В начале XIX века учёные У.Николсон и А.Карлейль разложили воду на кислород и водород, чем вызвали большой всплеск интереса к влиянию электрического тока на химические реакции. Впоследствии такой процесс Фарадей назвал электролизом и охарактеризовал его как разложение соединения на элементы посредством электрического тока. Затем понятие было расширено: электролиз – это химическая реакция, протекающая в растворах или расплавах электролитов под действием постоянного электрического тока.
Фарадей провёл большую работу по изучению электролиза, ввёл основные понятия для описания этого явления и вывел два основных закона электролиза.
Чтобы понять термины электрохимии обратимся к истории исследования электролиза. Основой для открытия электролиза послужил Вольтов столб: Алессандро Вольта поместил в ёмкость с кислотой цинковую и медную пластинки и соединил их проволокой. В результате, цинковая пластина начала растворяться, а на медной пластинке выделялись пузырьки газа. Таким образом Вольта создал первый гальванический элемент - источник тока. Гальванический элемент состоял из размещённых друг на друге в форме столба полоски меди, сукна с кислотой и полоски цинка. Если последовательно насаживать на этот столб такие гальванические элементы, то напряжение будет увеличиваться. Таким образом, наверху столба был отрицательный заряд и внизу столба - положительный.
Слово электрод идёт от древнегреческого hodos, что означает "путь", отсюда электрод - путь электрона. Приставки кат- и ан- также пошли от древнегреческих слов вниз и наверх, catho - вниз (катастрофа, катакомба), соответственно, на столбе Вольта анод находится наверху - это цинк, катод находится внизу - медь. Аналогичным образом образованы слова анион и катион. Отрицательно заряженный анион движется в сторону положительного анода, а положительный катион в сторону отрицательно заряженного электрода - катода.
Законы Фарадея для электролиза
- Масса вещества осаждённого на электроде в процессе электролиза прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через данный электрод.
- Для заданного количества электричества масса осаждённого на электроде вещества прямо пропорциональна эквивалентной массе данного вещества.
Эквивалентная масса вещества была выведена ранее в реакциях кислот и оснований. Масса вещества, которая реагирует с одним молем водорода называется эквивалентной массой вещества. Затем, с применением электричества, эквивалентной массе присвоили количество вещества, которое освобождается или осаждается на электроде когда через данное вещество проходит 1 моль электронов.
Электрохимические источники тока
Электрохимический источник тока - это устройство, способное получить электрическую энергию из химических реакций. В таких реакциях нас будут интересовать процессы передачи электронов.
Электрохимические источники бывают двух видов: гальванический элемент и электрический аккумулятор. Электрический аккумулятор - это устройство, способное хранить электроны в некотором виде и в последствии их отдавать.
Гальванический элемент
В гальваническом элементе происходит спонтанная окислительно-восстановительная реакция. Принцип работы основан на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите. Гальванические элементы бывают трёх видов:
Первичный гальванический элемент
Первичные гальванические элементы работают за счёт преобразования энергии реагентов в электрическую энергию. Такие устройства работают до тех пор, пока не исчерпают все исходные вещества, и имеют ограниченный срок жизни. Самый привычный в нашей жизни пример первиного гальванического элемента - это обычная батарейка.
Вторичный гальванический элемент
Вторичный гальванический элемент - это устройство, в котором легко восстанавливаются начальные условия системы: электрическая энергия, приложенная к устройству преобразовывается в химическую и обратно. Вторичные гальванические элементы - это аккумуляторы, наиболее популярны свинцовый и никель-кадмиевые аккумуляторы.
Топливный элемент
Топливный элемент работает за счёт поступающего извне горючего и кислорода. В результате окислительно-восстановительной реакци сгорания топлива в кислороде, вырабатывается электрический ток.
Коррозия
Коррозия - это разрушение металлов из-за любого воздействия отличного от механического. В процессе коррозии происходит химическая реакция металла с окружающей средой которая влечёт ухудшение свойств металла и при этом металл из нормального состояния переходит в связанное состояние. Результат реакции - это, как правило, оксид, соль или другое соединение.
Химическая коррозия
Химическая коррозия протекает в результате прямого соприкосновения металла и агрессивной среды, в результате, на поверхности металла образуется слой нового соединения, который служит разделом между металлом и окружающей средой. Химическая коррозия протекает, как правило, при больших температурах, когда металл соприкосается с нагретым газом.
Коррозия железа и стали
Химическая коррозия железа и стали на воздухе происходит при обычных условиях (образование ржавчины за счет медленного окисления железа водой и кислородом воздуха). Образованное соединение не всегда препятствует дальнейшему окислению металла, поскольку оксиды железа рыхлые. Таким образом стали, в которых железо – основной компонент необходимо оцинковывать, хромировать или покрывать краской/лаком.
Электрохимическая коррозия
В результате соприкосновения металла с электролитом образуется гальванический элемент, в котором металл представляет собой анод, окисляющийся в процессе реакции. При этом, если металл будет выступать в роли катода, то реакция не произойдёт. Так, например, что бы защитить металл от коррозии, мы можем пропустить через него ток так, что при взаимодействии со средой, металл будет являться катодом.
