50-е годы ХХ в. ознаменовались вступлением человечества в период научно-технической революции. Научно-техническая революция носит глобальный, интернациональный характер, охватывает весь мир, она имеет всеобъемлющий характер, так как влияет на все стороны жизни, органически соединяет коренные изменения в науке и технике, выдвигает на передний план новые технологии.
В многообразии отраслей науки и техники выделяются основные направления, определяющие характер современной НТР. Это широкое использование электричества, применение атомной энергии в мирных целях, радиоэлектроника, получение искусственных материалов с заранее заданными свойствами, изучение Вселенной и другие достижения, которые воздействуют на все сферы деятельности человека, революционизируют современное производство, являются ускорителями научно-технического прогресса. Разваются новые технологии (в том числе биотехнологии), новые источники энергии, новые транспортные средства и средства связи, создаются новые предметы труда. Генеральным направлением НТР остается автоматизация производственных процессов на основе создания электронно-вычислительной техники, роботов, станков с ЧПУ, гибких автоматизированных производств.
В результате НТР достижения естественных наук все больше и больше используются в производстве, наука отделяется от непосредственного труда, во многих областях промышленности создаются автоматические системы машин, идет процесс применения технических средств, способных заменять логические функции человека.Под влиянием НТР не только улучшаются технологии, повышаются производительность труда и качество продукции, сокращаются затраты на производство.
Под ее влиянием возрастают противоречия в социальной жизни общества цивилизованных стран. НТР тесным образом связана с социальным развитием в рамках определенного общества, обусловлена и может быть правильно оценена в таком контексте, ибо социальная сфера есть продукт научно-технической, экономической деятельности государства, затрагивающий жизненные интересы людей. Влияние НТР на многие отрасли науки и техники поставило на повестку дня вопрос интенсификации инженерной деятельности, расширения инженерных специальностей, совершенствования инженерного образования. Возрастает роль профессии инженера в производстве. В этой связи при формировании инженерного корпуса нового типа обращается внимание на подготовку инженера с гуманистическим мировоззрением, фундаментализацию и информатизацию инженерного образования, подготовку специалиста с глубокой экологической и менеджментской подготовкой способного искать, принимать патентоспособные и конкурентоспособные решения.
ТЕМА XI. ЭЛЕКТРОХИМИЯ И ИНЖЕНЕРНАЯ
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Окружающий мир разнообразный и загадочный. Вся природа, весь мир объективно существует вне и независимо от сознания человека. Мир материален; все существующее представляет собой различные виды материи, которая всегда находится в состоянии непрерывного движения, изменения, развития. Движение, как постоянное изменение, присуще материи в целом и каждой мельчайшей ее частице.
Формы движения материи разнообразны. Нагревание и охлаждение тел, излучение света, электрический ток, химические превращения, жизненные процессы – все это различные формы движения материи. Одни формы движения материи могут переходить в другие. Так, механическое движение переходит в тепловое, тепловое в химическое, химическое в электрическое и т.д. Эти переходы свидетельствуют о единстве и непрерывной связи качественно различных форм движения. При этом соблюдается основной закон природы – закон вечности материи и ее движения. Этот закон распространяется на все виды материи и все формы ее движения. Ни один вид материи, ни одна форма движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто. Это подтверждено многовековым опытом науки.
Отдельные формы движения материи изучаются различными науками: физикой, химией, биологией и другими.
Каждый отдельный вид материи, обладающий при данных условиях определенными физическими свойствами (массой, объемом, агрегатным состоянием и т.д.), например вода, называют веществом. Одна из древнейших, важнейших и обширных наук о веществах – это химия.
Впервые определение химии как науки дал М.В.Ломоносов: «Химическая наука рассматривает свойства и изменения тел..., должна исследовать состав тел», она «объясняет причину того, что с веществами при химических превращениях происходит».
Согласно сегодняшним представлениям химия – это наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие.
Возникнув в древности, роскошное и мощное дерево химии бурно разрослось и расцвело – возникли и плодотворно развиваются такие отрасли, как неорганическая, координационная, органическая, элементорганическая, аналитическая, физическая, радиационная, коллоидная химия, биохимия, геохимия, космохимия, химия полимеров, химия плазмы, химия низких температур и др. И везде нужны подготовленные люди: инженеры-химики, ученые, рабочие, насыщенная инженерная деятельность, развитая наука.
