电学实验研究·第七辑
化学变化,由电量来计量。
让电流穿过一种化学物,它就会分解——而法拉第发现,究竟分解出多少,竟精确到毫克,全由你送进去多少电来决定。
核心想法
让电流穿过一种含有溶解化合物的液体,化合物便会裂开,碎片聚到浸在其中的两片金属上——一把便宜的叉子镀上一层真银,靠的正是这个。法拉第的发现是:这个过程并不含糊,而是精确的——电量加倍,得到的金属就恰好加倍。析出的量,与流过的总电荷成正比。
他还发现了第二条规则。同一份电量析出的不同元素,其质量按各自的「当量」成比例。银——它每需一份电荷都很「重」——在同一电流下析出的质量,远多于轻盈的铝。电荷,就此成了化学家能够称量的东西。
它是如何诞生的
1830 年代初,法拉第——曾是装订学徒,那时已是伦敦皇家研究院的明星实验家——正在理清:来自电池、火花机、磁铁与电鱼的电,是不是同一回事。他造了一些小电池,用它们析出的金属之重、或产生的气体之量,来记录通过了多少电。
一只接一只,一种溶液接一种溶液,只有一条规则始终成立:化学变化只随电荷而变,别无其他。为了描述所见,他需要旧理论尚未占有的词,于是写信给剑桥学者威廉·休厄尔,请他造词——离子、阳极、阴极、电极、电解质——这些词如今在每一堂化学课上都被说起。
它为何重要
它让电可以用化学家的天平来测量,把电镀、金属精炼与电池制造,从凭经验的猜测变成精确的工艺。而那份奇异的精确——每一「当量」物质对应一份固定的电——是一个早期的暗示:电本身也是按可数的单位出现的。几十年后,这个暗示,化作了电子。
一个可以想象的画面
把它想成一台「原子自动售货机」。每一枚硬币,是一份电荷,由一个电子携带。释放一个银离子要一枚硬币,一个铜离子要两枚,一个铝离子要三枚。投进固定数目的硬币,你便能预先准确说出:每种金属会掉出多少个原子——而因为不同元素的原子轻重不同,同样的硬币,买到的质量大不相同。法拉第定律,就是这台机器精确的价目表。
它的位置
伏打 1800 年的电池让稳定电流成为可能,戴维曾用它把化合物撕开、分离出钠和钾。法拉第——戴维当年的助手——把这种定性的本领变成了一条定律。他那份固定的「每当量对应的电荷」,向前指向斯托尼与汤姆孙的电子,也指向能斯特(1889),后者将为这些同样的离子所产生的电压标上数字——而法拉第所造的词,至今仍在标注你手中每一节电池的阳极、阴极与电解质。
…the chemical power of a current of electricity is in direct proportion to the absolute quantity of electricity which passes.
I propose to distinguish these bodies by calling those anions which go to the anode of the decomposing body; and those passing to the cathode, cations; and when I have occasion to speak of these together, I shall call them ions.