Электрохимия

Материал из «Знание.Вики»
Наука
Электрохимия
англ. Electrochemistry
Schemas electrolyse h2o.svg
Предмет изучения подвижные ионы
Период зарождения XX век
Основные направления физическая химия, химия
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Электрохимия — раздел физической химии, предметом изучения которого являются объёмные и поверхностные свойства твёрдых и жидких тел, содержащих подвижные ионы, и механизмы процессов с участием ионов на границах раздела и в объёме тел. Практическое значение электрохимических процессов, их роль в живом организме, своеобразие экспериментальной техники привели к выделению электрохимии в самостоятельный раздел науки.

История развития электрохимии

В XVI век английский ученый Уильям Гильберт исследует магнетизм и, в некоторой степени, электричество. Его исследования оказали огромное влияние на развитие знаний о магнетизме и электричестве. Он стал известен как «Отец магнетизма». В 1663 году немецкий физик Отто фон Герике создаёт первый электрический генератор, который вырабатывал статическое электричество благодаря трению. Генератор представлял собой стеклянный шар с рукояткой, покрытый толстым слоем серы. Шар раскручивался вручную и при трении о подушечки пальцев, образовывалась электрическая искра. Заряженный шар использовали в экспериментах по электричеству. В середине XVIII века французский физик Шарль Франсуа Дюфе делает вывод о существовании двух видов статического электричества. Он высказывает мнение о том, что электричество состоит из двух флюидов — положительного и отрицательного. В противовес этой теории Бенджамин Франклин предполагает что статическое электричество состоит из одного «флюида», а заряд объясняется избытком или недостатком такого флюида. В 1781 году Шарль Огюстен Кулон излагает закон Кулона, описывающий взаимодействие заряженных тел[1][2].

В 1800 году Алессандро Вольта построил первый источник длительного постоянного тока (Вольтов столб). Вольта связывал возникновение электродвижущей силы с соприкосновением разнородных металлов. С помощью вольтова столба английские учёные Уильям Никольсон и Антоний Карлейль электролизом осуществили разложение воды на водород и кислород. В 1807 году английским учёным Гемфри Дэви электролизом увлажнённого едкого кали получил металлический калий, это было первое применение электрохимического метода для получения нового вещества. Начало работам по Электрохимии в России положил Василий Петров (электровосстановление металлов из их окислов, 1803). В 1833—1834 годах Майкл Фарадей установил важнейшие количеств, закономерности ЭлектрохимииФарадея законы. Он же ввёл и вводит такие понятия как электрод, электролит, анод, катод, анион, катион. Фарадей показал, что генерирование электрической энергии гальваническим элементом всегда сопровождается химическим процессом. К тому же периоду относится открытие английским учёным Джоном Даниелом первого гальванического элемента и открытие Борисом Якоби гальванопластики — первого широко использованного метода прикладной электрохимии (гальванотехника)[1][2].

В 1884 году Сванте Август Аррениус публикует исследования гальванической проводимости электролитов, описывая что электролиты распадаются при растворении на положительные и отрицательные ионы. В 1886 году Поль-Луи-Туссен Эру и Чарльз Мартин Холл, одновременно и независимо, разрабатывают промышленный способ получения алюминия путём электролиза на основе законов Фарадея. В 1894 году Вильгельм Фридрих Оствальд завершает важные исследования электропроводности и электродиссоциации органических кислот. В 1888 году Вальтер Нернст развивает теорию электродвижущей силы первичного элемента, состоящего из двух электродов, разделённых раствором электролита. Он выводит уравнение, известное как Уравнение Нернста — уравнение зависимости электродвижущей силы и концентрации ионов. Возможность существования свободных ионов сделалась понятной после введения представления об энергии сольватации (для водных растворов — гидратации). На необходимость учёта такого химического взаимодействия указал впервые Иван Каблуков. Петер Дебай и немецкий учёный Эрих Хюккель нашли в 1923 году, что свойства разбавленных растворов сильных электролитов в растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью могут быть количественно истолкованы в предположении их полной диссоциации при учёте электростатического взаимодействия между заряженными частицами. В дальнейшем разрабатывалась теория, применимая к более высоким концентрациям, изучались неводные растворы и расплавленные электролиты. Особое внимание в последние десятилетия уделяется твёрдым электролитам с высокой ионной проводимостью. При исследовании взаимодействия ионов между собой и с растворителем используются новые физические методы (химическая физика)[1][2].

