Электрохимия — в ногу с прогрессом

История электрохимии • ru.knowledgr.com

Электрохимия, отделение химии, прошла несколько изменений во время своего развития от ранних принципов, связанных с магнитами в ранних 16-х и 17-х веках, со сложными теориями, включающими проводимость, электрический заряд и математические методы. Термин электрохимия был использован, чтобы описать электрические явления в последних 19-х и 20-х веках.

В последние десятилетия электрохимия стала областью текущего исследования, включая исследование в батареях и топливных элементах, предотвратив коррозию металлов, использование электрохимических клеток, чтобы удалить невосприимчивую органику и подобные загрязнители в сточных водах electrocoagulation и улучшив методы в очистке химикатов с электролизом и электрофорезом.

Фон и рассвет электрохимии

16-й век отметил начало научного понимания электричества и магнетизма, который достиг высшей точки с производством электроэнергии и промышленной революции в конце 19-го века.

В 1550-х английский ученый Уильям Гильберт провел 17 лет, экспериментируя с магнетизмом и, до меньшей степени, электричества. Для его работы над магнитами Гильберт стал известным как «Отец Магнетизма».

Его книга Де Манет быстро стала стандартной работой всюду по Европе на электрических и магнитных явлениях.

В 1663 немецкий физик Отто фон Гюрике создал первый электростатический генератор, который произвел статическое электричество, применив трение. Генератор был сделан из большого шара серы в стеклянном земном шаре, установленном на шахте.

Шар вращался посредством заводной рукоятки, и статическая электрическая искра была произведена, когда подушка потерлась со стороны шара, поскольку это вращалось. Земной шар мог удаляться и использоваться в качестве электрического источника для экспериментов с электричеством.

Фон Гюрике использовал свой генератор, чтобы показать, что одноименные заряды отразили друг друга.

18-й век и рождение электрохимии

В 1709 Фрэнсис Хоксби в Королевском обществе в Лондоне обнаружил, что, помещая небольшое количество ртути в стакане генератора Фон Гюрике и эвакуируя воздух из него, это будет пылать каждый раз, когда шар создал обвинение, и его рука касалась земного шара. Он создал первую газоразрядную лампу.

Между 1729 и 1736, два английских ученых, Стивен Грэй и Джин Дезэгулирс, выполнили ряд экспериментов, которые показали, что пробка или другой объект так далеко, как 800 или 900 футов (245-275 м) могли быть наэлектризованы, соединив его через заряженную стеклянную трубу к материалам, таким как металлические провода или пеньковая последовательность. Они нашли, что другие материалы, такие как шелк, не передадут эффект.

К середине 18-го века французский химик Шарль Франсуа де Систернэ Дю Фэй обнаружил две формы статического электричества, и что одноименные заряды отражают друг друга, в то время как разноименные заряды привлекают.

Дю Фэй объявила, что электричество состояло из двух жидкостей: стекловидный (с латыни для «стекла»), или положительный, электричество; и смолистое, или отрицательное, электричество.

Это было «теорией с двумя жидкостями» электричества, которое было отклонено «теорией Бенджамина Франклина с одной жидкостью» позже в веке.

В 1745 Жан-Антуан Нолле развил теорию электрической привлекательности и отвращения, которое предположило существование непрерывного потока электрического вопроса между заряженными телами.

Франклин и Ноллет обсудили природу электричества с Франклином, поддерживающим действие на расстоянии и двух качественно противостоящих типах электричества и Ноллете, защищающем механическое действие и единственный тип электрической жидкости. Аргумент Франклина в конечном счете победил, и теория Ноллета была оставлена.

В 1748 Nollet изобрел один из первых electrometers, электроскопа, который показал электрический заряд, используя электростатическую привлекательность и отвращение. Nollet, как считают, первый, чтобы применить имя «лейденская фляга» к первому устройству для хранения электричества. Изобретение Ноллета было заменено electrometer Горация-Бенедикта де Соссюра в 1766.

К 1740-м Уильям Уотсон провел несколько экспериментов, чтобы определить скорость электричества. Распространенным мнением в это время было то электричество, было быстрее, чем звук, но никакой точный тест, созданный, чтобы измерить скорость тока.

Уотсон, в областях к северу от Лондона, выложил линию провода, поддержанного сухими палками и шелком, который бежал за 12 276 футами (3,7 км). Даже в этой длине, скорость электричества казалась мгновенной.

Сопротивление в проводе было также замечено, но очевидно не полностью понято, поскольку Уотсон связал это, «мы наблюдали снова, что, хотя электрические составы были очень серьезны тем, кто держал провода, сообщение о Взрыве в главном Проводнике было мало, по сравнению с тем, что слышат, когда Схема коротка». Уотсон в конечном счете решил не преследовать свои электрические эксперименты, концентрируясь вместо этого на его медицинской карьере.

