Введение
Электрохимия, раздел химии, претерпела ряд изменений в процессе своего развития – от ранних представлений, связанных с магнетизмом в начале XVI и XVII веков, до сложных теорий, включающих проводимость, электрический заряд и математические методы. Термин «электрохимия» использовался для описания электрических явлений в конце XIX и XX веков. В последние десятилетия электрохимия стала активно развивающейся областью исследований, охватывающей разработку аккумуляторов и топливных элементов, предотвращение коррозии металлов, применение электрохимических ячеек для удаления стойких органических соединений и подобных загрязнителей в сточных водах посредством электрокоагуляции, а также совершенствование методов получения химических веществ с использованием электролиза и электрофореза.
История и зарождение электрохимии
В XVI веке началось научное изучение электричества и магнетизма, которое завершилось созданием электрической энергии и промышленной революцией в конце XIX века. В 1550-х годах английский ученый Уильям Гильберт посвятил 17 лет экспериментам с магнетизмом и, в меньшей степени, с электричеством. За свои работы по магнетизму Гильберт получил известность как "Отец магнетизма". Его книга "De Magnete" быстро стала основным трудом по электрическим и магнитным явлениям во всей Европе и чётко разграничила магнетизм и то, что тогда называлось "янтарным эффектом" (статическим электричеством). В 1663 году немецкий физик Отто фон Геррике создал первый электростатический генератор, который производил статическое электричество посредством трения. Генератор состоял из большого серного шара внутри стеклянного глобуса, установленного на валу. Шар вращался с помощью рукоятки, и статическая электрическая искра возникала при трении подушечки о шар во время его вращения. Глобус можно было снимать и использовать в качестве источника электричества для проведения экспериментов. Фон Геррике использовал свой генератор, чтобы продемонстрировать, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.
18-й век и зарождение электрохимии
В 1709 году Фрэнсис Хоксби из Королевского общества в Лондоне обнаружил, что, поместив небольшое количество ртути в стекло генератора фон Геррике и откачав из него воздух, он будет светиться, когда шар накопит заряд и его рука коснется шара. Он создал первую лампу с газовым разрядом. Между 1729 и 1736 годами два английских ученых, Стивен Грей и Жан Дезагульер, провели серию экспериментов, которые показали, что пробка или другой предмет на расстоянии до 800 или 900 футов (245–275 м) может быть электризован, соединив его через заряженную стеклянную трубку с такими материалами, как металлические провода или конопляная веревка. Они обнаружили, что другие материалы, такие как шелк, не проводят этот эффект. К середине XVIII века французский химик Шарль Франсуа де Систерне Дю Фей обнаружил две формы статического электричества и то, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Дю Фей заявил, что электричество состоит из двух жидкостей: стеклянной (от латинского слова "стекло"), или положительной; и смолистой, или отрицательной. Это была "теория двух жидкостей" электричества, которой противостояла "теория одной жидкости" Бенджамина Франклина, выдвинутая позднее в этом веке. В 1745 году Жан Антуан Нолле разработал теорию электрического притяжения и отталкивания, предполагавшую существование непрерывного потока электрического вещества между заряженными телами. Теория Нолле первоначально получила широкое признание, но столкнулась с сопротивлением в 1752 году после перевода на французский язык "Экспериментов и наблюдений по электричеству" Франклина. Франклин и Нолле спорили о природе электричества: Франклин поддерживал действие на расстоянии и два качественно противоположных типа электричества, а Нолле – механическое действие и один тип электрической жидкости. Аргумент Франклина в конечном итоге победил, и теория Нолле была отвергнута. В 1748 году Нолле изобрел один из первых электрометров – электроскоп, который показывал электрический заряд посредством электростатического притяжения и отталкивания. Нолле считается первым, кто применил название "лейденская банка" к первому устройству для хранения электричества. Изобретение Нолле было заменено электрометром Гораса Бенедикта де Соссюра в 1766 году. К 1740-м годам Уильям Уотсон провел несколько экспериментов для определения скорости электричества. В то время общепринятым было мнение, что электричество быстрее звука, но не было разработано точного метода для измерения скорости тока. Уотсон, в полях к северу от Лондона, проложил линию проволоки, поддерживаемую сухими палками и