Электрохимия

Электрохи́мия — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока, исследуются процессы в проводниках, на электродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия исследует процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов иэлектронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

История

XVI—XVIII столетия

Немецкий физик Отто фон Герике и первый генератор статического электричества

XVI столетие знаменуется началом исследования электричества. На протяжении 17 лет английский ученый Вильям 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 г. 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 18 столетия французский химик Шарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay) 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 Б. Франклин предполагает что статическое электричество состоит из одного «флюида», а заряд объясняется избытком или недостатком такого флюида.

В 1781 г Шарль Огюстен Кулон (Charles-Augustin de Coulomb) излагаетает «Закон Кулона», описывающий взаимодействие заряженных тел.

Опыт Л. Гальвани

Большой толчок к развитию электрохимии положили опыты в 1771 г. итальянского анатома и физиолога Луиджи Гальвани (Luigi Galvani) с мышцами препарированной лягушки. Гальвани обнаружил, что при наложении на мышцы двух разных металлов, соединённых проводником, мышцы лягушки сокращаются. В 1791 гг. выходит его работа под названием «De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении») в котором Гальвани говорит о существовании «Животного электричества», которое активируется в мышцах и нервах, при наложении на них двух металлов. Эта работа стала сенсацией. Он верил, что эта новая сила была одной из форм электричества в дополнение к «природной» форме, образующейся при ударе молнии, вырабатываемой электрическим угрём, а также «не природной», искусственной, образующейся при трении (статическое электричество). Считается, что в работах Гальвани впервые появляется предположение о связи между химическими реакциями и электричеством. 1791 год считается «днём рождения» электрохимии. Многие учёные приняли теорию Гальвани, но А. Вольта (Alessandro Volta) был против неё. Вольта считает, что мышцы являются лишь проводниками электрического тока, но не являются его источником. Тогда Гальвани демонстрирует эксперимент, при котором мышцы сокращались при наложении на них одного металла, а также и без металла — при соединении бедренного нерва с мышцей. А. Вольта на протяжении 8 лет занимается изучением органов угрей и скатов, вырабатывающих электричество. Результатом его исследований стало изготовление в 1799 году первого химического источника тока — «Вольтова столба». Это был исключительно важный (задолго до появления генераторов) источник электрического тока, способствовавший появлению многих открытий, в частности, первое получение в 1808—1809 гг. английским учёным Гемфри Дэви (Humphry Davy) в чистом виде таких металлов как натрий, калий, барий, стронций, кальций и магний.

XIX столетие

В конце XVII ст. немецкий физик Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) пишет статью «Гальванизм» и создаёт простой аккумулятор. С В. Николсом они проводят разложение воды на водород и кислород путём электролиза. Вскоре после этого В. Риттер разрабатывает процесс гальванопокрытия. Он замечает, что количество осаждаемого металла, а также образующегося кислорода, зависит от расстояния между электродами. К 1801 г. Риттер наблюдает термоэлектрический ток и поручает его исследование Томасу Зеебеку (Thomas Johann Seebeck).

В 1820 г. Х. Эрстед открывает магнитный эффект электрического тока, что было эпохальным открытием. Андре-Мари Ампер (André-Marie Ampère) повторяет эксперимент Эрстеда и описывает его математически.

В 1821 г. немецко-эстонский физик Т. Зеебек (Thomas Johann Seebeck) демонстрирует появление термоэлектрического потенциала в точке соединения двух разнородных металлов, при наличии разницы температуры в этой точке.

В 1827 г. немецкий ученый Г. Ом (Ohm, Georg Simon) представляет свой закон в известной книге Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" (гальваническая цепь, математическая обработка) и полностью описывает свою теорию электричества.

1832 г.- знаменитый английский физик Майкл Фарадей (Michael Faraday) открывает законы электролиза и вводит такие понятия как электрод, электролит, анод, катод, анион, катион.

В 1836 г. Д. Даниэль создаёт первичный источник тока. Даниель занимается проблемой поляризации. В 1839 г. английский физик Вильям-Роберт Грове (Grove) создаёт первый топливный элемент. В 1866 г. француз Жорж Лекланше (Georges Leclanché) патентует новый элемент — угольно-цинковый гальванический элемент.

1884 г.- Сванте Аррениус (Svante August Arrhenius) публикует диссериацию «Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytesc» (Исследования гальванической проводимости электролитов). Он говорит, что электролиты распадаются при растворении на положительные и отрицательные ионы.

1886 г. — Поль Луи Туссен (Paul Héroult) и Ч. Холл (Charles M. Hall), одновременно и независимо, разрабатывают промышленный способ получения алюминия путём электролиза на основе законов Фарадея.

1894 г. — Ф.Оствальд (Friedrich Ostwald) завершает важные исследования электропроводности и электродиссоциации органических кислот.

