61953 (Развитие электрохимических исследований), страница 3

Пытаясь найти способ золочения филигранных серебряных изделий, которые деформировались при нагревании, а потому не могли быть подвергнуты амальгамированию, он случайно увидел статью де ла Рива в «Библиотеке Женевского университета». Заинтересовавшись ею, де Рюольс попытался усовершенствовать предложенную последним методику. Он испытал шесть различных электролитов, потенциально пригодных для этой цели: 1. Раствор цианида золота в цианиде калия (AuCN в KCN); 2. Раствор цианида золота в желтой кровяной соли (AuCN в K4[Fe(CN)6]); 3. Раствор цианида золота в красной кровяной соли (AuCN в K3Fe(CN)6); 4. Раствор хлористого золота в тех же комплексных цианидных соединениях; 5. Хлорид золота–хлорид натрия, растворенный в «углекислом бикарбонате» натрия (по-видимому, NaAu(Cl)4 в Na2CO3 или NaHCO3); 6. Сернистое золото, растворенное в сернистом калии (K3[AuS2]).

Отметим, что уже в 1841–1844 гг. эти растворы были испытаны Эльснером, который установил, что лишь два из них: №1 – дицианоаурат калия – KAuCN2 и №2,– дают осадки золота хорошего качества. Вывод Эльснера, по существу, задал направление дальнейших исследований в области электрохимического золочения.

Проведенный нами анализ работ де Рюольса показал, что его основная заслуга состоит в том, что он впервые осуществил чисто гальванический процесс. Иными словами, именно Рюольс впервые разработал такую практическую методику получения металлических покрытий, в которой центральная операция – осаждение металла – полностью основана на электрохимическом действии электрического тока.

Другая заслуга Рюольса в том, что он также впервые показал широчайшие возможности электрохимического метода нанесения покрытий. Начав с золочения изделий из серебра, меди и ее сплавов, он перешел позже к обработке нейзильбера, а также железа, стали и олова, которые предварительно покрывал тонким слоем меди. Наконец, он показал применимость электрохимического способа к получению серебрянных, платиновых, медных, кобальтовых, никелевых, цинковых, оловянных и свинцовых покрытий.

Характеризуя его вклад в разработку технологического процесса электроосаждения металлов, Комиссия Французской Академии наук отмечала: «Г-н Рюольс счастливым выбором составов, растворяющих металлы, превзошел… всех своих предшественников и соперников. По его методе можно гальванически осаждать почти все металлы одни на другие, ровно и прочно, и главное, удовлетворительно для всех потребностей ремесел и искусств».

Таким образом, переход от лабораторных опытов по электроосаждению металлов (первая стадия) к технологическому процессу, или техническому методу (вторая стадия) произошел, как минимум, двух традиций: исследований в области электричества и практических способов нанесения металлических покрытий.

Чем, однако, обусловлена оговорка «как минимум»? Дело в том, что описывая период зарождения гальванотехники, мы сознательно рассматривали исследования, связанные с изучением действия электрического тока и способов его генерирования, как единое научное направление. Вплоть до изобретения гальванопластики практически не было ученых, целенаправленно работавших в области электроосаждения металлов.Такой подход обусловлен тем, что и электротехника, и соответствующие разделы физики, и электрохимия еще не выделились в качестве отдельных наук и научных направлений.

Обычно, и это уже было показано на примерах Б. С. Якоби, А. де ла Рива, исследователи одновременно изучали целый комплекс проблем: природу электрических явлений, механизм действия источников тока, разложение электрическим током различных веществ, занимались конструированием новых источников тока и усовершенствованием существующих. Иными словами, с современной точки зрения, совмещали исследования по физике, химии, электрохимии, электротехнике.

Интересно, что работы Б. С. Якоби историки науки относят, главным образом, к физике и электротехнике, исследования Д. Ф. Даниеля – к электрохимии и электричеству; работы изобретателя широко используемого гальванического элемента, получившего его имя, Р. В. Бунзена – к химии.

