефекты его поверхности, а другие металлы, в свою очередь, хорошо осаждаются на медной пленке.

Казалось бы, все просто: обработал стальную деталь раствором медного купороса, более активное железо вытеснило медь из раствора, и она осела на поверхность. Действительно, так и будет (можете проверить, опустив чистый гвоздь в раствор CuSO4). Но слой меди на поверхности очень рыхлый - его легко стереть даже тряпкой. А при электрохимической обработке медный слой получается ровным и прочным.

Вот очень простой способ меднения. С одного конца мягкого многожильного провода снимите изоляцию и растеребите тонкие медные проволочки, чтобы получилась "кисть". Для удобства работы привяжите ее к деревянной палочке или карандашу, а другой конец провода подсоедините к положительному полюсу батарейки для карманного фонаря. Электролит - концентрированный раствор медного купороса, желательно слегка подкисленный, - налейте в широкую склянку, в которую удобно будет макать "кисть". Подготовьте стальную пластинку или другой небольшой предмет, желательно с плоской поверхностью. Протрите его мелкой наждачной шкуркой и обезжирьте, прокипятив в растворе стиральной соды. Положите пластинку в ванночку или кювету и подсоедините ее проводом к отрицательному полюсу батарейки. Схема собрана, осталось только ввести электролит. Обмакните "кисть" в раствор медного купороса и проведите ею вдоль пластинки, стараясь не дотрагиваться до поверхности; работайте так, чтобы между пластинкой и кистью был всегда слой электролита. Проводки все время должны быть смочены раствором. На глазах пластинка будет покрываться красным слоем металлической меди. На обработку маленькой детали уйдут считанные минуты. Если же поверхность побольше, то потребуется не только дополнительное время, но и дополнительная батарейка; соедините ее с первой параллельно. Когда покрытие нанесено, высушите деталь на воздухе и матовый слой меди натрите до блеска шерстяной или суконной тряпкой. Кстати, этот опыт можно ставить и с алюминиевой, и с оцинкованной пластинкой. Такой процесс, при котором деталь не опускают в электролитическую ванну, а обрабатывают снаружи небольшими участками, добавляя все время электролит, порой используют и на практике, особенно в тех случаях, когда деталь настолько велика, что для нее не подберешь подходящей ванны. Например, когда надо подновить покрытие на обшивке океанского корабля. Впрочем, если детали невелики, их обычно все же погружают в ванну с электролитом - это быстрее и удобнее. Вот как это делают перед никелированием, ибо без предварительного меднения в этом случае не обойтись

В банку или стакан опустите на проволочках (лучше медных) две медные пластинки - аноды. Между ними на проволочке же подвесьте деталь (все эти проволочки, напоминаем, удобнее всего обмотать вокруг карандаша и положить его на края банки). Те проволочки, которые идут от медных пластинок, соедините вместе и подключите к положительному полюсу источника тока, а деталь - к отрицательному; включите в цепь реостат или радиосопротивления на 200-300 Ом, чтобы регулировать ток, и миллиамперметр (тестер). Источник постоянного тока - две-три батарейки для карманного фонаря, соединенные параллельно, или аккумулятор с напряжением не более 6 В. Раствор электролита - 20 г медного купороса и 2-3 мл серной кислоты на 100 мл воды - налейте в стакан, раствор должен полностью покрыть электроды. Пользуясь реостатом или подбирая сопротивления, установите ток от 10 до 15 мА на каждый квадратный сантиметр поверхности детали. Минут через двадцать выключите ток и выньте деталь - она покрыта тонким слоем меди. Электролит меднения не выливайте, он еще пригодится. Далее - собственно никелирование. Приготовьте новый электролит (30 г сульфата никеля, 3,5 г хлорида никеля и 3 г борной кислоты на 100 мл воды) и налейте этот электролит в другой стакан. Для никелирования нужны никелевые электроды. Опустите их в электролит, соберите схему так же, как при меднении, и включите ток, вновь примерно на двадцать минут. Выньте деталь, промойте и просушите ее. Она покрыта сероватым матовым слоем никеля. Чтобы покрытие приобрело привычный блеск, его надо отполировать. Электролит для хромирования содержит обычно хромовую кислоту. Но так как этой кислоты у вас, вероятно, нет, прибегнем к обходному маневру. Вы уже получали зеленый хромовый пигмент. Если же вы не ставили тот опыт, то имейте в виду, что хромовый зеленый продается в магазинах. Сплавьте оксид хрома с содой на воздухе, т. е. нагрейте смесь в чистой металлической банке. Вы получили хромат натрия Na2CrO4. Растворите его в воде, профильтруйте и подкислите серной кислотой; в этом растворе можно проводить хромирование.

