Кіріспе

Электрохимия – физикалық химияның электрлік потенциалдар айырмашылығы мен анықталатын химиялық өзгерістер арасындағы байланысты зерттейтін саласы. Бұл реакцияларда электрондар иондық өткізгіштікке ие және электронды оқшаулайтын электролиттермен (немесе ерітіндідегі иондармен) бөлінген электродтар арасында электрондық өткізгіштікке ие фаза арқылы (әдетте сыртқы электр тізбегі, бірақ электросыз жағу сияқты міндетті емес) қозғалады. Егер химиялық реакция электрлік потенциалдар айырмашылығымен итергіліп, электролиз сияқты, немесе потенциалдар айырмашылығы химиялық реакция нәтижесінде туындаса, мысалы электр батареясында немесе отын жасушасында, онда ол электрохимиялық реакция деп аталады. Басқа химиялық реакциялардан өзгеше, электрохимиялық реакцияларда электрондар атомдардың, иондардың немесе молекулалардың арасында тікелей ауыспайды, ал жоғарыда аталған электрондық өткізгіш тізбек арқылы жүзеге асырылады. Осы құбылыс электрохимиялық реакцияны дәстүрлі химиялық реакциядан ерекшелендіреді.

16-18 ғасырлар

Электр мәселесін түсіну XVI ғасырда басталды. Осы ғасырда ағылшын ғалымы Уильям Гилберт 17 жыл бойы магнетизмді, сондай-ақ электр энергиясын аз дәрежеде зерттеумен айналысты. Магниттерді зерттегені үшін Гилберт "Магнетизмнің әкесі" деп танылды. Ол магниттерді жасау және күшейтудің әртүрлі әдістерін ашты. 1663 жылы неміс физигі Отто фон Герике машинада үйкеліс арқылы статикалық электр қуатын өндіретін алғашқы электр генераторын құрастырды. Генератор үлкен күкірт шардан жасалып, шыны шардың ішіне құйылған, білікке орнатылған. Шар дөңгелекке айналдырылып, шарға жастық сүртілгенде электр ұшқыны пайда болатын. Шарды алып тастап, электрмен тәжірибе жасау үшін пайдалануға болады. XVIII ғасырдың ортасында француз химигі Шарль Франсуа де Систерне дю Фей статикалық электрдің екі түрін ашты. Дю Фей электр қуаты екі сұйықтықтан тұрады деп хабарлады: "шыны тәрізді" (латынша "шыны" сөзінен), яғни оң электр қуаты; және "тұмсықты", яғни теріс электр қуаты. Бұл электрдің екі сұйықтықтан тұратын теориясы еді, ал ғасыр соңында Бенджамин Франклиннің бір сұйықтықтан тұратын теориясы оған қарсы шықты. 1785 жылы Шарль Августин де Кулон Англияда Джозеф Пристли айтқан электрлік итеркіш күш заңын зерттеуге тырысқанда электростатикалық тартылыс заңын дамытты. XVIII ғасырдың соңында итальяндық дәрігер және анатомист Луиджи Гальвани 1791 жылы "De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius" ("Бұлшықет қозғалысындағы Электр күші туралы эссе") атты еңбегінде химиялық реакциялар мен электр энергиясы арасында байланыс орнатып, электрохимияның тууына себепкер болды. Гальвани бұл эссесінде жануарлар тінінде бұрын ескерілмеген, маңызды, "жануарлық электр" деп аталатын, металл зондтар арқылы жүйке мен бұлшық еттерді қоздыратын табиғи күш бар деген қорытындыға