шелком, протяженностью 12 276 футов (3,7 км). Даже на такой длине скорость электричества казалась мгновенной. Сопротивление в проволоке также было замечено, но, по-видимому, не полностью понято, поскольку Уотсон отметил, что "мы снова заметили, что, хотя электрические разряды были очень сильными для тех, кто держал провода, отчет о взрыве на главном проводнике был незначительным по сравнению с тем, что слышно при коротком замыкании". Уотсон в конечном итоге решил не продолжать свои электрические эксперименты, сосредоточившись на своей медицинской карьере. К 1750-м годам, с ростом популярности изучения электричества, искались эффективные способы его получения. Генератор, разработанный Джесси Рамсденом, был одним из первых изобретенных электростатических генераторов. Электричество, производимое такими генераторами, использовалось для лечения паралича, мышечных спазмов и контроля сердечного ритма. Другие медицинские применения электричества включали наполнение тела электричеством, получение искр с тела и применение искр от генератора к телу. Шарль Огюстен де Кулон разработал закон электростатического притяжения в 1781 году в результате попытки исследовать закон электрических отталкиваний, сформулированный Джозефом Пристли в Англии. С этой целью он изобрел чувствительный прибор для измерения электрических сил, связанных с законом Пристли. Он также установил закон обратных квадратов притяжения и отталкивания магнитных полюсов, который стал основой математической теории магнитных сил, разработанной Симеоном Денисом Пуассоном. Кулон написал семь важных работ по электричеству и магнетизму, которые он представил в Академию наук между 1785 и 1791 годами, в которых сообщил о разработке теории притяжения и отталкивания между заряженными телами и о поиске идеальных проводников и диэлектриков. Он предположил, что идеального диэлектрика не существует, утверждая, что каждое вещество имеет предел, выше которого оно будет проводить электричество. В его честь единица измерения заряда в системе СИ называется кулон. В 1789 году Франц Эпинус разработал устройство со свойствами "конденсатора" (ныне известного как конденсатор). Конденсатор Эпинуса был первым конденсатором, разработанным после лейденской банки, и использовался для демонстрации проводимости и индукции. Устройство было сконструировано таким образом, чтобы расстояние между двумя пластинами можно было регулировать, а стеклянный диэлектрик, разделяющий две пластины, можно было удалить или заменить другими материалами. Несмотря на накопление знаний об электрических свойствах и создание генераторов, лишь в конце XVIII века итальянский врач и анатом Луиджи Гальвани ознаменовал рождение электрохимии, установив связь между мышечными сокращениями и электричеством в своем эссе 1791 года "De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius" (Комментарий об эффекте электричества на мышечное движение), где он предложил "нервно-электрическое вещество" в живых организмах. В своем эссе Гальвани пришел к выводу, что животная ткань содержит ранее неизвестную внутреннюю, жизненную силу, которую он назвал "животным электричеством", которая активирует мышцы при помещении между двумя металлическими щупами. Он считал, что это свидетельство новой формы электричества, отличной от "естественной" формы, производимой молнией, и "искусственной" формы, производимой трением (статическим электричеством). Он считал мозг наиболее важным органом для выделения этой "электрической жидкости" и что нервы проводят эту жидкость к мышцам. Он полагал, что ткани действуют аналогично внешним и внутренним поверхностям лейденских банок. Поток этой электрической жидкости обеспечивает стимуляцию мышечных волокон. Научные коллеги Гальвани в целом принимали его взгляды, но Алессандро Вольта, выдающийся профессор физики в Университете Павии, не был убежден аналогией между мышцами и лейденскими банками. Считая, что лягушачьи лапки, используемые в экспериментах Гальвани, служат лишь электроскопом, он утверждал, что контакт различных металлов является истинным источником стимуляции. Он назвал электричество, производимое таким образом, "металлическим электричеством" и решил, что мышца, сокращаясь при прикосновении к металлу, напоминает действие электроскопа. Кроме того, Вольта утверждал, что если два различных металла, находящихся в контакте друг с другом, также касаются мышцы, то произойдет возбуждение, которое также усилится с увеличением различий между металлами. Гальвани опроверг это, получив мышечное сокращение, используя два куска одного и того же металла. В честь Вольты была названа единица измерения электрического потенциала – вольт.