Одним из важнейших и обширных разделов химии является электрохимия. Электрохимия представляет собой область химии, которая изучает условия и механизм превращения одних веществ в другие, связанные с подводом или отводом электрической энергии. Процессы, протекающие за счет подведенной извне электрической энергии, или же, наоборот, служащие источником ее получения, называют электрохимическими процессами.
Химические и электрохимические реакции люди широко используют на протяжении многих веков, вкладывая свои знания и умения в решение сложных задач, в том числе и конкретные инженерные знания. Рассмотрению некоторых аспектов возникновения электрохимии, ее развития, конкретной инженерной деятельности в этой области посвящена настоящая лекция.
1. Зарождение электрохимии и ее становление.
2. Достижения в электрохимии и практическое их применение.
Термин «химия» («хемия») впервые упоминается в трактате Зосимуса – египетского грека из города Панополиса (ок. 400 г. н.э.). В нем Зосимус рассказывает, что «химии», или же «священному тайному искусству» людей обучили демоны, сошедшие с небес на землю. Первая книга, согласно Зосимусу, в которой описывались приемы тайного «искусства», была будто бы написана пророком Хемесом, от имени которого и берет начало «хемия», «химия».
На родине химии – в древнем Египте – тайной «священного искусства» владела каста жрецов. Они были настолько всесильными, что их побаивались даже фараоны. В храмах египетские жрецы, кроме богослужения, занимались также политикой и науками – астрономией, математикой, медициной. Они с большой точностью предвидели солнечные затмения, перемену погоды, проводили сложные расчеты пирамид и других сооружений. Успешно развивалось в Египте и химическое ремесло. Изобретенный жрецами способ бальзамирования умерших (мумификация) еще и сегодня вызывает удивление и восхищение. До наших дней чудесно сохранилось много египетских мумий и среди них знаменитая мумия 18-летнего фараона Тутанхамона. Жрецы владели секретами изготовления косметических препаратов, лекарств, ядов, кирпича, стекла, лаков, красок и т.д.
Успешно развивалась химия и в странах Азии – Месопотамии, Индии, Китае. Металлурги древнего Вавилона выплавляли сурьму и сурьмянистые бронзы уже около 3000 лет до н.э.
При раскопках около Багдада ученые нашли глазурованные керамические горшки, в которые были вставлены медные цилиндры, а в них через битумную пробку – железные стержни. Причем медь оказалась сильно разъеденной. Если в такой цилиндр налить электролит, например, раствор соляной кислоты, то возникает электрический ток. Нет сомнения, что здесь мы имеем дело с древним гальваническим элементом – электрохимическим источником тока.
Одновременно были найдены серебряные изделия с чрезвычайно тонкой и равномерной позолотой. Такую позолоту, по мнению ученых, можно нанести только электрохимическим способом.
Значительные успехи в развитии практической химии, в том числе электрохимии, были достигнуты в Китае. На гробнице китайского полководца Чжао-Чжу, похороненного в 316 г., есть металлический орнамент. Когда химики сделали анализ металла, то оказалось, что он содержит 5 % магния, 10 % меди и 85 % алюминия. Сегодня известно, что алюминий можно получить исключительно электрохимическим способом.
Приведенные факты свидетельствуют, что еще в древности человек стремился познать тайны превращения веществ и достиг немалых результатов, используя химические и электрохимические процессы.
Так как при электрохимических превращениях веществ обязательным условием является участие электричества, то становится очевидным, что развитие электрохимии тесно связано с ассимиляцией достижений в познании электричества. Впервые мысль о глубокой взаимосвязи электрических и химических явлений высказал в 1765 году М.В.Ломоносов: «Без химии путь к познанию истинной природы электричества закрыт».
Электричество, как и химические процессы, было знакомо людям еще в древности. Они обнаружили, что при трении кусочка янтаря о шелковую ткань он приобретает удивительное свойство – может притягивать к себе легкие предметы. Греки назвали янтарь электроном. Отсюда и появилось слово электричество.
Особый интерес к электричеству проявили в XVII–XVIII веках. Тогда же появилась и первая теория о сущности электричества. Ее создатель – знаменитый Бенджамин Франклин – тот самый, известный деятель борьбы за независимость британских колоний в Америке. Самым значительным достижением ученого является попытка выяснить природу электричества. В соответствии с философскими представлениями своего времени о явлениях природы, Франклин ищет материальный носитель электричества, похожий на некоторое вещество – «электрический флюид», который содержится в телах и может переходить из одного тела в другое. По его мнению «электрическая материя» состоит из частиц, которые так малы, что могут легко и свободно проникать в обыкновенную, даже самую плотную материю.
