Электрохимия зародилась с опытов Л. Гальвани в конце XVIII в. и А. Вольта, сделавшего первый элемент из медной и цинковой пластин, погруженных в раствор поваренной соли еще в 1800 г. Работы М. Фарадея и С. Аррениуса были первыми попытками теоретического осмысления электрохимических явлений, познания их закономерностей. Открытые ими законы оставались основным теоретическим фундаментом для прикладных работ по электрохимии вплоть до 50-х гг. текущего столетия.

И все же практическая электрохимия, несмотря на относительный теоретический вакуум, уже в прошлом веке и в начале нынешнего имела значительные успехи. Химические источники тока —  батарейки Лекланше выпускались миллионами штук в год (ныне — миллиардами) и широко использовались во всем мире. Кстати, суммарная мощность химических источников тока, во все времена была сравнима с суммарной мощностью электростанций. Огромен выпуск химических аккумуляторов (в основном свинцово -кислотных). Их роль в бурном развитии автомобилестроения трудно переоценить. В практическом приложении электрохимия имеет две основные ветви: получение электроэнергии за счет химических реакций и проведение химических реакций под действием электрического тока.

Электрохимия как наука изучает физико-химические свойства ионных систем (растворов, расплавов, твердых электролитов) — ионику, а также явления, возникающие на границе двух фаз с участием ионов и электронов,— электродику, включая механизм электродных процессов и их кинетику. Особенность электрохимических процессов состоит в пространственном разделении окислительных и восстановительных электродных реакций. При этом на кинетику каждой стадии влияет уже не только температура и концентрация компонентов, но также и величина электродного потенциала, природа материала электрода, состояние его поверхности.

Электрический ток — сильный окислитель и восстановитель, и с его помощью могут быть осуществлены процессы с большей глубиной превращений, чем при использовании обычных химических окислителей или восстановителей.

Фронт научных исследований в электрохимии стал расширяться в последние десятилетия. Быстронарастает и практическое использование электрохимии. О ее значении в жизни человека может свидетельствовать, например, то, что ныне электрохимически в мире получают почти весь фтор, около 15 млн. тонн алюминия, медь, цинк, свинец, магний, многие органические соединения, 25 млн. тонн хлора и соответственное количество каустической соды.

Основы электрохимической кинетики заложили М. Фольмер, Т. Эрден-Груз и ученые школы А. Н. Фрумкина и Я. Гейворовского. Интенсивные исследования привели к углублению теории процессов на поверхности электрода, адсорбционных явлений и их роли в кинетике электрохимических реакций, выявлению сущности явлений пассивации металлов и коррозии, электрокристаллизации, механизмов явлений в расплавах, сущности электрокатализа.

Электрохимические реакции включают в себя химические стадии, которые предшествуют стадии переноса заряда через границу раздела и имеют иногда определяющее влияние. Роль химических стадий особенно заметна в процессе разряда и образования ионов металлов, а также в процессах коррозии. Установлено, что первой стадией электрохимической ионизации атомов металла является адсорбционно-химическое взаимодействие их с компонентами раствора, чаще всего с анионом электролита или молекулами растворителя. В зависимости от концентрации и реакционной способности образовавшихся поверхностных комплексов влияние химической стадии на электрохимический процесс в целом может быть как стимулирующим, так и ингибирующим.

Адсорбционно-химическое взаимодействие электрода с компонентами среды может оказывать огромное влияние на каталитические характеристики электродов, которые можно тонко регулировать, меняя их потенциал.

По-видимому, прогресс в развитии теоретической и прикладной электрохимии будет связан главным образом с более полным раскрытием роли химических стадий в электрохимических процессах. Особенно важны новые экспериментальные методы исследований, например метод меченых атомов и импульсный метод поляризации. С помощью этих методов был установлен стадийный механизм образования и разряда многовалентных катионов и установлены факты непосредственного участия компонентов раствора в электрохимических стадиях многих электродных процессов.

Новейшие теоретические достижения позволяют не только усовершенствовать традиционные электрохимические процессы, но и создавать новые процессы, в том числе с получением неизвестных ранее продуктов.

Вот несколько примеров. При электрохимическом методе получения стабильного нитроксильного радикала (описанного выше) в отличие от традиционного процесса выход продукта повысился в 2,5 раза и достиг 90%.

Электрохимическая ячейка представляет собой свинцовый анод и амальгамированный медный катод, разделенные ионообменной мембраной. На аноде:

2H₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e

На катоде:

Перспективен новый способ электрорафинирования расплавленных солей, пригодный для извлечения алюминия, меди, свинца, олова, серебра и золота из лома электронной аппаратуры. Процесс основан на использовании трехслойной ячейки. Эти три слоя, образующиеся при температуре 750—850 °С, включают анодный слой (отходы электронной промышленности), электролит (60% BaCl₂; 17% NaF, 23% AlF₃), а также катодный слой —очищенный алюминий.

В конце процесса анод представляет собой сплав из 62% меди, 11% цинка, 7% олова, 6% алюминия, 6% кремния, небольшого количества свинца, золота, серебра, никеля и железа. Анод - далее направляют на металлургическую обработку. В результате из лома выделяют 90% меди, 97% золота и 94% серебра.

Интересен и новый электрохимический способ очистки загрязненных сточных вод, особенно для прибрежных регионов, прилегающих к морям и океанам, соленым озерам. К сточным водам добавляют 30% морской воды и обрабатывают в электролизере с графитовым анодом и чугунным решетчатым катодом. В анодном пространстве выделяется высокоактивный хлор, а в катодном — гидроксид натрия и водород.