Разумеется, если у вас есть готовый хромат натрия, готовить его излишне. Небольшой предмет, который вы собираетесь хромировать, обработайте как обычно наждачной бумагой, обезжирьте, протравите слабым раствором кислоты и промойте. Он будет катодом, подсоедините его к отрицательному полюсу источника тока. Анод нужен инертный, например, графитовый. Разберите старую батарейку и извлеките из нее графитовый стержень. Чтобы получить ток, достаточный для хромирования, надо взять аккумулятор либо несколько батареек для карманного фонаря.

Время опыта и требуемый ток подберите самостоятельно. По окончании электролиза выньте деталь из электролита, тщательно промойте ее и отполируйте до блеска тряпочкой с зубным порошком.

Урок гальванопластики.

Еще один очень распространенный электрохимический процесс – гальванопластика, т.е. осаждение толстого, массивного слоя металла на поверхности какого-либо предмета, форму которого хотят воспроизвести, скопировать. Гальванопластику используют в тех случаях, когда у металлической детали очень сложная форма и обычными способами (литьем или механической обработкой) ее трудно или невозможно изготовить. Так воспроизводят иногда скульптуры по моделям (колесница Аполлона на фронтоне Большого театра сделана гальванопластикой); так же кодируют с записи-эталона металлические формы, в которых прессуют грампластинки, в точности воспроизводя тончайший рельеф бороздок.

Если у вас не осталось раствора для меднения, то приготовьте его вновь. Возьмите кусок воска или парафина, очень тщательно разгладьте его поверхность, чтобы она стала по возможности плоской. На этом гладком участке процарапайте надпись, рисунок или узор. Советуем написать свои инициалы - тогда у вас получится монограмма. Писать удобнее всего иглой, только, пожалуйста, не оставляйте слишком глубоких царапин. Мягкой кисточкой нанесите на поверхность с рисунком электропроводящий порошок. Можно, например, растолочь в ступке грифель простого карандаша или графитовый стержень батарейки. По краям рисунка прижмите к поверхности, покрытой графитом, тонкие оголенные медные проволочки (они будут служить токоотводами) и соедините их между собой. Восковой слепок подвесьте в стакан, налейте электролит, опустите медный электрод и соберите такую же схему, как и в опытах с меднением. Но в отличие от гальваностегии тут нужен намного меньший ток, примерно 5-10 мА. Поэтому придется передвинуть движок реостата или же подобрать другое радиосопротивление. Включите ток и наберитесь терпения, потому что при таком токе медь будет осаждаться на графитированной поверхности по меньшей мере пять часов, если не больше, однако увеличивать ток не надо: качество работы будет гораздо хуже. Разомкните цепь и выньте из стакана восковой слепок. Осторожно опустите воск в горячую воду – он расплавится. А у вас в руках окажется тонкий медный листок с узором.

