Введение
Электрохимия — это раздел физической химии, изучающий взаимосвязь между разностью электрических потенциалов и наблюдаемыми химическими изменениями. Эти реакции включают перемещение электронов через электронно-проводящую среду (обычно внешнюю электрическую цепь, но не обязательно, как, например, при бесконтактном электроосаждении) между электродами, разделенными ионно-проводящим и электронно-изолирующим электролитом (или ионными частицами в растворе). Если химическая реакция протекает под действием разности электрических потенциалов, как в электролизе, или если разность потенциалов возникает в результате химической реакции, как в электрической батарее или топливном элементе, то она называется электрохимической реакцией. В отличие от других химических реакций, в электрохимических реакциях электроны не передаются напрямую между атомами, ионами или молекулами, а перемещаются по вышеупомянутой электронно-проводящей цепи. Именно это отличает электрохимическую реакцию от обычной химической реакции.
Electrochemistry is the branch of physical chemistry concerned with the relationship between electrical potential difference and identifiable chemical change. These reactions involve electrons moving via an electronically conducting phase (typically an external electrical circuit, but not necessarily, as in electroless plating) between electrodes separated by an ionically conducting and electronically insulating electrolyte (or ionic species in a solution). When a chemical reaction is driven by an electrical potential difference, as in electrolysis, or if a potential difference results from a chemical reaction as in an electric battery or fuel cell, it is called an electrochemical reaction. Unlike in other chemical reactions, in electrochemical reactions electrons are not transferred directly between atoms, ions, or molecules, but via the aforementioned electronically conducting circuit. This phenomenon is what distinguishes an electrochemical reaction from a conventional chemical reaction.
XVI-XVIII века
Понимание электрических явлений началось в шестнадцатом веке. В этом столетии английский ученый Уильям Гилберт посвятил 17 лет экспериментам с магнетизмом и, в меньшей степени, с электричеством. За свои работы по магнетизму Гилберт стал известен как "Отец магнетизма". Он открыл различные способы создания и усиления магнитов. В 1663 году немецкий физик Отто фон Геррике создал первый электростатический генератор, который производил статическое электричество посредством трения. Генератор состоял из большого серного шара, заключенного в стеклянный шар, установленного на валу. Шар вращался с помощью кривошипа, и электрическая искра возникала при трении подушечки о шар во время его вращения. Стеклянный шар можно было снимать и использовать в качестве источника для экспериментов с электричеством. К середине XVIII века французский химик Шарль Франсуа де Систерне дю Фей обнаружил два типа статического электричества и установил, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Дю Фей заявил, что электричество состоит из двух видов "жидкостей": "стеклянной" (от латинского слова "стекло"), или положительной, и "смоляной", или отрицательной. Это была двухжидкостная теория электричества, которой позже в этом столетии должна была противостоять одножидкостная теория Бенджамина Франклина. В 1785 году Шарль Огюстен де Кулон сформулировал закон электростатического притяжения, развивая свои исследования закона электрических отталкиваний, сформулированного Джозефом Пристли в Англии. В конце XVIII века итальянский врач и анатом Луиджи Гальвани ознаменовал рождение электрохимии, установив связь между химическими реакциями и электричеством в своем эссе "De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius" (лат. "Комментарий о влиянии электричества на мышечное движение") 1791 года, где он предположил существование "нервно-электрической субстанции" в живых организмах. В своем эссе Гальвани пришел к выводу, что в тканях животных содержится доселе игнорированная врожденная жизненная сила, которую он назвал "животным электричеством", активирующая нервы и мышцы при контакте с металлическими зондами. Он полагал, что эта новая сила является формой электричества, помимо "естественной" формы, производимой молнией, электрическими угрями и скатами, а также "искусственной" формы, производимой трением (т.е. статическим электричеством). Коллеги Гальвани в целом принимали его взгляды, но Алессандро Вольта отверг идею "животной электрической жидкости", возразив, что сокращение лягушачьих лапок обусловлено различиями в свойствах металлов, их составе и объеме. К 1810-м годам Уильям Хайд Волластон усовершенствовал гальванический элемент. Работы сэра Хамфри Дэви по электролизу привели к выводу, что образование электричества в простых электролитических ячейках является результатом химического действия и что происходит химическое соединение веществ с противоположными зарядами. Эта работа непосредственно привела к выделению металлического натрия и калия путем электролиза их расплавленных солей, а также щелочноземельных металлов из их расплавов в 1808 году. Открытие Гансом Кристианом Эрстедом магнитного действия электрического тока в 1820 году было сразу же признано эпохальным достижением, хотя дальнейшие исследования в области электромагнетизма он оставил другим. Андре-Мари Ампер быстро повторил эксперимент Эрстеда и сформулировал его математически. В 1821 году эстонский немецкий физик Томас Иоганн Зеебек продемонстрировал возникновение электрического потенциала в точках соединения двух разнородных металлов при разнице температур между ними. В 1827 году немецкий ученый Георг Ом изложил свой закон в своей знаменитой книге "Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" ("Гальваническая цепь, математически исследованная"), в которой представил свою полную теорию электричества. Сванте Аррениус опубликовал свою диссертацию в 1884 году на тему "Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes" (Исследования гальванической проводимости электролитов). Из полученных результатов автор заключил, что электролиты при растворении в воде в различной степени распадаются или диссоциируют на электрически противоположные положительные и отрицательные ионы. В 1886 году Поль Эру и Чарльз М. Холл разработали эффективный метод (процесс Холла-Эру) получения алюминия путем электролиза расплавленного глинозема. В 1894 году Фридрих Оствальд завершил важные исследования проводимости и электролитической диссоциации органических кислот. Вальтер Герман Нернст разработал теорию электродвижущей силы гальванического элемента в 1888 году. В 1889 году он показал, как характеристики производимого напряжения можно использовать для расчета изменения свободной энергии в химической реакции, производящей это напряжение, и сформулировал уравнение, известное как уравнение Нернста, связывающее напряжение элемента с его свойствами. В 1898 году Фриц Габер показал, что при поддержании постоянного потенциала на катоде в результате электролитических процессов могут образовываться определенные продукты восстановления. В 1898 году он объяснил ступенчатое восстановление нитробензола на катоде, что стало моделью для других подобных процессов восстановления.
20 век
В 1902 году было основано Электрохимическое общество (ЭКС). В 1909 году Роберт Эндрюс Милликан начал серию экспериментов (см. эксперимент с масляной каплей) для определения электрического заряда, переносимого одним электроном. В 1911 году Харви Флетчер, работая с Милликаном, успешно измерил заряд электрона, заменив использовавшиеся Милликаном капли воды, которые быстро испарялись, на масляные капли. В течение одного дня Флетчер измерил заряд электрона с точностью до нескольких десятичных знаков. В 1923 году Иоганнес Николаус Брёнстед и Мартин Лоури опубликовали практически идентичную теорию о поведении кислот и оснований, основанную на электрохимических принципах. В 1937 году Арне Тизелиус разработал первый усовершенствованный электрофоретический аппарат. Спустя несколько лет, в 1948 году, он был удостоен Нобелевской премии за свои работы в области электрофореза белков. Год спустя, в 1949 году, было основано Международное общество электрохимии (ISE). К 1960-м – 1970-м годам квантовая электрохимия была разработана Ревазом Догонадзе и его учениками.
Окисление и восстановление
Термин "редокс" означает "окислительно-восстановительные реакции". Он относится к электрохимическим процессам, включающим передачу электронов молекуле или иону или от них, изменяя его степень окисления. Эта реакция может происходить при приложении внешнего напряжения или при высвобождении химической энергии. Окисление и восстановление описывают изменение степени окисления, которое происходит в атомах, ионах или молекулах, участвующих в электрохимической реакции. Формально, степень окисления – это гипотетический заряд, который атом имел бы, если бы все связи с атомами других элементов были на 100% ионными. Атом или ион, отдающий электрон другому атому или иону, увеличивает свою степень окисления, а получатель отрицательно заряженного электрона уменьшает свою степень окисления. Например, при взаимодействии атомарного натрия с атомарным хлором натрий отдает один электрон и достигает степени окисления +1. Хлор принимает электрон, и его степень окисления понижается до −1. Знак степени окисления (положительный/отрицательный) фактически соответствует величине электронного заряда каждого иона. Притяжение разноименно заряженных ионов натрия и хлора является причиной образования ими ионной связи. Потеря электронов атомом или молекулой называется окислением, а приобретение электронов – восстановлением. Это легко запомнить с помощью мнемонических приемов. Два наиболее популярных – "OIL RIG" (Окисление – это потеря, восстановление – это приобретение) и "LEO" (лев) говорит "GER" (Потеря электронов: окисление, приобретение электронов: восстановление). Окисление и восстановление всегда происходят одновременно, так что один вид окисляется, когда другой восстанавливается. В случаях, когда электроны разделяются (ковалентные связи) между атомами с большой разницей в электроотрицательности, электрон присваивается атому с наибольшей электроотрицательностью при определении степени окисления. Атом или молекула, теряющая электроны, называется восстановителем, а вещество, принимающее электроны, – окислителем. Таким образом, окислитель всегда восстанавливается в реакции, а восстановитель – всегда окисляется. Кислород – распространенный окислитель, но не единственный. Несмотря на название, реакция окисления не обязательно должна включать кислород. Фактически, огонь может поддерживаться окислителем, отличным от кислорода; фторные пожары часто невозможно потушить, поскольку фтор является еще более сильным окислителем (он имеет более слабую связь и более высокую электроотрицательность и, следовательно, принимает электроны еще лучше, чем кислород). Для реакций с участием кислорода приобретение кислорода подразумевает окисление атома или молекулы, к которому добавляется кислород (а кислород восстанавливается). В органических соединениях, таких как бутан или этанол, потеря водорода подразумевает окисление молекулы, из которой он теряется (а водород восстанавливается). Это происходит потому, что водород отдает свой электрон в ковалентных связях с неметаллами, но забирает его с собой при потере. И наоборот, потеря кислорода или приобретение водорода подразумевает восстановление.
