химический каталог




Прогресс в теоретической и прикладной электрохимии

Автор неизвестен

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:

электрохимический метод получения стабильного нитроксильного радикала

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.

Характеристики аккумуляторов электроэнергии

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:

Схема Na—S-батареи

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.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
профессиональные тренажеры в рязани купить
промышленные столы
блок управления acw 236-1ro-1|1
http://www.prokatmedia.ru/ekran.html

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.11.2017)