Возникновение электрохимии как отрасли химии
В 1800 году английским химикам Уильяму Николсону и Иоганну Вильгельму Риттеру удалось разложить воду на водород и кислород посредством электролиза. Вскоре после этого Риттер открыл процесс гальванопластики. Он также заметил, что количество осаждаемого металла и количество кислорода, выделяющегося в процессе электролиза, зависят от расстояния между электродами. К 1801 году Риттер наблюдал термоэлектрические токи, предвосхитившие открытие термоэлектричества Томасом Иоганном Зеебеком. В 1802 году Уильям Крукшенк сконструировал первую электрическую батарею, пригодную для массового производства. Подобно Вольте, Крукшенк расположил квадратные медные пластины, которые он спаивал на концах вместе с цинковыми пластинами того же размера. Эти пластины помещались в длинный прямоугольный деревянный ящик, запечатанный цементом. Внутри ящика были прорези, удерживающие металлические пластины на месте. Затем ящик заполняли электролитом – рассолом или разбавленной кислотой. Эта конструкция, погруженная в жидкость, имела преимущество в том, что не высыхала при использовании и обеспечивала больше энергии, чем вольтовский элемент, в котором между пластинами использовались пропитанные рассолом бумажные прокладки. В стремлении к более эффективному получению платиновых металлов, два ученых, Уильям Хайд Волластон и Смитсон Теннант, совместно разработали эффективный электрохимический метод очистки или рафинирования платины. Теннанту удалось открыть элементы иридий и осмий. Работа Волластона, в свою очередь, привела его к открытию металлов палладия в 1803 году и родия в 1804 году. В 1810-х годах Волластон усовершенствовал гальваническую батарею (названную в честь Гальвани). В батарее Волластона деревянный ящик был заменен глиняным сосудом, а медная пластина была согнута в U-образную форму, в центр которой помещалась одна пластина цинка. Контакт цинковой пластины с медью предотвращался пробковыми или деревянными вставками. В его конструкции с одной ячейкой U-образная медная пластина была приварена к горизонтальной ручке для извлечения медной и цинковой пластин из электролита, когда батарея не использовалась. В 1809 году Сэмюэль Томас фон Зёммеринг разработал первый телеграф. Он использовал устройство с 26 проводами (по одному проводу на каждую букву немецкого алфавита), оканчивающимися в сосуде с кислотой. На станции отправления ключ, замыкающий цепь с батареей, подключался по мере необходимости к каждому из проводов линии. Прохождение тока вызывало химическое разложение кислоты, а сообщение считывалось путем наблюдения за тем, на каком из электродов появлялись пузырьки газа. Так он мог отправлять сообщения, по одной букве за раз. Работа Хамфри Дэви с электролизом привела его к выводу, что производство электричества в простых электролитических ячейках является результатом химических реакций между электролитом и металлами и происходит между веществами с противоположными зарядами. Он полагал, что взаимодействие электрических токов с химическими веществами является наиболее вероятным способом разложения всех веществ на их основные элементы. Эти взгляды были изложены в его лекции 1806 года «О некоторых химических агентах электричества», за которую он получил премию Наполеона от Института Франции в 1807 году (несмотря на то, что Англия и Франция в то время были в состоянии войны). Эта работа непосредственно привела к выделению натрия и калия из их соединений и щелочноземельных металлов из их соединений в 1808 году. Открытие Гансом Кристианом Эрстедом магнитного действия электрических токов в 1820 году было сразу же признано важным достижением, хотя дальнейшие исследования в области электромагнетизма он оставил другим. Андре Мари Ампер быстро повторил эксперимент Эрстеда и сформулировал его математически (что стало законом Ампера). Эрстед также обнаружил, что не только магнитная стрелка отклоняется электрическим током, но и провод с током отклоняется в магнитном поле, тем самым заложив основу для создания электродвигателя. Открытие Эрстедом пиперина, одного из жгучих компонентов перца, было важным вкладом в химию, как и его получение алюминия в 1825 году. В 1820-х годах Роберт Хэр разработал Deflagrator – тип вольтовой батареи с большими пластинами, используемый для быстрого и мощного сгорания. Модифицированная форма этого аппарата была использована в 1823 году для испарения и плавления углерода. Именно с помощью этих батарей в 1831 году впервые было применено вольтовое электричество для подводных взрывных работ. В 1821 году эстонский немецкий физик Томас Иоганн Зеебек продемонстрировал электрический потенциал в точках соединения двух