История развития электрохимии реферат

Обновлено: 31.05.2024

Электрохи́мия — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока, исследуются процессы в проводниках, на электродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия исследует процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

Электрод (электрохимия)
Ион, подвижность ионов
Анод
Катод
Потенциал, Стандартный электродный потенциал
Электропроводность
Электролит
Электроосаждение, Гальванопластика, Гальваностегия
Электролиз
Электродиализ
Импеданс
Закон Фарадея, Число Фарадея
Плотность тока
Выход по току
Перенапряжение (электрохимия)
Плотность тока обмена, Предельная диффузионная плотность тока
Уравнение Тафеля
Рассеивающая способность (электролита)

Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.

Электролитическая диссоциация
Термодинамика растворов
Теория Дебая-Хюккеля
Диффузия
Миграция ионов
Электропроводность растворов
Расплавы
Твердые электролиты

Электрохимия гетерогенных систем

Электрохимическая термодинамика
Двойной электрический слой
Адсорбция
Электрохимическая кинетика

Химические источники тока (ХИТ)
Гальванотехника, Гальванопластика
Электрохимические производства
Технология печатных плат

Электролиз требует внешнего источника электрической энергии, который обеспечивает возникновение и поддержание принудительного потенциала и протекание электрохимических процессов на аноде и катоде, размещённых в электрохимической ячейке (например, в промышленном электролизёре).

Содержание

История

XVI—XVIII столетия

В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике создаёт первый электрический генератор, который вырабатывал статическое электричество благодаря трению. Генератор представлял собой стеклянный шар с рукояткой, покрытый толстым слоем серы. Шар раскручивался вручную и при трении о подушечки пальцев, образовывалась электрическая искра. Заряженный шар использовали в экспериментах по электричеству.

XIX столетие

В 1820 г. Г. Х. Эрстед открывает магнитный эффект электрического тока, что было эпохальным открытием. Андре-Мари Ампер (André-Marie Ampère) повторяет эксперимент Эрстеда и описывает его математически.

В 1821 г. немецко-эстонский физик Т. Зеебек демонстрирует появление термоэлектрического потенциала в точке соединения двух разнородных металлов, при наличии разницы температуры в этой точке.

В 1827 г. немецкий ученый Г. Ом (Ohm, Georg Simon) представляет свой закон в известной книге Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" (гальваническая цепь, математическая обработка) и полностью описывает свою теорию электричества.

В 1832 г. знаменитый английский физик Майкл Фарадей (Michael Faraday) открывает законы электролиза и вводит такие понятия как электрод, электролит, анод, катод, анион, катион.

В 1836 г. Д. Даниэль создаёт первичный источник тока. Даниель занимается проблемой поляризации. В 1839 г. английский физик Уильям Роберт Грове (Grove) создаёт первый топливный элемент. В 1866 г. француз Жорж Лекланше (Georges Leclanché) патентует новый элемент — угольно-цинковый гальванический элемент.

В 1886 г. Поль Луи Туссен (Paul Héroult) и Чарльз Холл (Charles M. Hall), одновременно и независимо, разрабатывают промышленный способ получения алюминия путём электролиза на основе законов Фарадея.

В 1894 г. Ф. Оствальд (Friedrich Ostwald) завершает важные исследования электропроводности и электродиссоциации органических кислот.

В 1888 г. В. Нернст развивает теорию электродвижущей силы первичного элемента, состоящего из двух электродов, разделённых раствором электролита. Он выводит уравнение, известное как Уравнение Нернста — уравнение зависимости электродвижущей силы и концентрации ионов.

XX столетие

Бурное развитие электрохимии. В 1902 г. — образование электрохимического общества — The Electrochemical Society (ECS). 1949 г. — Международного электрохимического общества — International Society of Electrochemistry (ISE). В 1959 г. чешский учёный Ярослав Гейеровский (Jaroslav Heyrovský) получает Нобелевскую премию за изобретение и развитие нового вида электрохимического анализа — полярографии.

Советская школа электрохимиков

Значение

Основные понятия

Электрод (электрохимия) , подвижность ионов , Стандартный электродный потенциал , Гальванопластика, Гальваностегия
Закон Фарадея, Число Фарадея
Перенапряжение (электрохимия)
Плотность тока обмена, Предельная диффузионная плотность тока
Рассеивающая способность (электролита)

Разделы электрохимии

Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.

