戴維與電化學的奠基
當伏打實驗的新的化學電源的消息報道在英國傳播后,這一新的發明即引起一個青年化學家的重視,正是他,后來在伏打的電化學成就的基礎上,從實驗和理論兩方面進一步為電化學的發展開辟了道路,他就是英國當時的青年化學家戴維(1778-1829年)。
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1806年,戴維在已經進行的一些電化學實驗基礎上,寫成了《論電的化學作用》的實驗報告。同年,他又以此為題,在皇家家學會作了演講。這一著名的演講很快名揚歐洲大陸,剛剛稱帝不久的拿破侖也決定授予戴維3000法郎獎金,以獎勵他在電化學上的貢獻。
1807年,戴維在電化學實驗中又取得兩項重大成就。其一,他在伏打電堆的基礎上,制成了一個由250對銅片和鋅片組成的能產生強大電流的巨型電堆;其二,他以這種巨型電堆為電源,成功地實現了對草木灰(碳酸鉀)和蘇打(碳酸鈉)的電解,從中發現了兩種重要的新金屬元素鉀和鈉。他并沒有止步,仍試圖以電解法尋找新元素。最初他曾試圖以鉀為還原劑,對生石灰、重晶石、苦土進行電解,以圖從中尋找新元素,但經過多次實驗,均以失敗告終。戴維又設法尋找新的實驗方法,一方面,他對電堆再次進行改革,制出了一種由五百對銅板和鋅板組成的更大的電堆;另一方面,戴維在瑞典化學家貝齊力烏斯的來信中受到啟示,采用了一些新的電解法,終于在1808年6月成功地實現了對生石灰、重晶石、苦土及鍶礦石的電解,發現了鈣、鋇、鎂、鍶四種新的金屬元素。
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戴維在實驗電化學方面的貢獻是巨大的。首先,他制成了新的能產生強大電流的伏打電堆,從而為電化學實驗找到了強大的電源。其次,他在貝齊力烏斯的啟示之下改進了電解方法,成功地電解了一些在過去被當作元素的化合物,并相繼發現了鉀、鈉、鈣、鋇、鎂、鍶這些新的金屬元素。正是從電源與電解兩方面,戴維為電化學的發展進一步奠定了實驗基礎。
戴維在進行實驗電化學研究的同時,即進行電化學的理論探索。如同他后來的助手法拉第(1791-1867年)所說過的那樣,他的電化學理論十分龐雜,但他的電化學理論還是有特色的,這就是他的電化學理論集中在電的化學效應上。
早在拉瓦錫的化合物結構理論中,就曾有對于化學親和力的一種朦朧的二元論見解。后來,德國物理學家和化學家格羅杜斯(1785-1822年)也曾在電解實驗中研究過化合物的結構理論。戴維在研究了他們的理論后認為,物質在溶液中被電解時,電流把物質分解為帶陽電與帶陰電的兩部分,帶陽電的部分被陰極吸引,而帶陰電的部分被陽極吸引,可見,物質是由兩部分構成的,而把它們結合在一起的化學親和力,即為它們之間的靜電引力。這就是戴維的二元論的電化學說。
戴維以他的二元論的電化學為基礎,對化學變化的本質進行了探討。他認為,化學變化的本質是電變化,他說:"化學變化是由電變化引起的。除此之外,我再沒有別的假說了。"戴維以他的二元論的電化學說為基礎,對物質的化學結構理論也進行了探討。他認為,不同的原子在相互接觸時,即產生相互感應,并隨即在相互感應中分別帶上相反的電荷,這樣就使得它們在靜電力引力作用下結合在一起。
戴維的二元論的電化學說的基本要點,是認為原子的電勢起源于原子的接觸。不同的原子在相互接觸中產生相反的電荷,相反的電荷就會使不同的原子相互結合。因此,接觸理論是戴維的二元論的電化學說的基本特色。正因為如此,所以戴維的二元論的電化學說后來又被稱為接觸學說。此后,戴維的接觸學說被貝齊力烏斯進一步發展為極化學說,從而形成戴維——貝齊力烏斯的二元論的電化學說。
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1809年,戴維在多次改進伏打電池的基礎上,試制成功一種用2000多組伏打電池組成的強大電源,并利用弧光放電的原理,發明了一種光照耀眼的弧光燈,又稱為電弧燈。它是在電燈發明之前,人們首次獲得的一種足以驅逐黑暗的強大光源。電弧燈的發明,使戴維的科學榮譽達到了他一生的頂峰。1812年4月8日,英國王子授命在倫敦的威斯敏斯特廣場為戴維舉行隆重的授爵儀式,授予他以"勛爵"稱號。1817年,戴維又以發明"礦用安全燈"而被授予"倫福德勛章",1820年,他被選為英國皇家學會主席。
自戴維之后,電化學取得迅速的進步,而實驗電學即以電化學和此后由法拉第等人開創的電磁學為雙翼,旋即高高地飛騰起來。
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