Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram

ТЕМА XI. ЕЛЕКТРОХИМИЯ И ТЕХНИЧЕСКИ ДЕЙНОСТИ




Заобикалящият свят е разнообразен и загадъчен. Цялата природа, целият свят обективно съществува извън и независимо от човешкото съзнание. Светът е материален; всичко, което съществува, е различен вид материя, която винаги е в състояние на непрекъснато движение, промяна, развитие. Движението, като постоянна промяна, е присъщо на материята като цяло и във всяка най-малка частица.

Формите на движение на материята са разнообразни. Отоплението и охлаждането на тела, излъчването на светлина, електрическия ток, химическите трансформации, жизнените процеси са различни форми на движение на материята. Някои форми на движение на материята могат да преминат в други. Така механичното движение се превръща в термично, термично в химическо, химическо в електрическо и т.н. Тези преходи свидетелстват за единството и непрекъснатата връзка на качествено различни форми на движение. В същото време се наблюдава основният закон на природата - законът за вечността на материята и нейното движение. Този закон се прилага за всички видове материя и всички форми на неговото движение. Никаква материя, никаква форма на движение не може да се получи от нищо и да се превърне в нищо. Това се потвърждава от вековния опит на науката.

Отделни форми на движение на материята се изучават от различни науки: физика, химия, биология и др.

Всеки отделен вид материя, която има определени физични свойства (маса, обем, агрегирано състояние и т.н.) при тези условия, например вода, се нарича вещество. Една от най-старите, най-важни и обширни науки за веществата е химията.

За първи път дефиницията на химията като наука беше дадена от М. В. Ломоносов: "Химическата наука изследва свойствата и промените на телата ... трябва да изследва състава на телата", "обяснява причината за това, което се случва с химическите трансформации в веществата".

Според съвременните идеи, химията е наука за трансформациите на веществата. Изследва се съставът и структурата на веществата, зависимостта на свойствата на веществата от техния състав и структура, условията и начините за превръщане на едно вещество в друго.

Възникнал в древността, луксозното и мощно дърво на химията бързо се разраства и процъфтява - процъфтяват индустрии като неорганични, координационни, органични, органометални, аналитични, физически, радиационни, колоидни химии, биохимия, геохимия, космохимия, полимерна химия, плазмена химия. , химия на ниските температури и т.н. И навсякъде имаме нужда от обучени хора: химически инженери, учени, работници, интензивна инженерна дейност, развита наука.

Една от най-важните и обширни области на химията е електрохимията. Електрохимията е област на химията, която изучава условията и механизма за превръщане на някои вещества в други, свързани с доставката или премахването на електрическа енергия. Процесите, протичащи за сметка на електрическата енергия, доставяна отвън, или, напротив, като източник на нейното производство, се наричат ​​електрохимични процеси.


border=0


Хората са използвали широко химически и електрохимични реакции в продължение на много векове, като инвестират своите знания и умения в решаването на сложни задачи, включително специфични инженерни познания. Тази лекция е посветена на разглеждане на някои аспекти на възникването на електрохимията, нейното развитие и специфичната инженерна дейност в тази област.

1. Произходът на електрохимията и нейното формиране.

2. Постижения в електрохимията и тяхното практическо приложение.

Терминът "химия" ("chemia") се споменава за първи път в трактата на Zosimus, египетски грък от град Panopolis (около 400 г. сл. Хр.). В него Зосим казва, че демоните, които слизат от небето на земята, са учили хората на "химията" или на "свещеното изкуство на тайната". Първата книга, според Зосим, ​​в която са описани техниките на тайното "изкуство", се твърди, че е написана от пророка Хемес, от чието име произхождат "химията" и "химията".