К 1750-м, поскольку исследование электричества стало популярными, эффективными способами произвести электричество, разыскивались. Генератор, разработанный Джесси Рэмсден, был среди первых электростатических изобретенных генераторов.

Электричество, произведенное такими генераторами, использовалось, чтобы лечить паралич, мышечные спазмы, и управлять сердечным ритмом.

Другое медицинское использование электричества включало заполнение тела с электричеством, рисование искр от тела и применения искр от генератора до тела.

Он также установил закон обратных квадратов привлекательности и отвращения магнитные полюса, которые стали основанием для математической теории магнитных сил, развитых Симеоном Дени Пуассоном.

Куломб написал семь важных работ на электричестве и магнетизме, который он представил Académie des Sciences между 1785 и 1791, в котором он сообщил развивавший теорию привлекательности и отвращения между заряженными телами, и продолжил искать прекрасных проводников и диэлектрики.

Он предположил, что не было никакого прекрасного диэлектрика, предлагая, чтобы у каждого вещества был предел, выше которого оно проведет электричество. Единицу СИ обвинения называют кулоном в его честь.

В 1789 Франц Эпинус разработал устройство со свойствами «конденсатора» (теперь известный как конденсатор.

) Конденсатор Эпинуса был первым конденсатором, разработанным после Лейденской фляги, и использовался, чтобы продемонстрировать проводимость и индукцию.

Устройство было построено так, чтобы пространство между двумя пластинами могло быть приспособлено, и стеклянный диэлектрик, отделяющий эти две пластины, мог быть удален или заменен другими материалами.

Несмотря на выгоду в знании электрических свойств и производстве генераторов, только в конце 18-го века, итальянский врач и анатом Луиджи Гальвани отметили рождение электрохимии, установив мост между мускульными сокращениями и электричеством с его эссе 1791 года Де Вирибю Электриситати в Motu Musculari Commentarius

Электрохимия — в ногу с прогрессом

Все химические реакции, какими бы сложными они ни были, в конечном счете сводятся к простым манипуляциям с электронами: электрон отнимается от чего-то, к чему-то прибавляется или поступает в общее пользование атомов.

В обыкновенной, так сказать, традиционной химии необходимые перемещения электронов осуществляются с помощью различных вспомогательных веществ: окислителей или восстановителей. В электрохимии электроны поставляются и уводятся из зоны реакции по электрическим проводам. Здесь электрическая энергия выступает в роли реагента.

Идея эта гениально проста и не нова. Использование электролиза для синтеза органических соединений известно более 150 лет. Однако усиленное изучение этой области началось лишь в конце позапрошлого века, после создания надежных источников электрического тока.

Электрохимия, вернее её преимущества были так значительны, что уже в первой четверти прошлого столетия появились первые промышленные установки для электрохимического синтеза органических веществ.

Но традиционная химия в это время добилась больших успехов в области использования химических ускорителей процессов органического синтеза — катализаторов. К тому же электроэнергия в то время была все еще слишком дорогой и дефицитной. Это и привело к ослаблению внимания к электрохимии органических веществ.

Но обстановка давно изменилась. Электроэнергия стала дешевле и доступней, и электрохимики научились с ней обращаться экономней.

Электрохимия: преимущества

Подсчеты показали, что электроэнергия как реагент во многих случаях обходится намного дешевле традиционных посредников химических реакций. Например, если заменить калий и натрий на ток-реагент затраты снижаются примерно в девяносто раз. Если заменить цинк, то получим девятнадцатикратную экономию, магний — тринадцатикратную и так далее.

В одно время резко возросли требования к чистоте не только конечных, но и промежуточных продуктов. Особенно важна чистота в производстве полимеров. Часто примеси более одной тысячи процентов способны свести на нет физико-химические и механические качества пластмасс. Такую чистоту получить традиционными методами или практически невозможно, или очень дорого.

Здесь следует особо остановиться на вопросах управления электрохимическими реакциями.

Управление электрохимическими реакциями

Электрохимические реакций вообще сравнительно просто направлять по нужному руслу. С одной стороны, в них часто участвует меньше реагентов, а с другой — избирательность реакции можно регулировать плавно. Для этого изменяют напряжение на электродах на любую нужную величину. Можно направить реакцию на получение одного продукта или сразу двух: одного — на катоде, а другого — на аноде.

Продукция, получаемая путем электрохимических реакций

Электрохимические методы дают широкие возможности для налаживания непрерывных процессов с высоким уровнем автоматизации, управления и контроля.

Например, одна из основных добавок к моторным топливам — тетраэтилсвинец, — повышающая их качество и октановое число, долгие годы производилась путем обработки хлористого этила свинцово-натриевым сплавом. Главное неудобство состояло в том, что периодичность процесса мешала его автоматизировать.

Электрохимически это решается совсем иначе. Существует несколько вариантов получения тетраэтилсвинца путем растворения на аноде металлического свинца в растворе или расплаве определенного состава. В таком решении процесс может быть полностью автоматизирован.

Произошел пересмотр сырьевой базы органической химии!

Изъятие пищевых продуктов из сферы переработки их в технические, переход на сырье в виде продуктов переработки нефти, природных газов и сланцев в большой мере способствовал пробуждению повышенного интереса к электрохимическому синтезу. Очень часто электрохимические методы оказывались в этих условиях эффективней традиционных, а иногда и единственно возможными.

Характерным примером, иллюстрирующим эффективность электрохимических методов при переходе на новые виды сырья, является синтез себациновой кислоты. Она относится к числу ценных продуктов в производстве полиамидных смол, высококачественных смазочных масел, пластификаторов, душистых веществ.

Химический метод получения такого сырья — касторового масла, производимого из семян клещевины. На тонну конечного продукта требуется 2—2,5 тонны касторового масла. Кроме того, полученная таким образом себациновая кислота недостаточно чиста.

Перспективны оказались процессы электрохимического синтеза на основе углеводородов, в том числе природных. Например, электрохимическое фторирование и хлорирование углеводородов позволяет экономично получать высококачественные гидравлические жидкости, фреон, растворители, смазочные масла, а также мономеры для производства пластмасс.

А как зарекомендовала себя электрохимия при производстве небольших количеств продуктов?

Методами электрохимии производятся витамины, фармацевтические препараты, гормоны, чистые химические реактивы, душистые вещества.

Экономическая эффективность электрохимических методов при малотоннажном производстве может быть продемонстрирована на примере получения салицилового альдегида. Замена традиционного метода электрохимическим дает сильное сокращение стадий производства — вместо семнадцати остается только три.

Иногда электрохимические методы специально используются для утилизации вредных отходов химических производств. Так, например, решается проблема утилизации попутной соляной кислоты. Процесс утилизации соляной кислоты электрохимическим методом можно совместить с электрохимическим синтезом новых нужных органических веществ.

Несмотря на всю привлекательность электрохимии, будет, однако, неверно утверждать, что со временем все процессы станут электрохимическими. Нет оснований добиваться глобального распространения электрохимии, равно как нет оснований и недооценивать ее возможности. Органическая электрохимия уже сейчас располагает значительными возможностями, но еще большее от нее может быть получено в будущем.

Электрохимия

журнал электрохимия, дамаскин 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 и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

• 1 История
  • 1.1 XVI—XVIII столетия
  • 1.2 XIX столетие
  • 1.3 XX столетие
  • 1.4 Советская школа электрохимиков
• 2 Значение
• 3 Основные понятия
• 4 Разделы электрохимии
  • 4.1 Теоретическая электрохимия
    • 4.1.1 Теория электролитов
    • 4.1.2 Электрохимия гетерогенных систем
  • 4.2 Прикладная электрохимия
• 5 Электролиз
  • 5.1 Электролиз расплавленного хлорида натрия
• 6 Коррозия и защита от коррозии
  • 6.1 Коррозия железа и чёрных металлов
• 7 Электрохимия неводных растворов
• 8 См. также
• 9 Литература
• 10 Ссылки

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 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 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 физик Шарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay) делает вывод о существовании двух видов статического электричества.

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) излагает «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 XVIII ст. немецкий физик Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) пишет статью «Гальванизм» и создаёт простой аккумулятор. С У. Николсоном (англ.)) 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 1821 г. немецко-эстонский физик Т. Зеебек 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.

В 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 Уильям Роберт Грове (Grove) создаёт первый топливный элемент. В 1866 г. француз Жорж Лекланше (Georges Leclanché) патентует новый элемент — угольно-цинковый гальванический элемент.

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

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

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

В 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 году — создание электрохимического общества, The Electrochemical Society (ECS).

1949 год — образование Международного электрохимического общества, International Society of Electrochemistry (ISE).

В 1959 году чешский учёный Ярослав Гейровский (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
• А. А. Лыкасов
• А. Н. Барабошкин

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 (электрохимия)
• Плотность тока обмена, Предельная диффузионная плотность тока
• Уравнение Тафеля
• Рассеивающая способность (электролита)

Разделы электрохимии

Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.

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 печатных плат

Электролиз

Основная статья: Электролиз

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

Коррозия и защита от коррозии

Основная статья: Коррозия

Коррозия — термин, применяемый обычно в отношении процесса разрушения металлов ржавчиной, 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 металлов. Другими примерами являются появление чёрных пятен на серебре или позеленение меди. Стоимость замены металлических объектов, выведенных из строя вследствие коррозии, составляет миллиарды долларов США в год.

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 — потенциал Вольта, потенциал Гальвани

Литература

• Кистяковский В. А.,. Электрохимия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

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

дамаскин электрохимия, журнал электрохимия, электрохимия, электрохимия журнал

Электрохимия Информацию О

Электрохимия

Электрохимия
Электрохимия Вы просматриваете субъект
Электрохимия что, Электрохимия кто, Электрохимия описание