Теоретическая электрохимия

Теория электролитов

Электрохимия гетерогенных систем

Электрохимическая термодинамика
Электрохимическая кинетика

Прикладная электрохимия

Электрохимические производства
Технология печатных плат

Электролиз

Электролиз требует внешнего источника электрической энергии, который обеспечивает возникновение и поддержание принудительного потенциала и протекание электрохимических процессов на аноде и катоде, размещённых в электролитической ячейке (например, в промышленном электролизёре).

Электролиз расплавленного хлорида натрия

Коррозия и защита от коррозии

Коррозия — термин, применяемый обычно в отношении процесса разрушения металлов ржавчиной, которое вызывается электрохимическими процессами.

Большинство людей знакомо с коррозией железа, в форме оранжево-коричневой или чёрно-бурой ржавчины. Ежегодно коррозия уничтожает приблизительно 10 % выплавляемых чёрных металлов. Другими примерами являются появление чёрных пятен на серебре или позеленение меди. Стоимость замены металлических объектов, выведенных из строя вследствие коррозии, составляет миллиарды долларов США в год.

Коррозия железа и чёрных металлов

Электрохимия неводных растворов

Исследования в водных растворах ограничены электрохимической устойчивостью воды, как растворителя. Электролиз расплавленных сред не всегда приемлем, так как простые и комплексные солевые системы, включая эвтектические расплавы, имеют слишком высокую температуру плавления. Неводные растворы в органических растворителях, в жидком диоксиде серы и т. п. позволяют осуществить многие процессы, слишком энергоёмкие или полностью невозможные в воде или расплавах.

Создание первого источника тока — вольтова столба — привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической.

Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с помощью тока, полученного в вольтовом столбе. Образование осадков металлов при электролизе растворов солей было обнаружено в опытах, проводимых В. Никольсоном и А. Карлейлем, В. Крюйкшенком (Англия), В. Грюнером, В. Бекманом (Германия), Ш.Б. Дезормом (Франция) и И. Ганом (Швеция).

В 1807 г. X. Дэви (Англия) выделил натрий и калий электролизом расплавов.

В России В.В. Петров в 1802 г. создал самую мощную тогда батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных гальванических элементов, и с ее помощью осуществил исследования по электролизу воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также органических соединений.

С 1844 г. метод Б.С. Якоби получает широкое применение для изготовления произведений искусства: статуй и барельефов для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора, Петропавловской крепости в г. Петербурге; медных копий фронтона Большого театра в Москве и др. В 1847 г. метод Б.С. Якоби получил в России второе практическое применение — электролитическое рафинирование меди. В 1867 г. Э.Г Федоровский предложил электрохимический метод получения бесшовных медных труб, в 1869 г. Е.И. Клейн — электролитический способ осаждения толстых слоев меди, нашедший применение при изготовлении государственных бумаг.

Широкое практическое использование электрохимическая технология получила после изобретения электромагнитных генераторов тока.

В настоящее время электролиз водных растворов и расплавов лежит в основе очень разветвленного направления техники — электрохимии, которая находится на стыке электротехники и химии.

К основным направлениям электрохимической технологии можно отнести:

электролитическое разложение воды;

получение хлора и щелочи;

электрохимический синтез соединений;

получение и рафинирование металлов;

анодное окисление и размерная обработка металлов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Глава первая. Зарождение идеи

Глава первая. Зарождение идеи История любой идеи- это почти всегда история многих вещей и событий. Идеи в своем становлении похожи на большие реки: их питают разные источники. Как берега реки близ устья наполнены водами ее многочисленных притоков, так и всякая идея в

Глава I. ЗАРОЖДЕНИЕ ВОЗДУШНОГО БОЯ (первая мировая война)

ГЛАВА 1 Зарождение идеи

ГЛАВА 1 Зарождение идеи 6,5-мм автомат Федорова образца 19X6 г.По мнению многих специалистов-оружейников, к началу XX века при достигнутом уровне развития технологии, машиностроения и металлургии основные образны стрелкового оружия пехоты — винтовки и карабины (т. е.

6.5. Передача технологии

8.3. Как происходит передача технологии?

8.3.1. Источники технологии

8.3.1. Источники технологии Выше уже отмечалось, что передача информации осуществляется посредством лицензирования или другой формы приобретения интеллектуальной собственности, принадлежащей университетам и защищенной существующей патентной системой[52].