разнородных металлов при разнице температур между соединениями. Он соединил медный и висмутовый проводники в замкнутый контур. Два соединения образовались путем соединения концов проводов друг с другом. Затем он случайно обнаружил, что если нагреть одно соединение до высокой температуры, а другое оставить при комнатной температуре, вокруг контура наблюдается магнитное поле. Он не понял, что при нагревании биметаллического соединения генерируется электрический ток. Он использовал термин «термомагнитные токи» или «термомагнетизм» для описания своего открытия. В течение следующих двух лет он сообщал о своих дальнейших наблюдениях в Прусской академии наук, где описывал свое наблюдение как «магнитную поляризацию металлов и руд, вызванную разностью температур». Этот эффект Зеебека лег в основу термопары, которая и сегодня считается наиболее точным методом измерения температуры. Обратный эффект Пельтье был обнаружен более чем через десятилетие, когда ток пропускался через цепь с двумя разнородными металлами, что приводило к разнице температур между металлами. 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. В 1829 году Антуан Сезар Беккерель разработал «гальванический элемент постоянного тока», предшественник хорошо известного элемента Даниэля. При мониторинге этого кислотно-щелочного элемента с помощью гальванометра было обнаружено, что ток остается постоянным в течение часа, что стало первым примером «постоянного тока». Он применил результаты своего исследования термоэлектричества к созданию электрического термометра и измерил температуру внутри животных, почвы на разных глубинах и атмосферы на разных высотах. Он помог подтвердить законы Фарадея и провел обширные исследования гальванопластики металлов с применением в металлообработке и металлургии. Технология солнечных элементов восходит к 1839 году, когда Беккерель обнаружил, что освещение электрода, погруженного в проводящий раствор, создает электрический ток. Майкл Фарадей начал в 1832 году, казалось бы, утомительную попытку доказать, что все электричества имеют точно такие же свойства и вызывают точно такие же эффекты. Ключевым эффектом было электрохимическое разложение. Вольтовое и электромагнитное электричество не представляли проблем, но статическое электричество – да. По мере того как Фарадей углублялся в проблему, он сделал два поразительных открытия. Во-первых, электрическая сила не действует на расстоянии на молекулы, чтобы заставить их диссоциировать, как долго считалось. Именно прохождение электричества через проводящую жидкую среду заставляет молекулы диссоциировать, даже когда электричество просто разряжается в воздух и не проходит через «полюс» или «центр действия» в вольтовой ячейке. Во-вторых, было обнаружено, что количество разложения напрямую связано с количеством электричества, проходящего через раствор. Эти открытия привели Фарадея к новой теории электрохимии. Электрическая сила, по его мнению, переводит молекулы раствора в состояние напряжения. Когда сила достаточно велика, чтобы исказить силы, удерживающие молекулы вместе, и позволить взаимодействовать с соседними частицами…
The amount of a substance deposited on each electrode of an electrolytic cell is directly proportional to the amount of electricity passing through the cell. The quantities of different elements deposited by a given amount of electricity are in the ratio of their chemical equivalent weights. William Sturgeon built an electric motor in 1832 and invented the commutator, a ring of metal bristled brushes which allow the spinning armature to maintain contact with the electric current and changed the alternating current to a pulsating direct current. He also improved the voltaic battery and worked on the theory of thermoelectricity. Hippolyte Pixii, a French instrument maker, constructed the first dynamo in 1832 and later built a direct current dynamo using the commutator. This was the first practical mechanical generator of electric current that used concepts demonstrated by Faraday. John Daniell began experiments in 1835 in an attempt to improve the voltaic battery with its problems of being unsteady and a weak source of electric current. His experiments soon led to remarkable results. In 1836, he invented a primary cell in which hydrogen was eliminated in the generation of the electricity. Daniell had solved the problem of polarization. In his laboratory he had learned to alloy the amalgamated zinc of Sturgeon with mercury. His version was the first of the two fluid class battery and the first battery that produced a constant reliable source of electric current over a long period of time. William Grove produced