Разделы электрохимии

Электрохимию разделяют на теоретическую, прикладную и отдельный раздел[3][1][2].:

  • Теоретическая электрохимия, на основе законов, которым подчиняется поведение электрохимических цепей, позволяет сделать рациональный выбор системы и установить наиболее оптимальный режим работы источника тока или электролизера. Кроме того, электрохимия имеет фундаментальное общетеоретическое значение, поскольку рассматривает закономерности перехода электронов при протекании химических и электрохимических реакций. Делится на электрохимию гетерогенных систем и теорию электролитов:
  • Прикладная электрохимия, электрохимия имеет много практических применений. При помощи первичных гальванических элементов (элементов одноразового действия), соединенных в батареи, преобразуют химическую энергию в электрическую. Вторичные источники тока – аккумуляторы – запасают электрическую энергию. Топливные элементы — первичные источники тока, которые генерируют электричество благодаря непрерывной подаче реагирующих веществ (например, водорода и кислорода). Эти принципы лежат в основе портативных источников тока и аккумуляторов, применяющихся на космических станциях, в электромобилях и электронных приборах. На электрохимическом синтезе основано крупнотоннажное производство многих веществ. При электролизе рассола в хлор-щелочном процессе образуются хлор и щелочь, которые затем применяются для получения органических соединений и полимеров, а также в целлюлознобумажной промышленности. Электроэкстракцией получают важные в промышленном отношении металлы: алюминий, магний, литий, натрий и титан. Соответственно делится на:

На применении электрохимических процессов основан отдельный раздел аналитической химии — электрохимические методы анализа:

Практическое значение электрохимии

Электрохимические методы широко используются в различных отраслях промышленности. В химической промышленности это электролиз — важнейший метод производства хлора и щелочей, многочисленных окислителей, получение фтора и фторорганических соединений. Возрастающее значение приобретает электросинтез самых различных химических соединений. На электрохимических методах основано получение алюминия, магния, натрия, лития, бериллия, тантала, титана, цинка, рафинирование меди (электрометаллургия). Водород получают электролизом воды в относительно ограниченных масштабах, однако по мере использования запасов природного топлива и увеличения производства электроэнергии значение этого метода получения водорода будет возрастать. В различных отраслях техники применяются защитные и декоративные гальванические покрытия, а также гальванические покрытия с заданными оптическими, механическими и магнитными свойствами. Анодное растворение металлов успешно заменяет механическую обработку твёрдых и сверхтвёрдых металлов и сплавов. В технике всё шире применяются электрохимические преобразователи информации (хемотроника). Большое значение имеет скорейшее решение проблемы электромобиля. Быстро растущий спрос на автономные источники электроэнергии для техники, освоения космоса и бытовых применений стимулирует поиски новых электрохимических систем повышенной удельной мощности, энергоёмкости и сохранности. Всё более широкое распространение получают различные Электрохимические методы анализа, электрофизические и электрохимические методы обработки. Понимание важнейших биологических процессов, например усвоения и использования энергии пищи, распространения нервного импульса, восприятия зрительного образа, невозможно без учёта электрохимических звеньев, связанных в первую очередь с функционированием биологических мембран. Решение этих проблем ставит перед теоретической электрохимией новые задачи, а в будущем должно оказать существенное влияние и на медицинскую практику[2].

Примечания

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Электрохимия / И. Корыта, И. Дворжак, В. Богачкова ; Пер. с чеш. канд. хим. наук А.Б. Эршлера ; Под ред. проф., д-ра техн. наук В.С. Багоцкого. — Москва : Мир, 1977. — 472 с.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Электрохимия / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 30: Экслибрис-ЯЯ. — 1978. — 631 с.
  3. Электрохимия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Литература

WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!