Аккуратно оторвите от него проволочки-токоотводы. Точная копия рисунка получена. Теперь можно перейти к весьма полезному делу: к изготовлению способом гальванопластики уникальных значков. Они будут только в вашей коллекции! Если же в кружке вы сделаете двадцать-тридцать сувениров, они долго будут напоминать вам и вашим товарищам о туристическом походе, о спортивных соревнованиях. Советов художественного свойства давать не будем: эскиз придумайте сами. Не надо сложных значков: и делать труднее, и смотрятся они хуже. По эскизу вырежьте шаблон из тонкого картона - он должен повторять внешний контур значка. Положите шаблон на тонкую медную или латунную фольгу и аккуратно вырежьте по нему столько заготовок, сколько значков вы собираетесь сделать. Ваша заготовка мягкая. Чтобы она стала жесткой, покройте ее слоем меди в гальванической ванне. В принципе вы уже умеете это делать; здесь вы найдете советы применительно к изготовлению значков. Заготовки проткните у края иглой и пропустите в отверстие тонкую медную проволочку. Промойте заготовки, протрите бензином и зубным порошком, еще раз промойте и, держа за подвеску или с помощью пинцета, опустите на полминуты в разбавленный, примерно 5%-ный раствор азотной кислоты. Напоследок промойте в проточной воде и подвесьте на металлический стержень. Всю подвеску опустите в стакан с двумя медными пластинками-анодами (значки будут катодами). Листочки фольги должны быть расположены на разных уровнях, чтобы они не закрывали друг друга. В стакан налейте электролит - 25 г медного купороса и 1,5 мл серной кислоты на 100 мл воды, желательно дистиллированной. Источник тока - аккумулятор; можно использовать и трансформатор с выпрямителем. Ток в цепи около 10 мА на 1 см2. Толщина медного слоя должна быть 0,5-0,8 мм. Когда меднение закончено, промойте детали. Если вы решили сделать на значке рельефное изображение или надписи, наметьте их иглой. Ту часть поверхности, которую покрывать не надо, закройте тонким слоем клея БФ, лака или парафина, опустите заготовки в электролит и опять включите ток, чтобы открытые участки покрылись слоем меди - тогда они станут выпуклыми. После этого клей или парафин снимите. Если сумеете, выгравируйте на значке надпись или изображение, и обязательно припаяйте с обратной стороны булавку. Наконец, придадим значку нарядный вид. Химическая окраска и никелирование вполне пригодны. Но еще лучше выглядят значки "под старое серебро". Заготовьте 2-3%-ный раствор нитрата серебра (можно растворить в воде аптечный ляписный карандаш). Небольшими порциями добавляйте соляную кислоту - три-четыре объема на один объем раствора.

С выпавшего осадка хлорида серебра слейте раствор, осадок несколько раз промойте дистиллированной водой, сливая воду очень аккуратно, по стеклянной палочке, чтобы не терять хлорид серебра. К отмытому осадку добавьте небольшими порциями 30%-ный раствор иодида калия до тех пор, пока осадок не растворится полностью. Долейте воду, чтобы довести объем раствора до первоначального. У вас должно быть столько же электролита для серебрения, сколько вы приготовили его для меднения. В этот электролит погрузите значки (они вновь будут катодами). Анодами могут служить графитовые стержни, лучше из батареек, а не из карандашей, потому что их площадь должна быть немного больше площади значков. Плотность тока небольшая, около 1 мА/см2. Так на значках образуется слой серебра и, конечно, оно выглядит как новое. Однако не такая уж хитрость почернить значки под старое серебро... Водный раствор сульфида калия примерно 0,5-1%-ной концентрации нагрейте до 50oС. Значки в этом растворе постепенно изменят цвет - они станут сначала серыми, потом синеватыми и, наконец, черными. Промойте значки и потрите их фетром или суконкой. Тогда выпуклые части посветлеют, остальная же поверхность останется черной, и значки будут выглядеть именно так, как изделия из старого серебра.

Экологическая составляющая

Гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды, главным образом поверхностных и подземных вод. Ввиду образования большого объёма сточных вод, содержащие вредные примеси тяжёлых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений, а также большого количества твёрдых отходов, особенно от реагентного способа обезвреживания сточных вод.