Балансирующие реакции окислительно-восстановительной реакции
Электрохимические реакции в воде лучше анализировать, используя ионно-электронный метод, при котором ионы H+, OH−, H2O и электроны (для компенсации изменений степеней окисления) добавляются к полуреакциям окисления и восстановления.
Батарея
Многие типы батарей были коммерциализированы и представляют собой важное практическое применение электрохимии. Ранние гальванические элементы питали первые телеграфные и телефонные системы и служили источником тока для электролиза. Сухой элемент на диоксиде марганца и цинке был первым портативным, неразливным типом батареи, сделавшим практичными фонарики и другие переносные устройства. Ртутная батарея, использующая цинк и оксид ртути, обеспечивала более высокую мощность и ёмкость, чем оригинальный сухой элемент, для ранних электронных устройств, но постепенно вышла из широкого употребления из-за опасности загрязнения ртутью от утилизированных элементов. Свинцово-кислотная батарея была первой практичной вторичной (перезаряжаемой) батареей, ёмкость которой можно было восстанавливать из внешнего источника. Электрохимическая реакция, производящая ток, была (в достаточной степени) обратимой, позволяя по мере необходимости преобразовывать электрическую и химическую энергию друг в друга. Обычные свинцово-кислотные батареи содержат смесь серной кислоты и воды, а также свинцовые пластины. Наиболее распространенная используемая сегодня смесь содержит 30% кислоты. Однако, одна из проблем заключается в том, что при длительном нахождении в разряженном состоянии кислота кристаллизуется внутри свинцовых пластин батареи, делая её непригодной к использованию. В среднем такие батареи служат 3 года при ежедневном использовании, но нередко свинцово-кислотные батареи остаются работоспособными и после 7–10 лет. Свинцово-кислотные элементы по-прежнему широко используются в автомобилях. Все вышеперечисленные типы используют электролиты на водной основе, что ограничивает максимальное напряжение на элемент. Замерзание воды снижает эффективность при низких температурах. Литий-металлическая батарея, которая не использует (и не может использовать) воду в электролите, обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с другими типами; перезаряжаемая литий-ионная батарея является неотъемлемой частью многих мобильных устройств. Проточная батарея, являющаяся экспериментальным типом, предлагает возможность значительно большей ёмкости, поскольку её реагенты могут пополняться из внешних резервуаров. Топливный элемент способен преобразовывать химическую энергию, заключенную в углеводородных газах или водороде и кислороде, непосредственно в электрическую энергию с гораздо более высокой эффективностью, чем любой процесс сгорания; такие устройства используются для питания многих космических аппаратов и применяются для хранения энергии в энергосистемах.
Коррозия
Коррозия — это электрохимический процесс, который проявляется в виде ржавчины или патины на металлах, таких как железо или медь, и их соответствующих сплавах — стали и латуни.
Коррозия обычных металлов
Металлы, используемые для чеканки монет, такие как медь и серебро, медленно подвергаются коррозии в процессе использования. При воздействии воды и углекислого газа, содержащихся в воздухе, на поверхности меди образуется патина – зеленовато-голубой карбонат меди. Серебряные монеты или столовые приборы, контактирующие с продуктами, богатыми серой, например, с яйцами, или с низким содержанием соединений серы в воздухе, покрываются слоем черного сульфида серебра. Золото и платину чрезвычайно сложно окислить в обычных условиях, для этого требуется воздействие сильного химического окислителя, такого как царская водка. Некоторые распространенные металлы окисляются в воздухе очень быстро. Титан и алюминий окисляются мгновенно при контакте с кислородом воздуха. Эти металлы образуют на поверхности чрезвычайно тонкий слой оксида металла, который прочно связывается с основным металлом. Этот тонкий оксидный слой защищает основную массу металла от воздействия воздуха, предотвращая его полное окисление. Поэтому эти металлы применяются в областях, где важна коррозионная стойкость. В отличие от них, железо образует оксид в воздухе и воде, называемый ржавчиной, который не связывается с железом и, следовательно, не препятствует дальнейшему окислению. Таким образом, железо, оставленное на воздухе и подверженное воздействию воды, будет продолжать ржаветь, пока все железо не окислится.