Таким образом, говоря о работах по электричеству первой половины XIX в., повлиявших на зарождение гальванотехники, имеют в виду в сущности несколько направлений: теоретическую электрохимию, возникновение которой обычно связывают с открытием Л. Гальвани и изобретением А. Вольта, а оформление как количественной науки – с работами М. Фарадея; исследования по электроосаждению металлов; работы, связанные с генерированием электрической энергии за счет химических процессов.

Поскольку, говоря о получении электрической энергии за счет химических процессов, мы в сущности касаемся уже области электротехники, следует отметить, что электротехника как наука и как промышленное производство выделилась в самостоятельную традицию в 1870–1880 гг.. При этом, поскольку главным стимулом их развития стало энергетическое применение электричества – освещение, транспорт, приведение в действие различных машин и механизмов в промышленности и быту,– основным путем получения энергии стало преобразование механической и тепловой энергии в электрическую. Что же касается первоначальных попыток получения электрической энергии за счет химических процессов, то это направление, хотя и не потеряло своего значения, является как бы боковой ветвью электротехники. В связи с этим представляется правомерным отнести 1830–1870 гг. к предыстории электротехники.

Нами уже рассматривался вопрос о значении исследований в области генерирования электроэнергии для возникновения технологического процесса нанесения электрохимических покрытий. Наиболее отчетливо пересечение электрохимической и электротехнической задач просматривается при анализе процесса возникновения гальванопластики. Так, Б. С. Якоби отмечал, что его изобретение было случайным следствием работы, проводившейся с целью усовершенствования для практических нужд медно-цинкового элемента Даниеля, с одной стороны, и что оно не могло быть сделано без наличия достаточно мощных и надежных источников тока, какими являлись «постоянные батареи», с другой.

Пересечение традиций просматривается и в работах других ученых, внесших большой вклад в развитие гальванотехники. Например, А. де ла Рив, работая с элементом Даниеля, раньше Б. С. Якоби заметил, что отложение меди на катоде воспроизводит профиль электрода. Лишь то, что он не смог осознать практического значения сделанного наблюдения, помешало ему дальше разработать этот процесс. Э. Вестон, занимавшийся химическим никелированием, и предложивший вводить в электролиты никелирования буфер – борную кислоту – одновременно является изобретателем стандартного химического элемента, носящего его имя.

Создание производственного процесса

(начало 1870-х – середина 1920-х гг.) Началом нового этапа развития гальванотехники стали 1870-е гг. Переход от ремесленной технологии к крупномасштабному гальваническому производству был связан с началом применения в гальванотехнике новых источников тока – динамомашин.

Взаимосвязь развития гальванотехники и электротехники

Переход от вольтова столба к «простым гальванопластическим аппаратам» и далее к разделенной схеме электролиза с использованием «постоянных батарей», значительно расширил возможности гальванотехники, позволив в лабораторных, а затем и кустарных, ремесленных условиях правильно намечать пути проведения процессов, добиваться воспроизводимых результатов, то есть разработать технологию получения электрохимических покрытий.

Однако в 1840-х гг., когда гальванические покрытия только начали применяться, подавляющую часть работ составляли золочение, серебрение и меднение. Основной областью использования покрытий являлось ювелирное дело, поэтому цена электроэнергии, хотя и очень высокая, составляла лишь небольшую часть общей стоимости изделий. Кроме того, малые объемы производства позволяли применять такие несовершенные источники тока, как химические элементы.

С конца 1860-х гг. основную роль в гальванотехнике стали играть более дешевые никелевые покрытия. Отсюда проистекало два следствия: возрастание доли стоимости электроэнергии в общей стоимости изделий и увеличение масштабов работ. С началом широкого применения никелирования гальванические покрытия стали использовать не только с декоративной, но и с более универсальной защитно-декоративной функцией. Это, в свою очередь, привело к тому, что недостатки «постоянных батарей»: малая мощность, непостоянство напряжения, трудоемкость эксплуатации, низкая экономичность,– стали серьезным тормозом развития гальванического производства.