Экологическая опасность гальванического производства характеризуется объёмом потребляемой и сбрасываемой воды. Поэтому усилия по снижению экологической опасности должны быть направлены на проведение мероприятий, снижающих объём и токсичность образующихся отходов.

На предприятии сточные воды после гальванического производства проходят очистку на станции нейтрализации, где обезвреживаются и после нейтрализации сбрасываются на городские очистные сооружения на дополнительную очистку.

Выводы

На основе изученного нами обширного материала и собственных исследований можно сделать вывод, что электрический ток в жидких проводниках – важнейшее открытие в истории человечества, которое находит свое применение в разных средах: биологии, медицине, химии, промышленном производстве и т. д. Без этого процесса невозможно было бы получить некоторые чистые металлы, произвести обработку изделий, создать великолепные памятники (гальванопластика), ювелирные украшения и многое другое. Велико значение электролиза в получении тяжелой воды для ядерных реакторов. Применение этого процесса можно перечислять бесконечно, т. к. со временем оно становится еще более незаменимым, быстро расширяет свои границы.

Литература

1. Гальвани А., Вольта А. «Избранные работы о животном электричестве.» - М.; Л.: ОГИЗ, 1937.

2. Розенбергер Ф. «История физики.» - М.; Л.: ОНТИ, 1937.

3. Большая советская энциклопедия. В 30 тт.

4. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М. : Просвещение, 1982.

5. О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов «Физика 10 класс» - М.: Просвещение, 1995.

6. Кириллова И. Г. «Книга для чтения по физике» - М.: Просвещение, 1986.

7. Интернет: http://galvan.ru/.

Приложение 1

Процесс электролиза в растворах и расплавах электролитов

Электрический ток в металлах никакими химическими процессами не сопровождается. Это объясняется тем, что носителями тока в металлах являются электроны. Но существует такой класс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождается определенными химическими изменениями: растворы солей, кислот и оснований, т. е. растворы электролитов, а также их расплавы.

Соединим с источником тока последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводит электрического тока. Замкнув цепь, мы увидим, что лампа не горит. Однако если мы растворим в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то лампа загорится, а на катоде из раствора выделится медь.

При протекании электрического тока через растворы электролитов вместе с зарядом всегда переносится вещество (это явление называется электролизом). Отсюда следует, что носителями тока в этих проводниках являются заряженные атомы, или группы атомов, т. е. ионы. При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Растворы электролитов всегда содержат некоторое число ионов: катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают только беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают дрейфовать в направлении действующей на них силы: катионы — к катоду, анионы — к аноду.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Приложение 2

Краткая биография Луиджи Гальвани

Итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани, один из основателей учения об электричестве, основоположник электрофизиологии, родился в Болонье. В 1759 г. окончил Болонский университет, в котором изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию; в 1762 г. получил степень доктора медицины. Преподавал медицину в Болонском университете, откуда незадолго до смерти был уволен за то, что отказался принести присягу Цизальпинской республике, основанной в 1797 г. Наполеоном Бонапартом.

Первые работы Гальвани посвящены сравнительной анатомии. В 1771 г. он начал опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированной лягушки под влиянием электрического тока; наблюдал сокращение мышц при соединении их металлом с нервами или спинным мозгом, обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов. Гальвани объяснил эти явления существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении» («De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius»). Новыми опытами (опубликованы в 1797) Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к ней металла – в результате непосредственного её соединения с нервом. Исследования Гальвани имели значение для медицинской практики и разработки методов физиологического эксперимента.

Приложение 3

Первый период физики последнего столетия

Животное электричество (приблизительно от 1790 до 1800 г.).

После того как вызванные открытием электрической машины, лейденской банки и т. п., порывы энтузиазма улеглись и радужные надежды, связанные с этими открытиями, значительно ослабели, было произведено внезапное, без всяких предвестников и без всяких видимых причин, новое открытие в области электричества, которое повлияло на судьбу физики сильнее всех прежних. Виновника этого открытия почтили тем, что перенесли его имя на новую отрасль физической дисциплины, гальванизм.