Процесс ведут «мягко», чтобы раствор не разлагался, а концентрация хлора в конечном продукте была ~5%, что достаточно для уничтожения патогенных микроорганизмов. При этом БПК (биологическая потребность в кислороде, характеризующая содержание в воде легкоокисляемых органических загрязнителей) снижается на 60%.

Образующийся одновременно гидроксид магния Mg(OH)2 реагирует с фосфатами, и продукты способствуют коагуляции нитратов, которые выносятся в виде хлопьев на поверхность с пузырьками водорода. При этом содержание фосфатов снижается на 90—95%, а азота — на 70%. Обезвреженные стоки кондиционны для сброса в море, а затраты энергии очень малы: 0,4 кВт-ч на 1 м³ исходных сточных вод.

Современная электрохимия стоит на пороге решения технических задач глобального характера. К ним относятся электрофотолиз воды с получением водорода, электрохимические способы аккумулирования электрической энергии в так называемый провальный период, новые электрохимические батареи, а также высокоэффективные аккумуляторы.

Ниже в таблице приведены характеристики некоторых разработанных теперь типов аккумуляторов электроэнергии, которые еще не получили по разным причинам широкого распространения, на фоне показателей железоникелевого аккумулятора, созданного еще Т. А. Эдисоном.

Для аккумуляторов с твердым электролитом необходимы высокие показатели проводимости электролитов, т. е. они должны принадлежать к суперионным проводникам. Подвижность ионов о твердом теле является следствием определенной организации структуры, при которой ионы одного вида оказываются разупорядоченными в пределах относительно жесткой упорядоченности других. Причем жесткость кристаллического каркаса, в котором как бы разлита ионная жидкость, благоприятствует ее текучести.

Практическое использование суперионных проводников пока находится в самой начальной стадии и ориентировано на электрохимические методы преобразования энергии. Например, в серно-натриевых аккумуляторах в качестве твердого электролита применяют мембраны на основе полиалюмината натрия (Na₂О*11Al₂O₃).

Существование твердых фаз (кристаллических и стеклообразных) с высокой ионной проводимостью было обнаружено около 100 лет назад. Однако предложенная тогда керамика из оксида циркония (IV) приобретала такие свойства при 800°С, которые не позволяли ее полезно использовать.

Настоящее рождение твердых электролитов произошло сравнительно недавно, когда были открыты соединения, имеющие при умеренных температурах нагрева очень высокую ионную проводимость, сопоставимую с проводимостью растворов и расплавов сильных электролитов.

Существуют фазы, находящиеся в суперионном состоянии при комнатной температуре (смешанный хлорид-иодид рубидия и меди Rb₄Cu₁₆Cl₁₃I₇). При умеренном нагреве (250—300 °С) суперионную проводимость приобретает, например, β-Al₂O₃ (бета-глинозем).

Высокотемпературные суперионики (800 - 1000 °С) — это фазы типа оксидов тория (IV) и циркония (IV), стабилизированных оксидами щелочноземельных и редкоземельных металлов.

В настоящее время известны десятки соединений, обладающих свойствами суперионной проводимости, в частности некоторые соли и комплексные соединения серебра (α-AgI, RbAgI₅ и др.) и оксиды (Na₃Se₂(PО₄)₃; NaMSi₄O₁₂; LiAlSiO₄ и др.). Это бинарные и многокомпонентные кристаллы, стекла и полимеры, стехиометрические, нестехиометрические соединения и твердые растворы. Известны фазы с ионной проводимостью, обусловленной подвижностью ионов водорода, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, меди, серебра, магния, кальция, стронция, бария, свинца, кислорода, фтора, хлора, брома и йода.

Твердые электролиты нужны и для низкочастотных конденсаторов, обладающих гигантскими удельными емкостями до 10 Ф/см³. Суперионные проводники используются также в электрохромных элементах дисплеев, применяющихся для визуального отображения электрических сигналов.

Что касается использования суперионных проводников в электрохимических батареях, то можно привести пример с Na—S-системой:

Эта батарея устроена, образно говоря, шиворот-навыворот: в ней электродами служат не твердые вещества, а расплавы Na и S, а вместо жидкого электролита используется твердый β-Al₂O₃, S обладающий ионной проводимостью. Недостатком батареи является то, что ее нормальная работа обеспечивается при 300°С.

Следует упомянуть также о перспективах протонных проводников. Твердые электролиты, проводящие ток в результате движения ионов водорода — протонов, можно было бы использовать : вместо труб для транспортировки водорода в виде ионов, что способствовало бы наступлению эры водородной энергетики. Протон — специфический носитель заряда. С одной стороны, протон подобно электрону элементарная частица, только с несравненно большей массой; с другой стороны, физико-химическое поведение протона роднит его с катионами щелочных металлов, которые, как известно, могут легко перемещаться в твердых телах. Между протонами может образовываться водородная связь. Протон трудно представить себе свободным, например в оксидном кристалле. Поэтому его движение осуществляется как перескок от одного ассоциата к другому (прыжковый механизм).

Когда твердые электролиты перестанут быть экзотикой, а новые батареи и аккумуляторы высокой удельной емкости станут явью повседневной жизни, то это будет фактором революционного значения для всех отраслей народного хозяйства и быта.

Полезная информация:

Для подготовки к ЕГЭ многие экзаменующиеся прибегают к услугам репетиторов, которые доказали свою эффективность. Но что делать, если на посещение репетитора нет времени? Решение существует - дистанционное обучение с репетитором. Дистанционные курсы помогут не только подготовиться к ЕГЭ и ГИА, но и сэкономить много времени отказавшись от поездок к репетиторам. Все что нужно для начала онлайн обучения – это Ваше желание, компьютер и доступ в Интернет.