Таким образом, дальнейшее развитие гальванотехники непосредственно зависело от успехов электротехники.

Первые опыты по использованию электромагнитных генераторов при электроосаждении металлов были начаты уже в 1840-х гг. Одним из первых практическое применение получил генератор, сконструированный И. Пикси в 1832 г. и усовершенствованный затем для целей гальванопластики Кларком, Пейджем, Молле и др. В 1842 г. Ж. С. Ульрих сконструировал специально для гальванопластики «магнитоэлектрическую машину». Но работа машины обходилась слишком дорого, и ее применяли недолго. Ф. К. Эльснер писал по этому поводу: «… подобный аппарат никогда не был в состоянии вытеснить гальванические батареи, простой аппарат с животным пузырем … В отношении наук способ этот очень любопытен, что же касается до практики, то не думаю, чтобы он мог войти во всеобщее употребление».

Широкое использование динамомашин в гальванотехнике началось на рубеже 1870–1880-х гг., и, хотя первые их модели имели много недостатков, особенно в конструкции коммутатора, это сразу увеличило масштабы и расширило области применения покрытий. Одной из них стало омеднение стальных телеграфных проводов.

Интересны данные о масштабах гальванического серебрения и об изменении цен на электроэнергию с введением динамомашин на одном из старейших (основано в 1842 г.) и наиболее крупных предприятий, специализировавшихся в области электроосаждения металлов,– фирме Кристофль и КО в Париже. Так, при работе с химическими элементами и с динамомашинами стоимость электроэнергии, необходимой для выделения 1 кг серебра, составляла соответственно 3,87 франка и 94 сантима соответственно, то есть снизилась примерно в 4 раза. При годичном потреблении серебра в Париже на начало 1880-х гг. около 25 т на долю только этой фирмы приходилось 6 т. Общее количество серебра, которое в тот же период расходовалось для этих же целей в Европе и США, по ориентировочным подсчетам, составляло ежегодно до 110 –120 т.

В конце XIX – начале XX вв. динамомашины были признаны неотъемлемой частью гальванического производства, и ведущие фирмы: «Лангбейн–Пфанхаузер–Веркен», «Сименс», «Д-р Кампшульте и КО», «Д-р Оскар Хаан, машиненфабрик Юрдиген» и др., – сосредоточили их производство и продажу в своих руках.

Чем же, однако, объяснялось то обстоятельство, что получение электрической энергии из механической нашло широкое применение лишь спустя 50 лет после открытия М. Фарадеем электромагнитной индукции и демонстрации им в 1831 г. электрического динамомотора? Согласно Дж Берналу, тут действовали причины не технического, а экономического характера. Дело в том, что первоначально будущее применение электричества видели в области промышленности, в частности в гальванотехнике. Но вся ценность электромотора «зависела… от наличия широко разветвленной цепи снабжения электроэнергией, а это могло быть осуществлено при условии более широкой потребности в данном виде энергии, чем спрос одной только промышленности. Источником такого спроса должна была явиться эволюция коммунального хозяйства… С того момента, как электричество стало вырабатываться и распределяться для целей освещения, оно могло использоваться также и как источник энергии».

Рассмотрим эту проблему и с другой стороны: с точки зрения влияния гальванотехники на становление электротехники.

Продолжая мысль об экономических стимулах развития электротехники в период 1840–1870-х гг., Бернал отмечает, что именно запросы новых областей техники: телеграфии, гальванопластики, дугового освещения, лампы накаливания,– сыграли здесь решающую роль. Что касается важности вклада каждой из этих областей, то существуют две трактовки. Согласно Берналу, гальванопластика в силу своей специфичности обусловливала развитие лишь некоторых сторон электротехники: «Гальванопластика требовала применения сильных токов и стимулировала использование некоторых видов механически получаемого электричества. Это привело к применению первого принципа Фарадея, однако только того, который относится к постоянным магнитам (машина Пикси)… К тому же потребности гальванопластической промышленности никогда не могли быть очень обширными».