Вопрос о новом виде электричества.

Первое известие об этом открытии Гальвани сам сообщил в небольшой работе «De viribus electricitatis musculari commentanus» (Comment. Bonon., VII, 1791) («О влиянии электрических сил на движение мускулов животных»). Многие физики относят начало работ Гальвани по этому вопросу к 1780 г.; но начальные слова Гальвани в приведенном сочинении делают это мало вероятным. «Мне хотелось,— говорит Гальвани, — издать в свет сочинения хотя бы в несовершенной и незаконченной... но, по крайней мере, не в первоначально грубой, едва начатой форме. Но так как я почувствовал, что у меня не хватит на это ни времени, ни досуга, ни умственных сил, я предпочел пользу дела своему естественному желанию». Повод к своему открытию он описывает так: «Я разрезал лягушку... и положил ее без всякого умысла на стол, где стояла электрическая машина, отдельно от кондуктора, на довольно значительном расстоянии от последнего. Но когда один из моих слушателей приблизил острие ножа к бедренному нерву, мышцы всех конечностей вдруг сократились, как от сильной судороги. Другой из присутствовавших утверждал, что это явление произошло лишь тогда, когда кондуктор дал искру. Он очень удивился этому новому явлению и рассказал мне о нем, так как я был занят в это время чем-то совершенно другим. У меня явилось желание тотчас же увидеть это новое явление и расследовать его скрытую причину». Упомянутый «другой из присутствовавших» заставлял впоследствии многих ломать себе голову над вопросом, кто бы это мог быть. В Болонье утверждали, что это была жена Гальвани, которой в сущности и принадлежит честь открытия явления. Замена слова «другой» именем определенного лица, конечно, увековечила бы последнее; но упрекать Гальвани за такую забывчивость все-таки нельзя.

То явление, которое наблюдал «другой», представляло собою не более как особую форму общеизвестного тогда влияния разрядов электричества (от трения при прохождении их через тело животного); а то обстоятельство, что здесь искра машины действовала не прямо, не должно было показаться удивительным, после того как стало известно электрическое влияние на расстоянии. Во всяком случае, сам Гальвани не разделял сильно распространенного и до сих пор, но ложного, мнения, будто в этом наблюдении уже заключалось открытие нового вида электричества. Он лично с большим усердием занялся всесторонним исследованием влияния знакомых источников электричества на мускулы животных. И только после продолжительных многократных и тщательных опытов Гальвани пришел к неожиданным результатам: он констатировал, что сокращения происходят лишь в то время, когда из машины извлекаются искры; что сокращения бывают более или менее сильны, независимо от напряжения электричества машины, смотря по тому, прикасается ли рука к костяной рукоятке ножа, или к его железной оправе, или, наконец, к железным гвоздям. Опыты с железными прутьями и сухими стеклянными палочками ясно показали, что воспроизведения явления необходимо прикосновение к нерву при помощи проводящего тела, и притом достаточно большого. Сообщение мышц с неизолированным телом или отведение их при помощи проволоки к земле в высокой степени способствовало получению сильных сокращений. В соответствии с этим Гальвани установил различие между нервными и мышечными кондукторами как факторами, необходимыми для наступления мышечных сокращений или, по крайней мере, способствующими им. Сокращение оказалось до известной степени в прямом отношении как к силе искры и животного, так и к силе кондукторов, особенно нервного; но в обратном отношении к расстоянию от кондуктора машины. Искры отрицательного электричества не отличались по своему действию от искр положительного: искры электрофора действовали так же, как искры от машины. Соприкосновение с нервами, отпрепарированными на живом животном, давало такие же сокращения, как и на умерших животных. Теплокровные животные тоже давали сокращения, но обыкновенно несколько более слабые, чем холоднокровные. Затем Гальвани исследовал действие естественных электрических искр, а именно молнии. С крыши дома была спущена длинная проволока, которая была присоединена к нервам задних конечностей лягушки.