Тема I. ЗАРОЖДЕНИЕ И ВЫЗРЕВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. ЕЕ СУЩНОСТЬ И ФУНКЦИИ

Тема I. ЗАРОЖДЕНИЕ И ВЫЗРЕВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. ЕЕ СУЩНОСТЬ И ФУНКЦИИ В истории становления и развития производительных сил общества на различных этапах проблема инженерной деятельности занимает особое место. Инженерное дело прошло довольно непростой,

11. Сетевые технологии

11. Сетевые технологии Эра информационных технологийСовременный мир, вне всякого сомнения, является миром информационных технологий, или, выражаясь более кратко, миром IT.С помощью систем видеонаблюдения мы обычно получаем визуальную информацию о событии,

2.9. Требования охраны труда при эксплуатации установок электрохимической защиты от коррозии и электрических измерений на газопроводах

2.9. Требования охраны труда при эксплуатации установок электрохимической защиты от коррозии и электрических измерений на газопроводах Вопрос 186. К каким электроустановкам по условиям электробезопасности относятся установки электрохимической защиты от коррозии и

2.8. ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.8. ЗАРОЖДЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами — электродвижущей силой (или напряжением) и током. Напомним, что понятие об электродвижущей силе ввел в обращение А. Вольта. После первых

2.11. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ, ЭЛЕКТРОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

2.11. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ, ЭЛЕКТРОПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Длительное время электрическая энергия не могла получить широкого практического применения вследствие отсутствия экономичных генераторов. Но это относится к так называемым

Диалог с заказчиком и зарождение идеи

Диалог с заказчиком и зарождение идеи Как вы поняли, проект обладает сложной структурой, которую непросто понять с первого раза. Это под силу лишь небольшому числу заказчиков. Разрозненность посвященной этой теме информации в сети Интернет в виде бесплатных советов

9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана

9. Кристаллизация металлов; зарождение кристаллов, критический зародыш; гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов; рост кристаллов. Кривые Таммана Кристаллизация – это процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической

Содержимое работы - 1 файл

Историческая справка.doc

Далее Фарадей обратил внимание, что величина бурого пятна, расплывающегося на пропитанной раствором йодистого калия фильтровальной бумаге вокруг прижатой к ней платиновой проволоки, одинакова, если пропускать одно и то же количество электричества от разных источников. В этот день он убедился, что величины пятна (то есть величина химического действия тока) прямо пропорциональны времени пропускания тока, иначе говоря, количеству электричества. Вот она, та закономерность, которую он искал. Но пока Фарадей записывает ее как результат опыта. По его мнению, сделанного еще недостаточно. Химическое действие тока может проявляться не в одном лишь изменении цвета индикаторной бумажки. Под воздействием тока происходит разложение воды, водных растворов, ток осаждает и растворяет металлы. Как же будет обстоять дело в этих случаях?

Более двух месяцев Фарадей не делает никаких опытов. Он размышляет. Наконец, 10 декабря Фарадей записывает закон электрохимического разложения, первый закон электролиза: ". Химическая сила. прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества".

После этого дня еще полтора года Фарадей посвящает электрохимии. Его мысли сосредоточиваются на выяснении суммарной закономерности при химическом действии, сопровождающем прохождение тока. Он начинает эксперименты с различными соединениями, чтобы проверить закон, который, как он теперь уверен, должен выполняться всегда и везде. Весной 1833г. Фарадей разрабатывает более десятка различных модификаций нового прибора, названного им вольтаметром. Такой прибор позволяет измерять количество выделяющегося при электрохимической реакции газа, а также потерю или увеличение массы электрода.

Фарадей погружает две платиновые проволочки в слегка подкисленную воду, соединяет их с полюсами батареи и пропускает через них электрический ток. На положительном электроде выделяется кислород, на отрицательном - водород. Как же собрать и измерить объемы этих газов? Фарадей помещает проволочки в опрокинутые и заполненные раствором трубки. Часть газа, выделяющаяся на проволочках вне трубок, не попадает в них. Это приводит к довольно большой ошибке при измерениях. Поэтому Фарадей делает еще один довольно простой и удачный вариант вольтаметра. Это стеклянная трубка, в которую впаян платиновый электрод. Весь выделившийся газ собирается в верхней части трубки. Трубка предварительно проградуирована, и поэтому количество образовавшегося газа можно сопоставить с количеством электричества. Фарадей опускает в чашку два таких вольтаметра и проводит электролиз воды, собирая в одной трубке кислород, а в другой - водород. Далее он устанавливает, что на аноде, то есть на положительном электроде, почти всегда выделяется кислород. А на катоде, отрицательном электроде, - водород, если раствором служит кислота или, скажем, азотнокислая соль натрия. Когда в раствор входят азотнокислые соли других металлов, например ртути, меди или серебра, то на аноде тоже образуется кислород, а на катоде - соответственно ртуть, медь либо серебро. Чтобы определить количество выделившихся на отрицательном электроде ртути, меди, серебра или другого металла, Фарадей создает другие вольтаметры. В сосуд помещался металлический электрод, который предварительно взвешивался, или маленькая чашечка, куда капала ртуть с металлического электрода и которую можно было потом взвесить. Так определялось количество ртути, меди, серебра или другого металла, выделявшегося на отрицательном электроде. В качестве анода брался тот же "газовый" вольтаметр. Он заполнялся раствором и погружался в сосуд.

