В 1800 году Дэви испытал действие вольтова столба на воду и наблюдал её разложение с выделением газов — водорода и кислорода. Такой процесс называется электролизом. В 1807 году Дэви попробовал аналогично разложить водные растворы щелочей.
Растворы нужно было брать потому, что они хорошо проводили электрический ток, а только при таком условии вещество можно разложить с помощью электричества. Твёрдые щёлочи ток не проводят.
Его проводят расплавленные щёлочи, но чтобы их расплавить, требуется высокая температура. Дэви работал с калиевой щёлочью, или едким кали, — гидроксидом калия (КОН). Начал он с того, что пропустил сильный ток через раствор щёлочи — никакого эффекта!
То есть эффект-то на самом деле был, но давно известный: разложение воды на водород и кислород. Значит, разлагалась не щёлочь, а вода.
А щёлочь только облегчала процесс, делая воду электропроводной, сама же не претерпевая изменений: если бы Дэви после опыта выпарил раствор, у него осталось бы ровно столько щёлочи, сколько было вначале. Что делать?
Как заставить разлагаться не воду, а щёлочь?
Можно попробовать взять не водный раствор, а расплав щёлочи, который тоже хорошо проводит ток. Гидроксид калия плавится при температуре 405 °С. Дэви расплавил его в железном тигле, который подсоединил к «плюсу» электрической батареи, а «минус» он подсоединил к платиновой проволочке, погружённой в расплав. Эффект был неожиданный: над проволочкой появилось фиолетовое пламя!
Значит, щёлочь действительно разлагалась, что-то из неё выделялось и тут же сгорало при такой высокой температуре.
Но если температуру понизить, расплав затвердеет и перестанет проводить ток… Дэви видоизменил опыт.
Он взял кусок твёрдой щёлочи, поверхность которого была слега влажной (щёлочь обладает гигроскопичностью, то есть «притягивает» влагу из воздуха). Таким образом, количество воды было сведено до минимума.
А главное — не нужно было греть весь тигель, поскольку сильный ток сам частично расплавляет щёлочь на небольшом участке. К тому же выделяющийся при электролизе металлический калий имел шанс охладиться и не сгореть.
На этот раз Дэви сопутствовала удача.
Вот как он сам рассказал об этом на лекции, прочитанной 19 октября 1807 года в Королевском обществе. «Кали, вполне высушенное нагреванием, не является проводником, но его можно сделать им, прибавляя минимальное количество влаги, которая не влияет заметно на его агрегатное состояние, и в этом виде оно легко плавится и разлагается мощными электрическими силами.
Маленький кусочек кали, который в течение нескольких секунд был выставлен на воздух, так что его поверхность сделалась проводящей, был помещён на изолированный платиновый диск, соединённый с отрицательным полюсом интенсивно действовавшей батареи в 250 пластин с поверхностью 6 дюймов и 4 дюйма; в то же время платиновая проволока, соединённая с положительным полюсом, была приведена в соприкосновение с верхней поверхностью щёлочи.
Весь прибор находился на открытом воздухе. При этих условиях вскоре обнаружилось энергичное действие.
Кали начало плавиться у обеих точек электризации, причём у верхней поверхности наблюдалось энергичное выделение газа; у нижней отрицательной поверхности газ не выделялся, вместо этого появлялись маленькие шарики с сильным металлическим блеском, внешне не отличавшиеся от ртути. Некоторые из них сейчас же после своего образования сгорали со взрывом и с появлением яркого пламени, другие же не сгорали, а только тускнели, и поверхность их покрывалась, в конце концов, белой плёнкой.
Многочисленные опыты вскоре показали, что эти шарики состоят именно из того вещества, которое я искал и которое является легковоспламеняющимся основанием кали».
Это «основание кали» и было новым металлом — калием. А газ, который выделялся у верхней поверхности, был кислородом.
Таким же способом из едкого натра Дэви получил ещё один новый металл — натрий.
Открытие столь необычных металлов (они легче воды, энергично реагируют с ней, легко загораются, иногда самопроизвольно) произвело очень большое впечатление на химиков.
Дэви стал знаменитым.
Через год, также благодаря своему искусству экспериментатора, Дэви выделил барий, кальций, стронций и магний, а из борной кислоты — новый неметаллический элемент бор. Наконец, в 1818 году Дэви получил самый лёгкий щелочной металл литий. Таким образом, новых элементов-металлов становилось всё больше и больше.
Так, если к числу немногих известных в XVIII веке неметаллов к середине XIX века добавились только пять элементов-неметаллов (бор, йод, селен, бром и кремний), то элементов-металлов за то же время было открыто вчетверо больше. И эта тенденция сохранялась и дальше.
Открытие множества новых элементов поставило перед химиками задачу целенаправленного их комбинирования — таким способом можно было не только искусственно получать уже имеющиеся в природе (но редкие или труднодоступные) вещества, но и создавать новые, которых никогда и нигде в природе не существовало!
Вместе с тем, чтобы целенаправленно проводить такие синтезы (этот термин означает получение сложного из более простого, например сложных химических соединений из простых веществ), недостаточно было просто иметь запас различных элементов. Требовалась теория, которая объясняла бы, каким образом атомы разных элементов связываются друг с другом, почему они могут связываться не в любых пропорциях, а только в строго определённых, можно ли разорвать одни связи между атомами, не затрагивая других, и что для этого нужно сделать и т. д. и т. п. Подобных важнейших для химиков вопросов было множество.
И чтобы на них ответить, необходима была даже не одна теория, а несколько: теория строения вещества, теория реакционной способности, теория закономерностей химических реакций…
Но прежде всего следовало разобраться с одной из самых распространённых химических реакций — горением. Так возникла первая после алхимии теория — теория флогистона.