чертеж 2

Теплокровные животные тоже давали сокращения, но обыкновенно несколько более слабые, чем холоднокровные. Затем Гальвани исследовал действие естественных электрических искр, а именно молнии. С крыши дома была спущена длинная проволока, которая была присоединена к нервам задних конечностей лягушки.

Другой проводник (мышечный кондуктор), присоединенный к мышцам такого же препарата, был спущен в колодезь вплоть до воды. «Как только появлялись молнии, тотчас же мышцы приходили в сильные сокращения, которые совпадали по времени с молнией и предшествовали грому. Согласие явлений было настолько велико, что сокращения происходили и в случае, когда мышечного кондуктора не было или нервный был изолирован». Сокращения происходили и без молний, если только небо было покрыто тучами, или когда облака проходили невысоко над нервным кондуктором. Но тогда и поставленные рядом электрометры показывали присутствие электричества. После этого Гальвани постарался выяснить, не действует ли и нормальное атмосферное электричество на мышцы лягушки, оказавшиеся до сих пор столь чувствительным электроскопом. «Так как мне часто случалось вешать приготовленных для опытов лягушек на окружавшую наш дом железную решетку при помощи железных крючков, проткнутых через спинной мозг, и я заметил сокращения мышц не только во время молнии, но также в ясную тихую погоду, то я полагал, что причина этих явлений лежит в дневных колебаниях атмосферного электричества. Поэтому я стал наблюдать препараты в разные часы в течение нескольких дней подряд, но едва заметил несколько сокращений в мускулах. Утомленный ожиданием, я изогнул и плотно прижал к решетке крючок, пропущенный через спинной мозг, чтобы видеть, не удастся ли теперь вызвать мышечные сокращения и не получится ли каких-либо изменений в связи с различными состояниями атмосферы и электричества. Теперь сокращения появлялись нередко, однако, вне всякой связи с изменением состояния атмосферы или электричества. Но так как сокращения эти наблюдались мною лишь на открытом воздухе (в других местах я этих опытов еще не делал), то легко было приписать их атмосферному электричеству, которое входит в животное, скопляется здесь и сильно разряжается при соприкосновении с решеткой». До этих опытов мысль о новом источнике электричества еще не появлялась в уме Гальвани, поворот наступил лишь тогда, когда Гальвани решил повторить те же самые опыты в закрытом помещении. «Когда я, — продолжает Гальвани, — внес лягушку в комнату, положил ее на железную пластинку и приблизил к последней крючок, проткнутый через спинной мозг, то получились прежние движения, прежние сокращения. Затем мною было испробовано то же самое с различными металлами, в различных местах, в разные дни и часы, и всегда результат получался одинаковый; разница была лишь в том, что от различных средств получались и различные сокращения, в одних случаях сильнее, в других слабее. Непроводящие тела вовсе не давали сокращений. Этот результат нас очень удивил, и мало-помалу мы пришли к мысли о присущем животному электричестве. Предположение это усилилось еще более, когда мы во время явления стали замечать как будто перемещение тонкой нервной жидкости из нервов в мышцы, подобное такому же перемещению в лейденской банке. Именно, когда я держал препарированную лягушку одной рукой за крючок, пропущенный через спинной мозг таким образом, что ноги лягушки касались серебряной чашки, а другой рукой прикасался при посредстве металлического тела к верхнему краю или к бокам серебряной чашки, на которой находились ноги лягушки, то животное, вопреки всякому ожиданию, приходило в сильнейшие сокращения