В родината на химията, в древен Египет, кастата на свещениците притежавала тайна „свещено изкуство“. Те бяха толкова всемогъщи, че дори фараоните се страхуваха от тях. В храмовете египетските свещеници, в допълнение към поклонението, също се занимават с политика и наука - астрономия, математика, медицина. Те предвиждаха слънчеви затъмнения, промени в метеорологичните условия, извършвали сложни изчисления на пирамидите и други структури с голяма точност. Химическият занаят също се развива успешно в Египет. Методът на балсамиране на мъртвите (мумифициране), изобретен от свещениците, е все още изненадващ и възхитителен днес. Много египетски мумии са оцелели чудотворно до наши дни, а сред тях е и известната мумия на 18-годишния фараон Тутанкамон. Свещениците притежаваха тайните на правене на козметични препарати, лекарства, отрови, тухли, стъкло, лакове, бои и др.



Химията също успешно се развива в страните от Азия - Месопотамия, Индия и Китай. Металурзите на древния Вавилон заляха антимон и антимон в продължение на около 3000 години преди новата ера

По време на разкопките близо до Багдад, учените открили стъклокерамични съдове, в които бяха вмъкнати медни цилиндри, а железни пръти бяха вкарани в тях чрез битумен корк. Освен това медта е силно ерозирала. Ако в такъв цилиндър се излива електролит, например разтвор на солна киселина, възниква електрически ток. Няма съмнение, че тук става въпрос за древна галванична клетка - електрохимичен източник на ток.

В същото време бяха открити сребърни продукти с изключително фина и равномерна позлатяване. Това позлатяване, според учените, може да се приложи само чрез електрохимичен метод.

Значителен напредък в развитието на практическата химия, включително електрохимията, бе постигнат в Китай. На гробницата на китайския командир Джао-Жу, погребан в 316, има метален орнамент. Когато химиците направиха анализ на метала, се оказа, че съдържа 5% магнезий, 10% мед и 85% алуминий. Днес е известно, че алуминият може да бъде получен изключително чрез електрохимичен метод.

Тези факти показват, че дори в древността човекът се стреми да познава тайните на преобразуването на веществата и постига значителни резултати чрез химични и електрохимични процеси.

Тъй като електрохимичната трансформация на веществата е необходимо условие за участието на електроенергия, става очевидно, че развитието на електрохимията е тясно свързано с усвояването на напредъка в познаването на електричеството. За първи път идеята за дълбока връзка между електрическите и химичните явления е изразена през 1765 г. от Михаил В. Ломоносов: „Без химия, пътят към разбирането на истинската природа на електричеството е затворен”.

Електричеството, подобно на химическите процеси, е било познато на хората в древни времена. Те открили, че при триене на парче кехлибар върху копринена тъкан, тя придобива невероятно свойство - може да привлече за себе си светли обекти. Гърците наричаха кехлибарени електрон. Оттук и думата електричество.

Особен интерес към електричеството е проявен през XVII - XVIII век. Тогава се появи първата теория за същността на електричеството. Неговият създател - известният Бенджамин Франклин - същата, известна фигура в борбата за независимостта на британските колонии в Америка. Най-значимото постижение на един учен е опитът да се установи естеството на електричеството. В съответствие с философските идеи на своето време за явленията на природата, Франклин търси материален носител на електричество, подобно на някаква субстанция - "електрическа течност", която се съдържа в тела и може да се движи от едно тяло в друго. Според него "електрическата материя" се състои от частици, които са толкова малки, че лесно и свободно могат да проникнат в обикновената, дори най-плътната материя.

Идеята на Франклин за съществуването на най-малките материални носители на електричество; „Атомите на електричеството“, много учени се срещнаха с увереност.

Започва търсенето на атоми на електричество. Необходимо е да се отделят от атомите на материята, да се открият и изследват процесите, в които атомите на електричество ще проявяват своите свойства. Такава възможност се представи в изучаването на явленията при изхвърляните газове.

Установено е, че когато електрическият ток преминава през стъклени тръби, напълнени с разредени газове, лъчите се разпространяват от катода до анода. Наричани са катодни лъчи.

Немски учен Ф. Леонард установява, че катодните лъчи могат да проникнат през много тънък прозорец на запечатана тръба.