the first fuel cell in 1839. He based his experiment on the fact that sending an electric current through water splits the water into its component parts of hydrogen and oxygen. So, Grove tried reversing the reaction—combining hydrogen and oxygen to produce electricity and water. Eventually the term fuel cell was coined in 1889 by Ludwig Mond and Charles Langer, who attempted to build the first practical device using air and industrial coal gas. He also introduced a powerful battery at the annual meeting of the British Association for the Advancement of Science in 1839. Grove's first cell consisted of zinc in diluted sulfuric acid and platinum in concentrated nitric acid, separated by a porous pot. The cell was able to generate about 12 amperes of current at about 1.8 volts. This cell had nearly double the voltage of the first Daniell cell. Grove's nitric acid cell was the favourite battery of the early American telegraph (1840–1860), because it offered strong current output. As telegraphs became more complex, the need for a constant voltage became critical and the Grove device was limited (as the cell discharged, nitric acid was depleted and voltage was reduced). By the time of the American Civil War, Grove's battery had been replaced by the Daniell battery. In 1841 Robert Bunsen replaced the expensive platinum electrode used in Grove's battery with a carbon electrode. This led to large scale use of the "Bunsen battery" in the production of arc lighting and in electroplating. Wilhelm Weber developed, in 1846, the electrodynamometer, in which a current causes a coil suspended within another coil to turn when a current is passed through both. In 1852, Weber defined the absolute unit of electrical resistance (which was named the ohm after Georg Ohm). Weber's name is now used as a unit name to describe magnetic flux, the weber. German physicist Johann Hittorf concluded that ion movement caused electric current. In 1853 Hittorf noticed that some ions traveled more rapidly than others. This observation led to the concept of transport number, the rate at which particular ions carried the electric current. Hittorf measured the changes in the concentration of electrolysed solutions, computed from these the transport numbers (relative carrying capacities) of many ions, and, in 1869, published his findings governing the migration of ions. In 1866, Georges Leclanché patented a new battery system, which was immediately successful. Leclanché's original cell was assembled in a porous pot. The positive electrode (the cathode) consisted of crushed manganese dioxide with a little carbon mixed in. The negative pole (anode) was a zinc rod. The cathode was packed into the pot, and a carbon rod was inserted to act as a current collector. The anode and the pot were then immersed in an ammonium chloride solution. The liquid acted as the electrolyte, readily seeping through the porous pot and making contact with the cathode material. Leclanché's "wet" cell became the forerunner to the world's first widely used battery, the zinc carbon cell.
Прогресс конца XIX века и появление электрохимических обществ
В 1869 году Зеноб Грамм сконструировал свое первое динамо постоянного тока. Его генератор имел кольцевую арматуру, обмотанную множеством отдельных катушек проволоки. Сванте Август Аррениус опубликовал свою диссертацию в 1884 году под названием «Исследования по гальванической проводимости электролитов». Исходя из результатов своих экспериментов, автор пришел к выводу, что электролиты, растворяясь в воде, в различной степени расщепляются или диссоциируют на положительные и отрицательные ионы. Степень диссоциации зависела прежде всего от природы вещества и его концентрации в растворе, увеличиваясь с разбавлением. Предполагалось, что ионы являются носителями не только электрического тока, как в электролизе, но и химической активности. Отношение между фактическим числом ионов и их числом при бесконечном разбавлении (когда все молекулы диссоциированы) давало величину особого интереса – «константу активности». В гонке за коммерчески выгодным производством алюминия в 1886 году победили Поль Эру и Чарльз М. Холл. Проблема, с которой сталкивались многие исследователи при извлечении алюминия, заключалась в том, что электролиз алюминиевой соли, растворенной в воде, давал гидроксид алюминия. И Холл, и Эру решили эту проблему, растворив оксид алюминия в новом растворителе – расплавленном криолите (Na3AlF6). Вильгельм Оствальд, лауреат Нобелевской премии 1909 года, начал свои экспериментальные работы в 1875 году с исследования закона массового действия воды в связи с проблемами химического