и это происходило неизменно каждый раз при повторении этого опыта». Последний опыт Гальвани видоизменил таким образом, что лягушку держал он сам, а прикасался к серебряной чашке другой. Тогда явление не имело места; но стоило наблюдателям взяться за руки и образовать цепь, сокращения появлялись при каждом прикосновении. Еще красивее, однако, был следующий опыт. «Если держать лягушечий препарат с крючком в спинном мозгу приподнятым за одну ногу и опустить на серебряную пластинку таким образом, чтобы другая нога и крючок прикоснулись к серебру, то вследствие сокращения мышц свободная нога подпрыгивает, затем опускается и, коснувшись серебряной пластинки, опять подпрыгивает и т. д., представляя к немалому удивлению и удовольствию наблюдателей подобие электрического маятника». Для удачи опыта не нужно и металлической пластинки, — достаточно соединить металлической дугой бедренный нерв с мышцами. Замечательно при этом, что если применять для этого один и тот же металл, то движения чисто получаются слабые, или их даже вовсе не бывает; но стоит только ввести в цепь кусок меди или, еще лучше, серебра, и сокращения делаются тотчас же более сильными и продолжительными. Всего сильнее получаются мышечные сокращения, если нерв обложить оловянной фольгой (станиолем) и наложить проводящую дугу. Тогда в цепь можно ввести даже несколько человек без заметного ослабления движения. Вероятно, на обкладке, как в лейденской банке, своеобразное животное электричество скопляется сильнее, чем без нее. Но где, собственно, находится это электричество, находится ли одно из них в мышце, а другое в нерве, или же оба они находятся в мышце, и из какой части оно течет, определить чрезвычайно трудно. Если, однако, можно себе позволить высказывать предположения в таком темном деле, то я склоняюсь к мысли, что местопребывание обоих электричеств следует искать в мышце... Если стать на эту точку зрения, то не покажется уже ни натянутым, ни невероятным гипотетическое уподобление мышечного волокна маленькой лейденской банке или какому-либо другому телу, заряженному двумя противоположными электрическими зарядами, а именно уподобление нерва кондуктору банки, а, следовательно, всей мышцы — значительному количеству лейденских банок». Гальвани приводит целый ряд свойств животного электричества, в подкрепление только что приведенной параллели, упоминает и о таких, которые находятся с ней в противоречии, но, в конце концов, приходит к следующему выводу: «Итак, да позволено нам будет следовать этой не слишком невероятной гипотезе, которую, однако, мы тотчас же оставим, когда другие ученые выскажут более верное суждение о предмете или установят лучшую гипотезу на основании открытий и новых опытов». После того, как Гальвани, сравнив еще открытое им животное электричество с электричеством рыб и с электричеством от трения, установил их различие, он перешел к наиболее интересному для него, как для анатома, объяснению движений животных электричеством и к применению его для лечебных целей. Из мозга исходят импульсы, нарушающие равновесие обоих электричеств сначала в нерве, а потом, так как нерв хороший проводник, и в соответствующих мышцах. Но, как показывают опыты с искусственным электричеством, каждое нарушение равновесия в мускулах вызывает сокращение мышц. Что же касается лечения болезней при помощи искусственного электричества, то оно может быть осуществлено таким образом, что искусственному электричеству, в зависимости от характера болезни, можно дать направление одинаковое или уже противоположное с естественным животным электричеством, соответственно усиливая или ослабляя этим действия последнего.