Допълнителни изследвания на Уилям Крукс, Дж. Томсън и други учени направиха възможно да се определи, че катодните лъчи са поток от отрицателно заредени частици, чиято маса е почти 2000 пъти по-малка от масата на най-лекия атом, водородния атом. Така стана ясно, че атомът не е най-малката неделима частица от материята. Установено е, че един атом се състои от положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени електрони. Когато допълнителна енергия се съобщава на атом, някои електрони могат да загубят контакт с ядрото. В същото време атомите се превръщат в положителни йони. Откъснат от един атом, един електрон може да се присъедини към друг, образувайки отрицателен йон. Така се потвърди хипотезата на Франклин за съществуването на „електрическа течност“. Оказа се, че е поток от електрони в метали и поток от положителни и отрицателни йони в разтвори и стопилки на соли, разтвори на киселини и основи.

Първите научни идеи за принципите на връзката на електрическите и химичните явления принадлежат към края на XVIII - началото на XIX век. Италианският физик А. Волта, един от основателите на теорията на електричеството, в годините 1793-1801 предлага да се поставят метали в така наречената електрохимична серия от напрежения в зависимост от това колко лесно могат да се окисляват металните атоми, т.е. преминават в състояние на положителни йони. И това се дължи на наблюдението на италиански доктор А. Галвани, който открил появата на електрически ток в мускулите на лапата на жабата (при мускулно съкращение) в момента, в който лапата на жабата, окачена на медна жица, докосна желязната решетка. Наблюдаваното явление доведе до изобретяването на химически източник на електрически ток - Волтската колона.

С помощта на Волтския стълб шведският химик И. Л. Берцелиус през 1802 г. успял да разреди електрически водните разтвори на соли, а английският химик Г. Деви през 1807 г. разтопените соли.

Изследването на такива електрохимични процеси доведе до необходимостта от намиране на механизъм за потока на електрическия ток в тези системи.

За да обяснят механизма на потока на електрическия ток в солевите разтвори, учените вървяха дълго и упорито.

Първото и успешно обяснение принадлежи на K. Grotgus. Според Grotgus, водните компоненти са частици, които носят електрически заряд: кислородът е отрицателен и водородът е положителен. Дълги вериги от последователни атоми кислород и водород се простират от един електрод към друг. Най-външните атоми на тези вериги са водород в единия край, а кислородът в другия се изхвърля на електродите и се освобождава като газове. Теорията на Grotgus е ясна и проста, но не може напълно да обясни механизма на електрическата проводимост на разтворите.

През първата четвърт на 19-ти век шведският химик И. Берцелиус направи голяма нова стъпка в обяснението на механизма на потока на електрически ток в разтвори. Той раздели всички „тела” на два класа - с положителен електрически заряд и с отрицателен. Химичната комбинация от тела неутрализира противоположните заряди. По-нататък, Берцелиус предположи, че чрез преминаване на електрически ток през решение на неутрално "тяло", последното се разделя на компоненти - положително заредени и отрицателно заредени "тела". Така възниква електрохимичната теория на химичното свързване. Простотата на теорията и великият авторитет на неговия създател определят широкото му използване при обяснението на химичните процеси, въпреки че експерименталните данни много често не са съгласни с теоретичните постулати.

В началото на 19 век М. Фарадей допринася за електрохимията. Той първо въвежда понятията: електролит, електрод, електролиза, анод, катод, йон, анион, катион, които са станали научни термини и са широко използвани днес. Според Фарадей, електролитите са вещества, които във воден разтвор се разпадат на положителни и отрицателни йони (катиони и аниони). Той вярвал, че такъв разпад е възможен само под действието на електрически ток.

И тогава усилията на много учени са насочени към изучаването на електрическата проводимост на разтворите. През 1853 г. руският физик А. Савелев установява наличието на зависимост на електрическата проводимост на разтворите от температурата и концентрацията.

Немският физик и химик В. Хитдорф подробно изследва движението на йони в разтворите. Той доказва, че когато в разтворите тече електрически ток, катиони (положителни йони) се движат към катода, а аниони (отрицателни йони) се движат към анода. За първи път той предположи, че „появата на йони не е резултат от действието на електрически ток“. Но смелите идеи на Хитторф не бяха подкрепени от известни учени от онова време. Г. Деви, М. Де ла Гива, М. Фарадей продължава да вярва, че йони се появяват само под действието на електрически ток.

През 1857 г. Р. Клаузиус предположи, че по време на топлинното движение между молекулите има сблъсъци, които водят до тяхното разпадане в йони, които за известно време съществуват независимо. С повишаването на температурата, скоростта на движение на молекулите се увеличава, броят на сблъсъците се увеличава, броят на сблъсъците се увеличава и следователно проводимостта на разтвора се увеличава. Учените признават теорията на Клаузиус бързо, но има трудности при интерпретирането на експерименталните резултати. Теорията не може да обясни защо молекулите на тези съединения, които, както се смята, се състои от елементите с най-голям афинитет един към друг, се разпадат най-лесно на йони. И скоро теорията на Р. Клаузиус беше забравена.

В историята на електрохимичната наука значимо място заемат изследванията на Г. Хелмхолц. Той вярва, че когато се разтворят електролити, някои молекули се разпадат в йони, които съществуват в разтвор, независимо дали през него преминава електрически ток или не. Броят на положителните и отрицателните йони в разтвора е един и същ, така че като цяло той е електрически неутрален. Ако електродите се потопят в разтвора и се прилага напрежението, йоните започват да се движат към електродите и, достигайки до тях, дават своя заряд, т.е. приключен. Така те се превръщат в електрически неутрални атоми. При различни електролити този процес протича при различни напрежения между електродите. Теорията на Хелмхолц дойде много близо до теорията за електролитно разпадане на Аррениус, която беше възприета по-късно и не губи своето значение до днес.

Съществуването на йони в разтвори на киселини, основи и соли, независимо от потока на електрическия ток през решение, е научно доказано през 1884 г. от шведския химик Сванте Аррениус в докторската си дисертация, която очертава теорията за електролитна дисоциация.

Точно както Хелмхолц, Арениус вярва, че винаги в разтвори, част от електролитни молекули се дисоциират в йони. Този процес протича по време на разтварянето, независимо от това дали през разтвора е преминал електрически ток или не. Но за разлика от предшественика си, той твърди, че когато това се случи, в решението се установява равновесие между йони и недисоциирани молекули. Така за първи път се използва идеята за химическото равновесие, за да се обяснят свойствата на електролитни разтвори. S. Arrhenius въвежда концепцията за степента на електролитна дисоциация, т.е. съотношението на броя на молекулите, които са се разпаднали на йони, до общия брой електролитни молекули и разделени електролити в силни (степента им на електролитна дисоциация е близо до 1) и слаби (имат само малка част от молекулите, дисоциират). Резултатите от творчеството на Аррениус са в основата на теорията за електролитната дисоциация, която носи неговото име.

S. Arrhenius най-накрая доказа, че електрическият ток в електролитните разтвори носи йони. Към разтвора се подава електрически ток с помощта на метални проводници и метални електроди. Полученото "противоречие" (електричеството се подава към разтвора под формата на поток от електрони, а в разтвора представлява потока от йони) доведе до важен извод: когато електрическият ток минава през електролитни разтвори, химичните трансформации на веществата трябва да се получат на електродите, т.е. електрическата енергия трябва да се преобразува в енергия от химическия процес.

За първи път химически процес (разлагане на вода) под действието на електрически ток е наблюдаван през 1800 г. от U. Nicholson и C. Carlyle. Те забелязали, че на катода се отделя водород, а на анода - кислород. Това се обяснява както следва. Положителният водороден йон се доближава до отрицателен електрод (катод), получава електрона, доставян от източник на ток и се превръща в водороден атом. Това означава, че процесът на възстановяване протича на повърхността на катода. Отрицателните йони на хидроксония (OH ~) се приближават до анода и се освобождават там, раздавайки електрон и се превръщат в кислороден атом. На анода се получава окисляване.