Один из вольтаметров Фарадея

До конца сентября 1833 г. Фарадей работал с вольтаметрами. Он уже выполнил более трехсот опытов. Он изучил электрохимическое поведение и продукты разложения при электролизе 130 различных веществ. И все же необходимо выяснить, влияют ли размеры электрода на процесс электрохимического разложения.

Еще весной Фарадей последовательно соединил два вольтаметра с разными по площади электродами. Количество продуктов разложения в обоих сосудах оказалось одинаковым. "Напряжение не оказывает влияния на результаты, - записывает он, - если количество электричества остается одинаковым". В августе Фарадей поместил два платиновых электрода в одну трубку и начал электролиз. В трубке стала собираться смесь водорода и кислорода. После отключения тока объем газов вдруг начал уменьшаться и вскоре газы полностью исчезли. Так была открыта способность платины вызывать соединение кислорода и водорода при комнатной температуре.

10 и 17 января 1833г. Фарадей докладывает Королевскому обществу результаты своей работы по установлению тождества различных видов электричества. Спустя пять месяцев, 20 июня, он знакомит своих коллег с разложению. "Для одного и того же количества электричества, - говорит он, - сумма электрохимических действий есть также величина постоянная, то есть она всегда эквивалентна стандартному химическому действию, основанному на обычном химическом сродстве".

В середине 1833г. Фарадей почти не отвлекался на решение других проблем. Электричеству принадлежит будущее, часто говорил он, то, над чем я работаю, важнее всего. 19 сентября он записал результаты опыта (запись № 732) и окинул взглядом итоги последних экспериментов. Полностью, без всяких сомнений подтверждается ранее открытый закон: химическое действие электрического тока, то есть количество выделившихся веществ, прямо пропорционально силе тока и времени его прохождения, то есть количеству электричества. Этот первый закон электролиза потом был назван первым законом Фарадея.

Что же происходит при разложении химических веществ электрическим током? Последние месяцы Фарадей посвятил количественному изучению продуктов электролиза воды, различных кислот, растворов солеи и расплавов. Оказалось, что одно и то же количество электричества выделяет кислорода в 8 раз больше, чем водорода (по массе). Но такое соотношение равно соотношению химических эквивалентов водорода и кислорода. То же самое получалось и с другими соединениями и элементами. Весовой состав продуктов реакции Фарадей проверял в самых разных условиях - изменял концентрацию растворов, полярность, материал электродов. Результаты оставались неизменными: "химическое действие было вполне определенным".

Фарадей ставит еще одну серию опытов - он исследует химические реакции в гальваническом элементе и доказывает, что количество электричества, получаемое от вольтова столба, соответствует эквивалентному количеству растворившегося в нем самом цинка. Из этого Фарадей заключает, что "электричество, которое разлагает определенное количество вещества, равно тому, которое выделяется при разложении того же количества вещества".

23 сентября он, наконец, записывает: "Числа, соответствующие весовым количествам вещества, в которых они выделяются, надо назвать электрохимическими эквивалентами. " Он считает, что эти эквиваленты "совпадают с обычными химическими эквивалентами и тождественны им". Сейчас мы говорим - пропорциональны. Так, для ионов водорода, кислорода, хлора, олова, свинца, йода Фарадей устанавливает следующие величины электрохимических эквивалентов: 1, 8, 36, 58, 104, 125.

Фарадей в трудном положении: электростатическая единица заряда еще не установлена, и он не может назвать количество электричества, "соединенного с частицами или атомами материи". Поэтому за единицу электричества Фарадей вынужден принять "абсолютное количество электричества". Он понимает, что это довольно большая величина. После сотен опытов он делает расчеты и устанавливает, что в одном гране (66,4 миллилитра) воды "содержится" столько электричества, сколько нужно, чтобы 800 тысяч раз зарядить его лейденскую батарею из 15 банок 30 оборотами машины, и что это количество равносильно "весьма мощной вспышке молнии". Это было все, что в то время он мог сказать об "абсолютном количестве электричества".