Идею Франклина о существовании мельчайших материальных носителей электричества; «атомов электричества», с доверием встретили многие ученые.
Начались поиски атомов электричества. Следовало отделить их от атомов вещества, открыть и изучить процессы, в которых атомы электричества проявили бы свои свойства. Такая возможность представилась при исследованиях явлений в разряженных газах.
Было установлено, что при прохождении электрического тока в стеклянных трубках, наполненных разряженными газами, проявляются лучи, которые распространяются от катода к аноду. Их назвали катодными лучами.
Немецкий ученый Ф.Леонард установил, что катодные лучи могут проникать через очень тонкое окошко запаянной трубки.
Дальнейшие исследования Уильяма Крукса, Дж. Томсона и других ученых позволили определить, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц, масса которых почти в 2000 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Таким образом стало ясно, что атом не является наименьшей неделимой частицей вещества. Было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. При сообщении атому дополнительной энергии некоторые электроны могут утратить связь с ядром. При этом атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшись от одного атома, электрон может присоединиться к другому, образуя отрицательный ион. Таким образом была подтверждена гипотеза Франклина о существовании «электрического флюида». Им оказался поток электронов в металлах и поток положительных и отрицательных ионов в растворах и расплавах солей, растворах кислот и щелочей.
Первые научные представления о принципах взаимосвязи электрических и химических явлений относятся к концу XVIII – началу XIX века. Итальянский физик А.Вольта, один из основоположников учения об электричестве, в 1793–1801 годах предложил разместить металлы в так называемый электрохимический ряд напряжений в зависимости от того, насколько легко атомы металлов способны окисляться, т.е. переходить в состояние положительных ионов. А побудило его к этому наблюдение итальянского врача А. Гальвани, который обнаружил появление электрического тока в мышцах лапки лягушки (по сокращению мышцы) в тот момент, когда лапка лягушки, подвешенная на медной проволоке, касалась железной сетки. Обнаруженное явление привело к изобретению химического источника электрического тока – Вольтова столба.
С помощью Вольтова столба шведскому химику И. Л. Берцелиусу в 1802 году удалось электрически разложить водные растворы солей, а английскому химику Г. Дэви в 1807 году – расплавы солей.
Изучение таких электрохимических процессов привело к необходимости поиска механизма протекания электрического тока в этих системах.
К объяснению механизма протекания электрического тока в растворах солей ученые шли долго и настойчиво.
Первое и удачное объяснение принадлежит К. Гротгусу. По представлениям Гротгуса, компоненты воды – это частицы, несущие электрический заряд: кислород – отрицательный, а водород – положительный. Длинные цепи последовательно расположенных атомов кислорода и водорода простираются от одного электрода к другому. Крайние атомы этих цепей – на одном конце водород, а на другом кислород, разряжаются на электродах и выделяются в виде газов. Теория Гротгуса отличалась наглядностью и простотой, но не могла до конца объяснить механизм электропроводности растворов.
Новый крупный шаг в объяснении механизма протекания электрического тока в растворах сделал в первой четверти XIX века шведский химик И. Берцелиус. Он разделил все «тела» на два класса – с положительным электрическим зарядом и с отрицательным. При химическом соединении тел происходит нейтрализация противоположных зарядов. Далее Берцелиус предположил, что при пропускании электрического тока через раствор нейтрального «тела» последнее распадается на составляющие – положительно заряженное и отрицательно заряженное «тела». Так возникла электрохимическая теория химической связи. Простота теории и большой авторитет ее создателя определили ее широкое применение при объяснении химических процессов, несмотря на то, что данные экспериментов очень часто не согласовывались с теоретическими постулатами.
В начале XIX века свой вклад в электрохимию внес М. Фарадей. Он впервые вводит понятия: электролит, электрод, электролиз, анод, катод, ион, анион, катион, которые стали научными терминами и широко используются в наши дни. По мнению Фарадея, электролиты – это вещества, которые в водном растворе распадаются на положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы). Он считал, что такой распад возможен только под действием электрического тока.
И далее усилия многих ученых были направлены на изучение электропроводности растворов. Русский физик А. Савельев в 1853 году установил существование зависимости электропроводности растворов от температуры и концентрации.
Немецкий физик и химик В. Гитторф всесторонне изучал движение ионов в растворах. Он доказал, что при протекании электрического тока в растворах катионы (положительные ионы) движутся к катоду, а анионы (отрицательные ионы) – к аноду. Впервые он высказал мысль, что «появление ионов не есть результат действия электрического тока». Но смелые идеи Гитторфа не были поддержаны известными учеными того времени. Г. Дэви, М. Де ла Гив, М. Фарадей продолжали считать, что ионы появляются только под действием электрического тока.