Таким образом, Гальвани с несомненной гениальностью разрешил очень большую задачу. Несмотря на трудности, он открыл существование непрерывного электрического тока в цепи, составленной из металлов и лягушечьих мышц, установил ряд его свойств и правильно определил на опыте влияние на этот ток металлов, а равно и тела животных. За то, что он ошибся в определении действительного источника этого электричества, он поплатился своею славою в большей мере, чем бы следовало; во всяком случае, сильно распространенное мнение, будто он с самого начала применил для своих опытов два разнородных металла и, следовательно, обладая известной даровитостью, должен был бы придти к мысли о контактном или металлическом электричестве, совершенно неверно. Считая металлы в этих явлениях только проводниками, он употреблял медь или серебро наряду с железом только из-за их большей проводимости. Впоследствии эти опыты удавались ему и без применения металлов, когда он даже препарирование мышц производил стеклянными ножами. Действительно открытое им и не признанное его противниками животное или физиологическое электричество помешало ему заметить, что в большинстве прежних его опытов наблюденные им явления вызывались не этим электричеством, а другим, более сильным металлическим электричеством.

Открытия Гальвани произвели огромное впечатление и вызвали ряд последователей. В письме от 5 апреля 1792 г. д-р Евсевий Валли подтверждает опыты Гальвани и описывает электричество множества различных животных, особенно таких, которые были им умерщвлены каким-нибудь необыкновенным образом. В том же письме он сообщает, что Вольта («один из первых авторитетов в области электричества, гений между физиками») очень усердно занимается этими вопросами. Сам Вольта описал эти работы в письме к миланскому врачу от 3 апреля 1782 г. Подобно Гальвани, он находит, что лягушки наиболее чувствительны, если обнаженные бедренные нервы обложить тонкой металлической пластинкой. Тогда для их сотрясения достаточны такие слабые заряды лейденской банки, которых уже нельзя измерить электрометрам, и которые, следовательно, соответствуют не более 1/10° беннетовского (с золотыми листочками) электрометра. Далее он констатирует, что лягушки действительно представляют собою самый чувствительный из всех существующих до сих пор электроскопов. Как в этом письме, так и в двух последующих, помещенных в том же 1792 г. в «Giornale fisico-medico Brugnatelli» он является сторонником животного электричества; но уже и здесь чувствуется, что он скоро покинет путь, которому следовал Гальвани. Перечисляя условия, при которых происходят сокращения мышцы, Вольта говорит: «В-третьих, эти обкладки должны состоять из разнородных металлов, одна — из свинца или олова, другая — из золота, серебра, латуни и железа. Разнородность металлов совершенно необходима; если же применяется один металл, то, по крайней мере, его необходимо прикладывать возможно различным образом». При этом, в согласии с наблюдениями Гальвани, он отмечает, что вообще наличие двух металлов способствует явлению, и полагает, что если оно происходит и при наложении дуги из одного металла, то, вероятно, в данном случае металл на всем своем протяжении не вполне однороден. Наконец, он делит металлы в зависимости от того, как они распределяют животное электричество, на три класса, а именно: 1) олово и свинец; 2) железо, медь, латунь и 3) золото, серебро и платина. Позднее Вольта указывает на то, что сокращения можно вызвать не только на целых животных или на отдельных членах, но даже на отдельных кусочках мышц, если только применить разнородные обкладки. «Если последние состоят с одной стороны из плотно наложенного листка станиоля, а с другой — из серебряной обкладки, которая лишь прикасается к члену, то опыты удаются лучше всего». Наконец, в этих же сообщениях находится совершенно новое открытие Вольты. Разнородные обкладки вызывают иногда при прохождении электрической материи через мускулы языка не сокращения, а вкусовые ощущения. Чтобы вызвать последние, лучше всего плотно наложить гладкую полоску станиоля на кончик языка, а на середину или на другую часть языка положить серебряную или золотую монету, или вообще какой-нибудь предмет, сделанный из этих металлов, и затем соединить обе эти обкладки. Тогда, смотря по роду металлов, получается более или менее сильный кислый вкус. «Замечательно, что этот вкус длится все время, пока олово и серебро сообщены между собою, и даже постоянно нарастает в силе. Это показывает, что переход электрической материи с одного места на другое происходит непрерывно... Не менее замечательно и то, что с переменой места обкладок, т. е. если на кончик языка положить серебро, а на середину языка олово или серебряную бумагу, изменяется и характер вкуса, ощущение на кончике языка тогда уже не кислое, а скорее щелочное, резко приближающееся к горькому». Вольта ожидает многого от этого открытия, но, не желая вдаваться в область предположений, пока остается исключительно на почве опытов.

Страницы: 1, 2