Предотвращение коррозии
Существует два основных типа попыток предотвратить переход металла в анодное состояние. Анодные области растворяются и разрушают структурную целостность металла. Хотя полностью предотвратить образование анодов и катодов практически невозможно, если металл покрыт непроводящим материалом, контакт с электролитом становится невозможным и коррозия не возникает.
Покрытие
Металлы могут быть покрыты краской или другими менее проводящими металлами (пассивация). Это предотвращает контакт поверхности металла с электролитами. Царапины, обнажающие основной металл, приведут к коррозии. Участок под покрытием, непосредственно прилегающий к царапине, действует как анод в этой реакции.
Аноды жертвенные
Метод, обычно используемый для защиты конструкционного металла, заключается в присоединении металла, который является более анодным, чем защищаемый металл. Это переводит конструкционный металл в катодное состояние, тем самым защищая его от коррозии. Этот метод называется "жертвенной защитой", поскольку анод растворяется и требует периодической замены. Цинковые стержни прикрепляются к различным участкам стальных корпусов судов для обеспечения катодной защиты корпуса. Цинковые стержни периодически заменяются. Другие металлы, такие как магний, также хорошо подходят для этой цели, но цинк является наиболее экономичным из полезных металлов. Для защиты трубопроводов слиток магния (или цинка), закопанный рядом с трубопроводом или находящийся на поверхности, электрически соединяется с трубой над землей. Это заставляет трубопровод выступать в роли катода, защищая его от окисления и ржавчины. Магниевый анод при этом разрушается. Периодически закапываются новые слитки для замены растворившихся.
Электролиз
Спонтанные окислительно-восстановительные реакции в обычной батарее вырабатывают электричество за счет разности потенциалов восстановления катода и анода в электролите. Однако для проведения электролиза требуется внешний источник электрической энергии для инициирования химической реакции, и этот процесс происходит в отсеке, называемом электролитической ячейкой.
Электролиз водных растворов
Электролиз в водном растворе – процесс, аналогичный электролизу воды. Однако он считается более сложным, поскольку компоненты раствора необходимо анализировать с точки зрения полуреакций окисления и восстановления.
Второй закон
Фарадей сформулировал законы химического электроосаждения металлов из растворов в 1857 году. Он сформулировал второй закон электролиза, гласящий: "вещества, эквивалентные друг другу по своим обычным химическим свойствам, связаны с одинаковым количеством электричества". Иными словами, количества различных элементов, осаждаемых при прохождении одного и того же количества электричества, находятся в отношении их химических эквивалентов. Важным применением второго закона электролиза является гальваническое покрытие, которое, наряду с первым законом электролиза, широко используется в промышленности, например, для защитного покрытия металлов от коррозии.
Приложения
Существуют различные важные электрохимические процессы как в природе, так и в промышленности, такие как нанесение покрытий на объекты металлами или оксидами металлов посредством электроосаждения, добавление (электроплакирование) или удаление (электрополирование) тонких слоев металла с поверхности объекта, а также определение содержания алкоголя у водителей в состоянии опьянения посредством окислительно-восстановительной реакции этанола. Выделение химической энергии посредством фотосинтеза по своей сути является электрохимическим процессом, как и производство металлов, таких как алюминий и титан, из их руд. Некоторые глюкометры для измерения уровня сахара в крови при диабете измеряют количество глюкозы в крови по ее окислительно-восстановительному потенциалу. Помимо устоявшихся электрохимических технологий (например, свинцово-кислотных аккумуляторов глубокого разряда) существует широкий спектр новых развивающихся технологий, таких как топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы большого формата, электрохимические реакторы и суперконденсаторы, которые все чаще становятся коммерчески доступными. Электрохимические или кулонометрические титрования были введены для количественного анализа ничтожных количеств в 1938 году венгерскими химиками Ласло Сзебелледи и Золтаном Сомодьи. Электрохимия также имеет важные применения в пищевой промышленности, например, для оценки взаимодействия пищевых продуктов и упаковки, анализа состава молока, характеристики и определения конечной точки замерзания смеси для мороженого или определения свободной кислотности в оливковом масле.