келді. Ол бұл жаңа күш найзағай немесе электр бақасы мен торпедо сәулесі арқылы пайда болатын "табиғи" түрге, сондай-ақ үйкеліс арқылы пайда болатын "жасанды" түрге (яғни статикалық электрге) қосымша электрдің бір түрі деп сенді. Гальванидің ғылыми әріптестері оның көзқарасын көбінесе қабылдады, бірақ Алессандро Вольта "жануарлық электр сұйықтығы" идеясын қабылдамады, бақаның аяқтары металлдың сапасы, құрамы және мөлшеріне байланысты жауап береді деп жауап берді. 1810 жылдары Уильям Хайд Волластон гальваникалық элементті жақсартты. Сэр Хамфри Дэвидің электролиз жөніндегі жұмысы қарапайым электролиттік элементтерде электр энергиясын өндіру химиялық әрекеттен туындайды және химиялық қосылыстар қарама-қарсы зарядталған заттар арасында болады деген тұжырымға әкелді. Бұл жұмыс 1808 жылы металл натрий мен калийді олардың балқыған тұздарының электролизі арқылы, ал сілтілік жер металдарын олардан бөліп алуға тікелей себеп болды. Ханс Кристиан Эрстедтің 1820 жылы электр тогының магниттік әсерін ашқаны бірден маңызды жетістік ретінде танылды, бірақ ол электромагнетизм бойынша одан әрі жұмысты басқаларға қалдырды. Андре Мари Ампер Эрстедтің тәжірибесін жылдам қайталады және оны математикалық тұрғыда қалыптастырды. 1821 жылы эстондық неміс физигі Томас Иоганн Зебек екі әртүрлі металдың қосылған жерлері арасындағы электр потенциалын, егер қосылған жерлер арасында температура айырмашылығы болса, көрсетті. 1827 жылы неміс ғалымы Георг Ом өзінің заңын "Гальваникалық тізбек математикалық тұрғыда зерттелген" атты танымал кітабында жариялады, онда ол электр туралы толық теориясын берді. Сванте Аррениус 1884 жылы "Электролиттердің гальваникалық өткізгіштігі туралы зерттеулер" атты диссертациясын жариялады. Оның нәтижелерінен автор электролиттер суға еріген кезде әртүрлі дәрежеде бөлінетіні немесе электрлік қарама-қарсы оң және теріс иондарға ажыратылатыны қорытындылады. 1886 жылы Поль Эру және Чарльз М. Холл алюминийді балқытылған алюминийдің электролизі арқылы алудың тиімді әдісін (Холл-Эру процесі) әзірледі. 1894 жылы Фридрих Оствальд органикалық қышқылдардың өткізгіштігі мен электролиттік диссоциациясы туралы маңызды зерттеулер жүргізді. Вальтер Герман Нернст 1888 жылы вольт элементінің электр қозғалтқыш күші туралы теорияны жасады. 1889 жылы ол өндірілген кернеудің сипаттамаларын кернеуді өндіретін химиялық реакциядағы еркін энергияның өзгеруін есептеу үшін қалай пайдалануға болатынын көрсетті. Ол ұяшықтың кернеуін оның қасиеттерімен байланыстыратын Нернст теңдеуі деп аталатын теңдеуді құрастырды. 1898 жылы Фриц Хабер катодтағы потенциал тұрақты сақталса, электролиттік процестерден нақты тотығу өнімдері пайда болатынын көрсетті. 1898 жылы ол нитробензолдің катодтағы сатылап тотығуын түсіндірді және бұл басқа ұқсас тотығу процестері үшін үлгі болды.