сродства, с особым акцентом на электрохимию и химическую динамику. В 1894 году он дал первое современное определение катализатора и обратил свое внимание на каталитические реакции. Оствальд особенно известен своим вкладом в область электрохимии, включая важные исследования электрической проводимости и электролитической диссоциации органических кислот. Герман Нернст разработал теорию электродвижущей силы вольтовой ячейки в 1888 году. Он разработал методы измерения диэлектрических констант и первым показал, что растворители с высокими диэлектрическими константами способствуют ионизации веществ. Ранние исследования Нернста в области электрохимии были вдохновлены теорией диссоциации Аррениуса, которая впервые признала важность ионов в растворе. В 1889 году Нернст уточнил теорию гальванических элементов, предположив существование «электролитического давления растворения», которое выталкивает ионы из электродов в раствор и противодействует осмотическому давлению растворенных ионов. Он применил принципы термодинамики к химическим реакциям, протекающим в батарее. В том же году он показал, как характеристики генерируемого тока можно использовать для расчета изменения свободной энергии в химической реакции, производящей ток. Он вывел уравнение, известное как уравнение Нернста, которое описывает зависимость напряжения аккумуляторной ячейки от ее свойств. В 1898 году Фриц Габер опубликовал свой учебник «Электрохимия: Основы технической электрохимии на теоретической основе», который был основан на лекциях, прочитанных им в Карлсруэ. В предисловии к своей книге он выразил намерение связать химические исследования с промышленными процессами, а в том же году опубликовал результаты своей работы по электролитическому окислению и восстановлению, в которой показал, что при поддержании постоянного напряжения на катоде могут образовываться определенные продукты восстановления. В 1898 году он объяснил ступенчатое восстановление нитробензола на катоде, что стало моделью для других подобных процессов восстановления. В 1909 году Роберт Эндрюс Милликан начал серию экспериментов для определения электрического заряда, переносимого одним электроном. Он начал с измерения траектории заряженных капель воды в электрическом поле. Результаты показали, что заряд капель кратен элементарному электрическому заряду, но эксперимент был недостаточно точным, чтобы быть убедительным. Он получил более точные результаты в 1910 году с помощью своего знаменитого масляного эксперимента, в котором он заменил воду (которая имела тенденцию слишком быстро испаряться) маслом. Ярослав Гейровский, лауреат Нобелевской премии, устранил утомительное взвешивание, необходимое в предыдущих аналитических методах, основанных на дифференциальном осаждении ртути, путем измерения времени падения капель. В предыдущем методе напряжение подавалось на падающий ртутный электрод, а опорный электрод погружался в исследуемый раствор. После сбора 50 капель ртути их высушивали и взвешивали. Напряжение изменяли и эксперимент повторяли. Полученные значения веса наносились на график в зависимости от приложенного напряжения для получения кривой. В 1921 году Гейровский предложил измерять ток, протекающий через ячейку, вместо измерения времени падения капель. 10 февраля 1922 года родился «полярограф», когда Гейровский записал вольт-амперную кривую для раствора NaOH с концентрацией 1 моль/л. Гейровский правильно интерпретировал увеличение тока между −1,9 и −2,0 В как результат осаждения ионов Na+, образующих амальгаму. Вскоре после этого, совместно со своим японским коллегой Мадзудзо Сикатой, он сконструировал первый прибор для автоматической записи полярографических кривых, который впоследствии получил всемирную известность как полярограф. В 1923 году Йоханнес Николаус Брёнстед и Томас Мартин Лоури независимо друг от друга опубликовали практически одинаковую теорию о поведении кислот и оснований, основанную на электрохимических принципах. Международное общество электрохимии (ISE) было основано в 1949 году, а несколько лет спустя, в 1937 году, Арне Тиселиус разработал первый сложный электрофоретический аппарат и был удостоен Нобелевской премии 1948 года за свои работы в области электрофореза белков. Он разработал «движущуюся границу», которая впоследствии стала известна как зональный электрофорез, и использовал ее для разделения белков сыворотки в растворе. Электрофорез получил широкое развитие в 1940-х и 1950-х годах, когда эта техника стала применяться к молекулам, варьирующимся от самых крупных белков до аминокислот и даже неорганических ионов. В 1960-х и 1970-х годах Реваз Догоднадзе и его ученики разработали квантовую электрохимию.