В 1857 году Р. Клаузиус предположил, что при тепловом движении между молекулами происходят столкновения, которые приводят к распаду их на ионы, которые в течение некоторого времени существуют самостоятельно. С повышением температуры увеличивается скорость движения молекул, растет число столкновений, увеличивается число столкновений, а следовательно растет электропроводность раствора. Теорию Клаузиуса ученые признали быстро, но при интерпретации экспериментальных результатов возникли затруднения. Теория не смогла объяснить, почему легче всего распадаются на ионы молекулы тех соединений, которые, как тогда считалось, состоят из элементов с наибольшим сродством друг к другу. И вскоре теория Р. Клаузиуса была забыта.
В истории электрохимической науки значительное место занимают исследования Г. Гельмгольца. Он считал, что при растворении электролитов некоторые молекулы распадаются на ионы, которые существуют в растворе независимо от того, протекает через него электрический ток или нет. Число положительных и отрицательных ионов в растворе одинаково, так что в целом он электронейтрален. Если погрузить в раствор электроды и приложить напряжение, то ионы начинают двигаться к электродам и, достигнув их, отдают свой заряд, т.е. разряжаются. Так они превращаются в электронейтральные атомы. В разных электролитах этот процесс происходит при различном напряжении между электродами. Теория Гельмгольца вплотную приблизилась к принятой позже и не потерявшей значения до сегодняшнего дня теории электролитической диссоциации Аррениуса.
Существование ионов в растворах кислот, оснований и солей независимо от протекания через раствор электрического тока научно доказал в 1884 году шведский химик Сванте Аррениус в своей докторской диссертации, в которой изложил учение об электролитической диссоциации.
Так же как Гельмгольц, Аррениус считал, что всегда в растворах часть молекул электролита диссоциирует на ионы. Этот процесс происходит при растворении, независимо от того, пропускается через раствор электрический ток или нет. Но в отличие от своего предшественника, он утверждал, что при этом в растворе устанавливается равновесие между ионами и недиссоциированными молекулами. Так впервые идея о химическом равновесии была использована для объяснения свойств растворов электролитов. С. Аррениус ввел понятие степени электролитической диссоциации, т.е. отношения числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул электролита и разделил электролиты на сильные (у них степень электролитической диссоциации близка к 1) и слабые (у них диссоциирует лишь незначительная часть молекул). Результаты работ Аррениуса явились основой теории электролитической диссоциации, которая носит его имя.
С. Аррениус окончательно доказал, что электрический ток в растворах электролитов переносят ионы. Подводится электрический ток к раствору с помощью металлических проводов и металлических электродов. Возникшее «противоречие» (электричество подводится к раствору в виде потока электронов, а в растворе оно представляет поток ионов) привело к важному выводу: при прохождении электрического тока через растворы электролитов на электродах должны происходить химические превращения веществ, т.е. электрическая энергия должна превращаться в энергию химического процесса.
Впервые химический процесс (разложение воды) под действием электрического тока наблюдали в 1800 году У.Никольсон и К. Карлейль. Они обратили внимание, что на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. Объясняется это следующим образом. Положительный ион водорода подходит к отрицательному электроду (катоду), получает подведенный от источника тока электрон и превращается в атом водорода. То есть на поверхности катода происходит процесс восстановления. К аноду подходят отрицательные ионы гидроксония (ОН~) и разряжаются там, отдавая электрон, и превращается в атом кислорода. На аноде происходит процесс окисления.
Процесс восстановления или окисления на электродах компонентов электролита, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами реагирующего вещества в результате электрохимических реакций, назвали электролизом.
Электролиз основательно изучал англичанин Майкл Фарадей. В 1833 году он открывает знаменитые законы электролиза, названные его именем. Фарадей установил, что электрический заряд, который должен пройти через электролит, чтобы выделить один моль вещества, не произволен. Так, например, для выделения 1 г водорода, 23 г натрия, 35,45 г хлора или 107,87 г серебра (т.е. по одному молю каждого из этих веществ) необходимо через электролит пропустить электрический заряд, равный 96500 кулонов (Кл). Для выделения одного моля магния (24,31 г), кальция (40,08 г) или цинка (65,38 г) пропущенный электрический заряд увеличивается в два раза, он равен 193000 Кл.