20 ғасыр

1902 жылы Электрохимиялық қоғам (ЭХҚ) құрылды. 1909 жылы Роберт Эндрюс Милликан бір электронның электр зарядын анықтау үшін тәжірибелер сериясын бастады (май тамшысы тәжірибесі). 1911 жылы Харви Флетчер, Милликанмен бірге жұмыс істеп, Милликан қолданған, тез буланып кететін су тамшыларын май тамшыларымен алмастыру арқылы электрондағы зарядты өлшеуде сәттілікке жетті. Флетчер бір күн ішінде электрон зарядын бірнеше ондық таңбаға дейін өлшеді. 1923 жылы Иоганн Николаус Брёнстед пен Мартин Лоури электрохимиялық негізде қышқылдар мен сілтелердің қалай әрекет ететіні туралы бірдей теорияны жариялады. 1937 жылы Арне Тизелиус алғашқы күрделі электрофоретикалық аппаратты жасады. Кейіннен ол ақуыз электрофорезиясы саласындағы еңбегі үшін 1948 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды. Бір жыл өткен соң, 1949 жылы Халықаралық электрохимия қоғамы (ISE) құрылды. 1960-1970 жылдары кванттық электрохимияны Реваз Догонадзе және оның шәкірттері дамытты.

Окистену және қайтару

"Редокс" термині тотығу-тоғытуды білдіреді. Ол электрохимиялық процестерге қатысты, яғни молекулаға немесе ионға электрон беру немесе алу арқылы оның тотығу күйін өзгертуді қамтиды. Бұл реакция сыртқы кернеу қолдану арқылы немесе химиялық энергияның босауы арқылы жүзеге асуы мүмкін. Тотығу және тоғыту электрохимиялық реакцияға қатысатын атомдардың, иондардың немесе молекулалардың тотығу күйіндегі өзгерісті сипаттайды. Формальды түрде тотығу күйі – атомның әртүрлі элементтердің атомдарымен құратын барлық байланыстары 100% иондық болған жағдайда, атомның гипотетикалық заряды. Электронды басқа атомға немесе ионға беретін атомның немесе ионның тотығу күйі артады, ал теріс зарядталған электронды қабылдайтын атомның тотығу күйі төмендейді. Мысалы, натрий атомдары хлор атомдарымен әрекеттескенде, натрий бір электронды береді және +1 тотығу күйіне жетеді. Хлор электронды қабылдайды және оның тотығу күйі -1-ге дейін төмендейді. Тотығу күйінің таңбасы (оң/теріс) әрбір ионның электрондық зарядының мәніне сәйкес келеді. Натрий мен хлор иондарының әртүрлі зарядталуы олардың иондық байланыс құруының себебі болып табылады. Атомнан немесе молекуладан электрондарды жоғалту тотығу, ал электрондарды алу тоғыту деп аталады. Мұны есте сақтау үшін жадыға түсіру құралдарын қолдану оңай. Ең танымал екеуі – "OIL RIG" (Тотығу – шығын, тоғыту – пайда) және "LEO" (арыстан) "GER" дейді (Электрондарды жоғалту: Тотығу, электрондарды алу: Тоғыту). Тотығу және тоғыту әрқашан жұптасып жүреді, яғни бір түр тотыққанда екіншісі тоғытылады. Электрондар электронегативтілігі әртүрлі атомдар арасында бөлісетін (ковалентті байланыстар) жағдайларда, тотығу күйін анықтау үшін электрон ең үлкен электронегативтілігі бар атомға беріледі. Электрондарды жоғалтқан атом немесе молекула тотықтырғыш, ал электрондарды қабылдайтын зат тотықтырғыш агент немесе окислаушы деп аталады. Осылайша, тотықтырғыш агент реакция кезінде әрқашан тоғытылады, ал тотықтырғыш агент әрқашан тотығады. Оттегі – көп қолданылатын тотықтырғыш, бірақ жалғыз емес. Атауына қарамастан, тотығу реакциясына міндетті түрде оттегі қатысуы керек емес. Шын мәнінде, өрт оттегіден басқа тотықтырғышпен де тұтана алады; фтор оттары көбінесе сөндіруге келмейді, себебі фтор тіпті күшті тотықтырғыш (оның байланысы нашар және электронегативтілігі жоғары, сондықтан электрондарды одан да жақсы қабылдайды) оттегіден. Оттегі бар реакцияларда, оттегінің қосылуы оттегі қосылған атомның немесе молекуланың тотығуын білдіреді (ал оттегі тоғытылады). Бутан немесе этанол сияқты органикалық қосылыстарда, сутегінің жоғалуы одан жоғалған молекуланың тотығуын білдіреді (ал сутегі тоғытылады). Бұл сутек электронын металл емес элементтермен ковалентті байланыста береді, бірақ жоғалғанда электронын өзімен бірге алады. Керісінше, оттегінің жоғалуы немесе сутегінің қосылуы тоғытуды білдіреді.

Редокс реакцияларды тепе-теңдеу

Судағы электрохимиялық реакцияларды ион-электрондық әдіс арқылы талдау оңайырақ, онда H+, OH− ионы, H2O және электрондар (окисдану өзгерістерін толықтыру үшін) тотығу және тотығудан азату жартылай реакцияларына қосылады.