Фарадей составляет таблицу электрохимических эквивалентов, называя ее "таблицей ионов", для 18 анионов и 36 катионов. Эти значения, считает он, "очень полезны для выяснения химического эквивалента или атомного веса вещества".

В январе 1834 г. он представляет Королевскому обществу свои работы по электролизу и делает о них доклады на трех заседаниях. Члены Общества удивлены работоспособностью и талантом своего коллеги. Ведь, кажется, совсем недавно (не прошло и двух с половиной лет) мир узнал об открытии индукционного тока и "получении электричества из магнетизма". И вот следующие открытия - законы электролиза!

Одна из выдающихся работ Якоби Б.С. - исследование процессов гальванотехники, о которых впервые он доложил на заседании Петербургской АН в 1838, а полное описание процессов опубликовал в 1840. Сконструировал несколько двигателей (первый - в 1834), работавших от гальванической батареи и 10 типов телеграфных аппаратов. Изучал процессы гальванотехники и её применения в военном деле.

В 1881 г. Сванте Август Аррениус (19 февраля 1859 г. – 2 октября 1927 г.) создал теорию электролитической диссоциации.

Аррениус исследовал прохождение электрического тока через многие типы растворов. Он выдвинул предположение, что молекулы некоторых веществ при растворении в жидкости диссоциируют, или распадаются, на две или более частиц, которые он назвал ионами. Несмотря на то, что каждая целая молекула электронейтральна, ее частицы несут небольшой электрический заряд – либо положительный, либо отрицательный, в зависимости от природы частицы. Например, молекулы хлорида натрия (соль) при растворении в воде распадаются на положительно заряженные атомы натрия и отрицательно заряженные атомы хлора. Эти заряженные атомы, активные составные части молекулы, образуются только в растворе и создают возможность для прохождения электрического тока. Электрический ток в свою очередь направляет активные составные части к противоположно заряженным электродам.

В 1881 г. Гельмгольц, изучая поляризацию, то есть сдвиг потенциала электрода под действием тока, предположил, что на границе электрод - раствор создастся двойной электрический слой (ДЭС) зарядов: один – на металле, другой в виде ионов - у поверхности электрода.

Гельгольмц, Герман Людвиг Фердинанд

(31 августа 1821 г. – 8 сентября 1894 г.)

В 1905г. Юлиус Тафель нашёл зависимость между плотностью тока, которая характеризует скорость реакции, и величиной перенапряжения, которая отражает трудность протекания реакции.

Советская школа электрохимиков

Александр Наумович Фрумкин ( 12 (24) октября 1895 , Кишинёв Бессарабской губернии — 27 мая 1976 , Тула ) — советский физикохимик, организатор науки, автор основополагающих работ в современной электрохимии ; основоположник электрохимической кинетики, один из основателей современного учения об электрохимических процессах, создатель советской электрохимической школы.

Основная область исследований А.Н. Фрумкина — поверхностные явления и теория электрохимических процессов. Доказал приложимость термодинамического уравнения Гиббса к реальным адсорбционным явлениям (1919) и вывел уравнение состояния адсорбированного слоя (изотерма Фрумкина, 1935), с использованием которого развил теорию влияния электрического поля на адсорбцию органических соединений. Разработал термодинамическую теорию поверхностных явлений на электродах, адсорбирующих атомы водорода и кислорода, и сформулировал одно из фундаментальных понятий электрохимии — понятие о заряде электрода. Развил представление о строении двойного электрического слоя на границе металл—раствор, установил фундаментальную связь между строением двойного электрического слоя и скоростью электрохимической реакции (теория замедленного разряда, 1932), на основе чего сложился новый раздел современной теоретической электрохимии — кинетика электродных процессов. В теории скоростей электрохимических процессов (1934) Фрумкиным было учтено влияние состава раствора и строения двойного слоя, а также введено представление о потенциалах нулевого заряда как о важнейшей характеристике металлических электродов (1919); ввёл понятие о нулевой точке как константе, характеризующей свойства металлов (1927). На этой основе получил решение проблемы Вольта о связи электродвижущей силы электрохимической цепи с контактной разностью потенциалов двух металлов, входящих в эту цепь. Показал, что основные закономерности кинетики гетерогенных процессов могут быть выведены из уравнения Брёнстеда, описывающего кинетику гомогенных реакций (1932).

Читайте также: