Последние изобретения электрической науки — динамо-машина и аккумулятор — дают замечательные примеры этой способности к преобразованию одной первичной энергии в различные формы. В только что приведенном примере получения света из электричества с помощью вольтового столба стоимость до сих пор была препятствием для его внедрения. Вся электрическая энергия получается из преобразования тепла, выделяемого в ячейках в результате химического действия на используемый металл, который обычно является цинком. Теперь, теплота соединения цинка с кислородом составляет лишь около одной шестой части теплоты угля, в то время как стоимость цинка примерно в двадцать раз выше. Теоретически, следовательно, энергия, полученная при сжигании цинка, стоит в 120 раз дороже, чем энергия, полученная при сжигании угля. Практически разница не столь велика, так как в батарее происходит очень малая потеря энергии в процессе преобразования, в то время как лучшая паровая машина не может преобразовать в работу даже двадцать процентов тепловой энергии потребленного угля. Тем не менее, даже при всех допущениях, стоимость энергии от цинка остается примерно в двадцать раз выше, чем от угля, так что, если не будет найден какой-либо процесс для получения цинка обратно в качестве остаточного продукта, нет никакой перспективы, что эта форма электричества будет широко доступна для освещения или механической энергии.
Динамо-машина — это прибор, изобретенный для механической генерации электричества путем использования принципа, согласно которому электрическая энергия вырабатывается при движении магнитов рядом с катушками проволоки или катушек проволоки рядом с магнитами. Таким образом, ток запускается посредством индукции, и, как только он запущен, механическая энергия, затрачиваемая на вращение магнита или катушек, постоянно преобразуется в электричество до тех пор, пока накопленная электрическая энергия не станет очень мощной. Первоначальная энергия, конечно, исходит от угля, сжигаемого в паровой машине, которая заставляет вращаться магнит или катушки.
Принцип сохранения энергии хорошо иллюстрируется тем фактом, что, поскольку динамо-машина генерирует электрический ток, если ее заставить вращаться, то, наоборот, она сама может быть заставлена вращаться, если через нее пропустить электрический ток из внешнего источника. Поэтому она доступна не только как источник света в первом случае, но и как прямой источник механической энергии во втором. Именно на этом принципе строятся электрические двигатели и работают электрические железные дороги. Здесь также вопрос стоимости и удобства, ибо вы можете получить достаточно электричества, чтобы осветить улицу или привести в движение двигатель, только с помощью первоначальной паровой машины или другого двигателя для работы динамо-машины и системы проводящих проводов для передачи электричества туда, где нужен свет или энергия. Там, где движущая сила поставляется природой, как в случае с приливными или речными течениями или водопадами, вполне возможно, что энергия может быть получена таким образом, чтобы конкурировать с энергией, получаемой непосредственно от паровой машины; но пока существуют значительные практические трудности, которые необходимо преодолеть при передаче любого большого количества энергии на большие расстояния.
Для преодоления некоторых из этих трудностей был изобретен аккумулятор, который дает еще один замечательный пример преобразования энергии. Он состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в подкисленную воду. Когда через воду пропускается сильный электрический ток, он разлагает ее, при этом кислород идет к одной свинцовой пластине, а водород — к другой. Кислород атакует свинцовую пластину, к которой он направляется, образуя перекись свинца; в то время как водород восстанавливает любой оксид на другой пластине, производя чистый свинец и оставляя пленку избыточного водорода на поверхности. Затем зарядный ток меняется на обратный, так что последняя пластина теперь атакуется, а первая восстанавливается, после чего ток снова меняется на обратный. Продолжая этот процесс, поверхности обеих свинцовых пластин становятся пористыми, так что они представляют собой большую поверхность и поэтому могут удерживать много перекиси свинца. Когда зарядный ток теперь прерывается, кислород, который был насильственно отделен от жидкости, стремится воссоединиться с водородом; и если две свинцовые пластины соединены проволокой, это стремление кислорода генерирует электрический ток в направлении, противоположном первоначальному, который и является используемым током. Электричество, таким образом, накапливается в переносном ящике, где оно может храниться до тех пор, пока не понадобится, когда его извлекают путем соединения пластин, и поскольку было накоплено большое количество энергии, производимый ток длится значительное время.
К сожалению, аккумуляторы громоздки, тяжелы и дороги, и почти половина энергии первоначального зарядного тока теряется при получении обратного или рабочего тока. Поэтому они пока не приспособлены для общего использования, хотя вполне способны обеспечивать как свет, так и движущую силу, для обеих целей они успешно применялись в особых случаях. Будущее как электрической энергии, так и электрического освещения теперь сводится исключительно к вопросу стоимости; и хотя трудно победить газ и паровую машину с дешевым углем, а также воздухом и водой, которые ничего не стоят, возможно, что при использовании природных источников энергии для приведения в движение динамо-машин и при получении цинка обратно в качестве остаточного продукта в батареях, электричество в определенных случаях может взять верх.
ГЛАВА V. ПОЛЯРНОСТЬ В МАТЕРИИ.
Первоэлементы вселенной — Построение посредством полярности — Эксперимент с магнитом — Химическое сродство — Атомные полюса — Щелочи и кислоты — Квантивалентность — Атомность — Изомерия — Химическая стабильность — Термохимия — Определение атомов — Вся материя построена на полярных силах.
Я почти боюсь, что к этому времени некоторые из моих читателей могут подумать, что я соблазнил их под ложными предлогами прочитать длинные главы сухой науки, когда их со введения подвели к ожиданию дискуссий на более непосредственно интересные темы морали, религии и философии. Моим оправданием должно служить то, что эти научные предметы действительно чрезвычайно интересны сами по себе и незаменимы как прочная основа для надстройки, которая будет на них возведена. Как я могу попытаться показать, что закон полярности распространяется на более сложные проблемы человеческой мысли и жизни, если я не смогу установить его применение к более простому случаю неорганической силы и материи? Следует также помнить, что среди первобытных полярностей есть полярность автора и читателя. Моя роль — постараться представить ведущие факты и законы материальной вселенной на таком простом и популярном языке, чтобы обычный читатель, у которого нет ни времени, ни способностей для специальных исследований, мог ясно понять их без чрезмерных усилий или необычайного интеллекта. Но роль читателя — проявить среднюю степень внимания и, прежде всего, почувствовать интерес к интересным вещам. Ум и любопытство — это во многом взаимозаменяемые понятия, и самое ясное изложение пропадает даром для вялого ума, который смотрит на чудесную вселенную, в которой он имеет привилегию жить, с глупой апатией дикаря, принимая вещи такими, как они есть, не заботясь о том, чтобы узнать о них хоть что-то.
За часть работы читателя я не отвечаю; но за свою собственную отвечаю, и поэтому я приступаю к тому, чтобы дать по-своему и с лучшими способностями, которые у меня есть, ясное резюме тех фундаментальных фактов и законов природы, которые кажутся необходимыми для работы, которую я предпринял.
Из предыдущих глав мы теперь можем осознать, что представляют собой первоэлементы материальной вселенной, и остается показать, как они собраны вместе. Элементы — это эфир, энергия и материя.
Во-первых, эфир: универсальная, всепроникающая среда, невесомая или бесконечно легкая и почти бесконечно упругая, в которой вся материя, от солнц и планет до молекул и атомов, плавает, как в безбрежном океане, и чьи дрожания или вибрации, распространяющиеся как волны, переносят различные формы энергии — свет, тепло и электричество — через пространство.
Во-вторых, энергия: нечто первобытное, неразрушимое, что вызывает движение и проявляется в своих многочисленных разнообразных формах, таких как гравитация, механическая работа, молекулярные и атомные силы, свет, тепло, электричество и магнетизм, все из которых являются лишь протеическими преобразованиями одной фундаментальной энергии и взаимопревращаемы друг в друга.
В-третьих, материя: ее первоэлементами являются атомы, которые в соединении образуют молекулы, или маленькие частицы обычной материи со всеми ее качествами, которые являются кирпичиками, используемыми при строительстве всех разнообразных структур органического и неорганического миров. Из этих атомов около семидесяти до сих пор никогда не были разделены, и поэтому, хотя мы можем подозревать, что они являются лишь комбинациями или преобразованиями одной первоначальной материи, мы должны пока довольствоваться тем, чтобы считать их элементарными. Подобным же образом мы можем подозревать, что материя в действительности является лишь другой формой энергии и что впечатление твердости создается действием отталкивающей силы, которая очень энергична на коротких расстояниях. Если бы это было установлено, мы могли бы ожидать обобщения, что энергия была единственной реальностью природы; но пока это лишь предположение, и мы должны довольствоваться более чем семьюдесятью элементарными атомами как конечными фактами. В любом случае несомненно одно: материя, как и энергия, неразрушима. У нас абсолютно нет опыта того, чтобы что-либо из них было создано или уничтожено. Более того, у нас нет способностей, которые позволили бы нам даже представить, как из ничего можно сделать что-то, и все, что мы знаем или когда-либо сможем узнать об этих первобытных составляющих вселенной, касается их законов существования, их эволюции и их преобразований.
Какими бы крошечными ни были атомы и молекулы, мы должны представлять их себе не как неподвижные и неразрывно связанные, а скорее как маленькие солнечные системы, в которых вращающиеся атомы образуют молекулу, а вращающиеся молекулы образуют материю, удерживаемые вместе как отдельные системы своими собственными энергиями и движениями, пока какая-то вторгающаяся высшая сила не разрушит систему и не освободит ее компоненты для образования новых комбинаций.
Что является принципом, который таким образом формирует, расформировывает и переформировывает различные комбинации атомных и молекулярных систем, из которых мир построен из своих составляющих элементов? Это полярность.
Начав с иллюстрации магнита, вносящего порядок и гармонию в запутанную массу железных опилок, позвольте мне привести эту другую иллюстрацию из того же источника. Если мы поместим железный стержень в контакт с полюсом магнита, стержень сам станет магнитом с полюсами, противоположными исходному, так что, поскольку противоположные полюса притягиваются, железный стержень прилипает к нему. Приведите кусок никеля в контакт с дальним концом или свободным полюсом железного стержня, и никель также намагнитится и прилипнет. Пусть кусок никеля будет таким большим, какой может выдержать полюс железного стержня, и теперь поднесите кусок мягкого железа к этому полюсу. Он уронит никель и возьмет железо. Это в точности похоже на те случаи химического сродства, в которых молекула отбрасывает один из своих факторов и принимает другой, к которому ее притяжение сильнее. Если железо ржавеет в воде, то это потому, что атом кислорода отбрасывает водород, чтобы взять железо, точно так же, как магнит отбросил никель.
Полярность химических элементов подтверждается тем фактом, что когда соединения разлагаются электрическим током, различные элементарные вещества появляются на разных полюсах батареи. Так, кислород, хлор и неметаллические вещества появляются на положительном полюсе; в то время как водород, калий и металлы в целом появляются на отрицательном. Вывод неотразим: атомы в каждом случае имели полярность, противоположную полярности полюсов, к которым они притягивались. Это подтверждается тем фактом, что радикалы, то есть элементарные атомы или группы атомов, имеющие противоположные полярности, легко соединяются; в то время как те, которые имеют одинаковую полярность, как два металла, имеют лишь слабое сродство друг к другу. Таким образом, подобное притягивает неподобное, как и во всех случаях полярности, и чем больше степень несходства, тем сильнее притяжение. Так, радикалы всех щелочей электроположительны и появляются на отрицательном полюсе батареи; в то время как радикалы кислот все электроотрицательны, и чем выше каждый из них стоит в своей соответствующей шкале полярности, тем сильнее он проявляет особые качества кислоты или щелочи и тем охотнее он соединяется со своей противоположностью.
Кислоты и щелочи, по сути, являются членами одного и того же класса соединений, называемых гидратами, поскольку один атом водорода является общей чертой их состава. Этот атом соединен с одним атомом кислорода, который можно представить как центральный магнит, удерживающий атом водорода на одном полюсе, в то время как на другом он удерживает либо один атом какого-либо металлического элемента, такого как калий или натрий, либо группу, состоящую из такого элемента вместе с атомами кислорода, сконструированную так, чтобы представлять один полюс для притяжения центрального атома кислорода. Таким образом, если K означает калий, N — азот, O — кислород, а H — водород, мы можем иметь соединения
H—O—K
и
Первое — это молекула гидрата калия, который является самой едкой или сильнейшей из щелочей; вторая — азотной кислоты, самой коррозийной или мощной из кислот. Это крайности ряда, в котором есть много промежуточных членов, все они более или менее щелочные, то есть едкие и окрашивающие лакмусовую бумажку в синий цвет, когда третий элемент является простым металлическим атомом; и кислые, коррозийные и окрашивающие лакмусовую бумажку в красный цвет, когда он является сложным радикалом группы атомов металла и кислорода. Это показывает, до какой степени целые классы веществ могут иметь общее сходство в своем строении и все же наиболее широко различаться по своим качествам при замене одного элемента другим.