Батарея

Батареяның көптеген түрлері коммерцияланды және электрохимияның маңызды практикалық қолданысын білдіреді. Ертедегі ылғал жасушалар алғашқы телеграф және телефон жүйелерін қуаттандырды, сондай-ақ электроқаптау үшін ток көзі болды. Цинк-манганий диоксиді құрғақ элементі шамдар мен басқа да портативті құрылғыларды қолдануға мүмкіндік берген алғашқы тасымалданатын, төгілмейтін батарея түрі болды. Цинк пен сынап оксидін пайдаланатын сынап батареясы алғашқы электрондық құрылғылар үшін бастапқы құрғақ батареяға қарағанда жоғары қуат пен сыйымдылықты қамтамасыз етті, бірақ қолданыстан шығарылды, себебі пайдаланылған батареялардан болатын сынап ластану қаупі бар еді. Қорғасын-қышқыл аккумуляторы – сыртқы көзден қуатын толықтыруға болатын алғашқы практикалық екінші (қайта зарядталатын) аккумулятор. Электр тогын өндіретін электрохимиялық реакция (көрсетілген дәрежеде) кері қайтымды, соның арқасында қажет болған жағдайда электр және химиялық энергияны алмастыруға болады. Кәдімгі қорғасын-қышқыл аккумуляторлары күкірт қышқылы мен судың қоспасын, сондай-ақ қорғасын пластиналарын қамтиды. Бүгінде ең көп қолданылатын қоспа – 30% қышқыл. Бірақ бір мәселе бар: егер батарея зарядталмаса, қышқыл қорғасын пластиналарында кристалданып, оны қолданусыз етеді. Бұл батареялар күнделікті пайдалану кезінде орташа есеппен 3 жыл қызмет етеді, бірақ қорғасын-қышқыл аккумуляторы 7-10 жылдан кейін де жұмыс істеуі мүмкін. Қорғасын-қышқыл аккумуляторы автомобильдерде кеңінен қолданыла береді. Барлық алдыңғы типтерде суға негізделген электролиттер қолданылады, бұл жасушаның максималды кернеуін шектейді. Судың қатуы төмен температурадағы жұмыстың тиімділігін төмендетеді. Электролитте суды пайдаланбайтын (және пайдалана алмайтын) литий металл батареясы басқа түрлерге қарағанда жақсы жұмыс істейді; қайта зарядталатын литий-ион аккумуляторы көптеген мобильді құрылғылардың маңызды бөлігі болып табылады. Ағынды аккумулятор – экспериментальді тип, ол реакциялық заттар сыртқы резервуарлардан толықтырылуы мүмкін болғандықтан, энергия сыйымдылығын едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Отын элементі көмірсутек газдарында немесе сутегі мен оттегідегі химиялық энергияны кез келген жану процесінен гөрі тиімдірек электр энергиясына тікелей түрлендіре алады; мұндай құрылғылар көптеген ғарыш кемелерін қуаттандырды және қоғамдық электр жүйесі үшін желілік энергияны сақтауға қолданылуда.

Тотығу

Коррозия – электрохимиялық процесс, ол темір немесе мыс сияқты металдар мен олардың қорытпалары – болат және латуньде – тотығу немесе нашарлау түрінде көрінеді.

Қарапайым металдардың коррозиясы

Мыс және күміс сияқты металдар пайдалану кезінде бірте-бірте тозылады. Мыс бетінде су мен ауадағы көмірқышқыл газының әсерінен жасыл-көк түсті мыс карбонатының патинасы пайда болады. Жұмыртқа сияқты күкіртке бай тағамдарға немесе ауадағы күкірт қосылыстарының төмен деңгейіне ұшыраған күміс монеталар мен ас-су жинақтарында қара күкірттің қабаты түзіледі. Алтын мен платинаны қалыпты жағдайда тотықтыру өте қиын, сондықтан олар акварегия сияқты күшті химиялық тотықтырғыш заттарға ұшырауы керек. Кейбір металдар ауада өте жылдам тотығады. Титан мен алюминий ауадағы оттегімен жанасқанда дереу тотығады. Бұл металдардың бетінде өте жұқа тотықталған металл қабаты түзіледі, ол негізгі металлмен мықты байланысады. Бұл жұқа оксид қабаты металдың негізгі бөлігін ауадан қорғайды, металдың толық тотығуына жол бермейді. Коррозияға төзімділік маңызды жағдайларда осы металдар қолданылады. Темірдің керісінше, ауа мен суда тотығы пайда болады, ол "тоз" деп аталады, және ол темірмен байланыспайды, сондықтан темірдің тотығуын тоқтатпайды. Сондықтан, ауа мен суға ұшыраған темір тотығуын жалғастырады, металдың барлық бөлігі тотыққанша.

Тотығудың алдын алу

Металды анодтық болудан қорғауға жасалған тырастың екі негізгі түрі бар. Анодтық аймақтар металдың құрылымдық тұтастығын ерітіп, жояды. Анод/катод пайда болуын толығымен болдырмау мүмкін болмаса да, егер металл өткізбейтін материалмен жабылса, электролитпен байланыс болмайды және коррозия дамымайды.

Қаптама

Металдарды бояумен немесе басқа, нашар өткізгіш металдармен қаптауға болады (пассивтеу). Бұл металл бетінің электролиттермен тікелей жанасуын болдырмайды. Металл негізін ашатын сызаттар коррозияға алып келеді. Сызатқа жақын жатқан қаптама астындағы аймақ реакцияның аноды болып табылады.

Құрбандық анодтары

Құрылымдық металды қорғау үшін жиі қолданылатын әдіс – қорғалатын металдан көбірек анодтық металлді бекіту. Бұл құрылымдық металды катодтық болуға мәжбүр етеді, осылайша коррозиядан сақтайды. Ол "құрбандық" деп аталады, себебі анод еріп, оны мерзімді түрде ауыстыру қажет. Мырыш тақталары кеме корпусының болат бөліктеріне әртүрлі жерлерде бекітіліп, кеме корпусын катодтық жағдайға келтіреді. Мырыш тақталары мерзімді түрде ауыстырылады. Магний сияқты басқа металдар да жақсы жұмыс істейді, бірақ мырыш – ең арзан және пайдалы металл. Құбырларды қорғау үшін, жерге көмілген немесе сыртта қалған магний (немесе мырыш) қоймасы құбырдың жанына көміліп, жер үстіндегі құбырға электрлік байланыс жасалады. Бұл құбырды катодқа айналдырып, тотығу мен ұялудан қорғайды. Магний аноды құрбандыққа шалынады. Белгілі бір уақыт аралығында ерігендердің орнына жаңа қоймалар көміледі.

Электролиз

Кәдімгі батареяның спонтанды redox реакциялары электролиттегі катод пен анодтың әртүрлі тотығу-тотықсыздану потенциалы арқылы электр энергиясын тудырады. Дегенмен, электролиз химиялық реакцияны іске қосу үшін сыртқы электр энергиясының көзін қажет етеді, және бұл процесс электролиттік жасуша деп аталатын бөлімде жүзеге асырылады.

Сулы ерітінділердің электролизі

Сулы ерітіндідегі электролиз, судың электролизі сияқты ұқсас процесс болып табылады. Дегенмен, ерітіндідегі заттарды тотығу немесе қайта тотығу реакциялары арқылы талдау қажет болғандықтан, бұл күрделі процесс саналады.

Екінші заң

1857 жылы Фарадей металдардың ерітінділерден химиялық электроқындыру заңдарын жасады. Ол электролиздің екінші заңын тұжырымдады, онда "қалыпты химиялық әрекетте бір-бірімен эквивалентті денелердің мөлшері табиғи түрде бірдей электр мөлшерімен байланысты" делінген. Басқаша айтқанда, белгілі бір электр мөлшерімен қындырылған әртүрлі элементтердің мөлшері олардың химиялық эквиваленттік салмақтарының қатынасына пропорционал. Электролиздің екінші заңының маңызды бір бөлігі – металдарды коррозиядан қорғау үшін жабынмен қаптау сияқты, өнеркәсіпте кеңінен қолданылатын электрожалатқыш (электроплировка), ол электролиздің бірінші заңымен бірге маңызды қолданыстарға ие.

Қолданбалар

Табиғатта да, өнеркәсіпте де түрлі маңызды электрохимиялық процестер бар, мысалы, заттарды металдармен немесе металл оксидтерімен электроосаздау арқылы қаптау, заттың бетіне металдың жұқа қабаттарын жағу (электрожалату) немесе алып тастау (электрополировка) және мас жүргізушілерде этанолдың тотығу-тотықсыздану реакциясы арқылы алкогольді анықтау. Фотосинтез арқылы химиялық энергияны өндіру – электрохимиялық процесс, сондай-ақ алюминий және титан сияқты металдарды кендерінен өндіру де электрохимиялық процесс болып табылады. Кейбір диабеттік қан қантты өлшегіштер қандағы глюкоза мөлшерін оның тотығу-тотықсыздану потенциалы арқылы өлшейді. Орнықты электрохимиялық технологияларға (мысалы, терең разрядталуға арналған қорғасын қышқыл аккумуляторлары) қоса, отын жасушалары, үлкен форматты литий-ион аккумуляторлары, электрохимиялық реакторлар және суперконденсаторлар сияқты көптеген жаңа, дамып келе жатқан технологиялар бар, олар кеңінен коммерциялық қолданысқа еніп келеді. Электрохимиялық немесе кулонометриялық титрлеуді 1938 жылы венгр химиктері Ласло Сзебеледи мен Золтан Сомоги енгізген. Электрохимия тағам өнеркәсібінде де маңызды қолданысқа ие, мысалы, тағам мен қаптаманың өзара әрекеттесуін бағалау, сүттің құрамын талдау, балмұздақ қоспаларының қату температурасын анықтау және сипаттау, немесе зәйтүн майының еркін қышқылдығын анықтау.