1888 г. — В. 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.

XX столетие

Бурное развитие электрохимии. В 1902 г. — образование электрохимического общества — The Electrochemical Society (ECS). 1949 г. — Международного электрохимического общества — International Society of Electrochemistry (ISE). В 1959 г. чешский учёный Ярослав Гейеровский (Jaroslav Heyrovský) получает Нобелевскую Премию за изобретение и развитие нового вида электрохимического анализа — полярографии.

Советская школа электрохимиков

• А. Н. Фрумкин
• А. И. Левин
• Л. И. Антропов
• Б. Б. Дамаскин

Открытия 16-18-го веков

Немецкий физик Отто фон Герике en:Otto von Guericke у своего электрогенератора

Начало активных научных исследований электричества приходится на 16-й век. Около 17 лет, в 1550-х годах английский учёный Гильберт en:William Gilbert исследовал магнетизм и, в меньшей степени, электричество. За его работы по магнетизму, он был назван «Отцом магнетизма.» В 1663 немецкий физик Отто фон Герике (en:Otto von Guericke) создал первый электрогенератор, который генерировал статическое электричество путём трения (электрофорная машина).

Основные понятия

• Электрод (электрохимия)
• Ион, подвижность ионов
• Анод
• Катод
• Потенциал, Стандартный электродный потенциал
• Электропроводность
• Электролит
• Электроосаждение, Гальванопластика, Гальваностегия
• Электролиз
• Электродиализ
• Импеданс
• Закон Фарадея, Число Фарадея
• Плотность тока
• Выход по току
• Перенапряжение
• Плотность тока обмена, Предельная диффузионная плотность тока
• Уравнение Тафеля
• Рассеивающая способность (электролита)

Разделы электрохимии

Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.

Теоретическая электрохимия

Теория электролитов

• Электролитическая диссоциация
• Термодинамика растворов
• Теория Дебая-Хюккеля
• Диффузия
• Миграция ионов
• Электропроводность растворов
• Расплавы
• Твердые электролиты

Электрохимия гетерогенных систем

• Электрохимическая термодинамика
• Двойной электрический слой
• Адсорбция
• Электрохимическая кинетика

Прикладная электрохимия

• Химические источники тока (ХИТ)
• Гальванотехника, Гальванопластика
• Электрохимические производства
• Технология производства печатных плат

Электролиз

Самопроизвольные электрохимические реакции характерны для процессов коррозии.

Электролиз требует внешнего источника электрической энергии, который обеспечивает возникновение и поддержание принудительного потенциала и протекание электрохимических процессов на аноде и катоде, размещённых в электрохимической ячейке (например, в промышленном электролизёре).

Коррозия и защита от коррозии

Основная статья: Коррозия

Коррозия — термин, применяемый обычно в отношении процесса разрушение металлов ржавчина, которое вызывается электрохимическими процессами.

Большинство людей знакомо с коррозией железа, в форме оранжево-коричневой или чёрно-бурой ржавчины. Ежегодно коррозия уничтожает приблизительно 10 % выплавляемых чёрных металов.

Электрохимия неводных растворов

Исследования в водных растворах ограничены электрохимической устойчивостью воды, как растворителя. Электролиз расплавленных сред не всегда приемлем, так как простые и комплексные солевые системы, включая эвтектические расплавы, имеют слишком высокую температуру плавления. Неводные растворы в органических растворителях, в жидком диоксиде серы и т. п. позволяют осуществить многие процессы, слишком энергоёмкие или полностью невозможные в воде или расплавах.

См. также

• Электрод
• Ряд активности металлов
• Биоэлектричество
• Контактный потенциал en:Contact tension — история электрохимии.
• Электрохимический потенциал
• Диаграммы Фроста
• Important publications in electrochemistry
• Диаграмма Пурбе
• Редокс-титрование
• Таблица стандартных электродных потенциалов
• Потенциал

Ссылки

• Electrochemistry.net
• The Electrochemical Society
• International Society of Electrochemistry (ISE)
• Electrochemistry Encyclopedia at Case Western Reserve University
• Electrochemistry Dictionary at Case Western Reserve University (size ~ 388KB)
• Experiments in Electrochemistry at Fun Science
• Potentiodynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy
• Nanoelectrode.com News and research articles related to nanoelectrochemistry

Салем Р.Р. Теоретическая электрохимия. М: Вузовс. кн., 2001. – 328 с.

Аблесимов Н.Е. Синопсис химии: Справочно-учебное пособие по общей химии – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – 84 с. – http://www.neablesimov.narod.ru/pub04c.html Аблесимов Н.Е. Сколько химий на свете? ч. 2. // Химия и жизнь - XXI век. – 2009. – № 6. – С. 34-37.