Эти особые качества могут быть уменьшены и в конечном итоге исчезнуть путем смешивания двух противоположных веществ, или, как это называется, нейтрализации кислоты щелочью или щелочи кислотой. Так, если соляная кислота, HCl, вливается в раствор гидрата натрия, Na—O—H, щелочные качества последнего уменьшаются и в конечном итоге исчезают, результатом нейтрального раствора является вода, H—O—H, и хлорид натрия, или поваренная соль, Na—Cl. Очевидно, что этот результат был получен путем замены атома водорода в H—Cl и атома натрия в Na—O—H, причем первый предпочел соединиться с кислородом для образования воды, в то время как вытесненный атом натрия находит убежище у хлора. Атом кислорода отбросил натрий и взял водород, точно так же, как магнит отбросил никель и взял железо.
Эта полярность химических элементов проявляется по-разному. В некоторых случаях она выглядит как полярность магнита, в котором есть два противоположных полюса, и только два, по одному на каждом конце. Так, кислород (O) биполярен, и его атом удерживает вместе два атома водорода (H) при образовании молекулы воды, которую можно представить как H+-O+-H, что эквивалентно H-O-H. Другие же, такие как водород и хлор, по-видимому, имеют только один полюс, как в случае с электричеством в наэлектризованной стеклянной палочке, и должны создавать для себя противоположный полюс, который является обязательным условием всякой полярности, путем индукции в другом теле. Так, муриевая или соляная кислота образуется путем соединения одного атома хлора, который сильно отрицателен, с одним атомом водорода, в котором он, по-видимому, индуцировал положительный полюс: хотя комбинация не очень стабильна, ибо если хлору представлен элемент с более сильным собственным положительным полюсом, он отбрасывает водород, точно так же, как магнит отбрасывает никель. Другие атомы мультиполярны и кажутся как бы состоящими из более чем одного магнита, или, скорее, как если бы атом имел правильную форму, подобную треугольнику, квадрату или пятиугольнику, и каждый угол был полюсом, тем самым позволяя ему соединяться с тремя, четырьмя, пятью или более атомами других веществ. Так, один атом азота соединяется с тремя атомами водорода, один атом углерода с четырьмя атомами водорода и так далее. Каждое вещество, следовательно, имеет то, что называется его «квантивалентностью», или способностью соединяться с ним в большем или меньшем количестве других атомов, и, наоборот, способностью замещать в комбинациях другие атомы или группы атомов, сумма квантивалентности которых равна его собственной. Так, один атом углерода, имеющий четыре полюса, соединяется с четырьмя атомами водорода или хлора, которые униполярны, но только с двумя атомами кислорода, которые биполярны; в то время как атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, а атом хлора — только с одним атомом водорода. Аналогия между одиночными атомными и электрическими полюсами, с одной стороны, и двойными и магнитными полюсами, с другой, будет очевидна, если мы рассмотрим, что происходит, если бузинная сердцевина, наэлектризованная положительно, подносится к аналогичному шарику, наэлектризованному отрицательно. Они притягивают друг друга, и один становится полюсом другого; но если их разделить, каждый уносит с собой свой собственный электрический заряд. Но отдельные шарики или полюса, хотя больше не влияют друг на друга, не изолированы, ибо каждый притягивает посредством индукции электрический заряд, противоположный своему собственному, к конечности ближайшего проводника и тем самым создает для себя новый или второй полюс. Полярность, по сути, предполагает противопоставление отношений, или два полюса, и электрическая полярность отличается от магнитной только тем фактом, что в последней два полюса находятся в одном и том же теле, в то время как в первой они находятся в разных телах.