Електрохімія

Визначення і загальна характеристика

ЕЛЕКТРОХІ́МІЯ (від електро… і хімія) — наука, що ви­вчає хімічні процеси, повʼязані з проходже­н­ням або виникне­н­ням електричного струму і потенціалу, та явища на заряджених між­фазних межах. Обʼєкти Е.: конденсовані іонні системи; заряджені між­фазні межі; процеси на електродах — провід­никах, напів­провід­никах або ді­електриках (зокрема на межі з вакуумом чи з газами) — і в електролітах (іон­них провід­никах). Таким чином, Е. охоплює всі форми взаємодії між рухливими зарядженими частинками в конденсов. фазах і на межі роз­поділу фаз у статиці та динаміці. Нині від­бувається різке роз­шире­н­ня кола електрохім. процесів і нових електрод. матеріалів, тому електрохім. дослідж. все більше почали акумулювати в собі найрізноманітніші напрями наук — як традиц. фіз. та біол., так і у галузі матеріало­знавства, хімії твердого тіла тощо. Остан. часом на стику наук зʼявилися роз­діли Е. — біо­електрохімія, фото­електрохімія, нано­електрохімія, Е. поверх­ні, екол. Е. Традиційно Е. роз­діляють на теор. та прикладну. Теор. Е. ви­вчає заг. закономірності електрохім. реакцій і електролітів у статич. стані та динаміці. Вона є наук. базою приклад. Е. та забезпечує рац. під­хід до виріше­н­ня про­блем електрохім. технології. Прикладна Е. роз­глядає можливості за­стосува­н­ня електрохім. реакцій для здійсне­н­ня технол. процесів і створе­н­ня електрохім. при­строїв. Електрохім. процеси є основою багатотон­наж. хім. металург. виробництва різних речовин. Сучасні електрохім. джерела струму різного при­значе­н­ня (первин­ні елементи й акумулятори) широко використовують у низці галузей техніки й нар. спожива­н­ня, їх виготовляють у пром. мас­штабах мільярд. партіями. Не менш широкого роз­по­всюдже­н­ня набули й ін. різноманітні електрохім. процеси та при­строї. З електрохім. явищами також повʼязані процеси корозії металів, що наносять величезні збитки нар. госп-ву.

Зародже­н­ня Е. як науки за­звичай повʼязують із від­кри­т­тям італ. анатома, фізіолога та фізика Л. Ґальвані, опублікованим 1791 («De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius» / «Трактат про сили електрики при мʼязовому русі»). Ін. італ. вчений, фізико-хімік А. Вольта 1800 сконструював перше хім. джерело струму, яке складалося зі сріб. і оловʼяних електродів, роз­ділених пористими прокладками, змоченими роз­чином солі. Саме від­тоді над­звичайні властивості електрохім. ланцюгів стали предметом ви­вче­н­ня нової науки — Е. Найвагоміші етапи роз­витку Е.: від­кри­т­тя 1832 англ. фізиком М. Фарадеєм законів електролізу; створе­н­ня 1879 нім. фізиком Г. Гельмгольцом першої теорії по­двій. електрич. шару на межі метал–­електроліт; створе­н­ня 1889 нім. фізико-хіміком В. Нернстом теорії виникне­н­ня напруги в електрохім. системах, що до­зволила одержати кількісні вирази для електрод. потенціалів. 1930 угор. фізико-хімік Т. Ердей-Ґруз і нім. фізико-хімік М. Фольмер створили теорію уповільненого роз­ряду-іонізації. 1933 рос. хімік О. Фрумкін обʼ­єд­нав теорії уповільненого роз­ряду іонів і будови по­двій. шару Штерна, заклавши основи сучас. теорії кінетики електрод. процесів. Становле­н­ня Е. в Україні як само­стій. галузі хім. науки від­бувалося у 2-й пол. 19 — на поч. 20 ст. У 1860-х рр. роз­почато публікацію робіт дослідників Києва, Харкова, Одеси. Серед видат. вчених-електрохіміків 19–20 ст., які працювали в Україні, — О. Бутлеров (1828–86), М. Бунге, М. Зелінський (ви­вчали електроліз органіч. сполук); М. Бекетов (встановив електрохім. ряд напруг металів); В. Кістяківський (досліджував корозію та пасивність металів, увів термін «електрокри­сталізація»); О. Саханов, Л. Писаржевський, В. Плотніков (роз­винули теорію роз­чинів, зокрема електро­провід­ності); М. Каяндер (1851–96; на кілька років раніше за швед. фізико-хіміка С.-С. Ареніуса зробив припуще­н­ня щодо дисоціації молекул у роз­чинах); О. Бродський, М. Ізмайлов (дослідж. у галузі Е. роз­чинів); В. Ройтер (довів слушність теорії сповільненого роз­ряду для випадку металевого пере­напруже­н­ня); Є. Бурксер, В. Кемула, Є. Скобець (роз­виток теорії та практики поляро­графії); М. Усанович (поширив поня­т­тя кислоти й основи на неводні електроліти); Л. Антропов (за­пропонував поряд з умов. шкалою потенціалів використовувати зведену — шкала Антропова; автор унікал. під­ручника «Теоретическая электрохимия», який ви­дано 1965, пере­ви­дано 1969 і 1972, а також пере­кладено англ. (1972), франц. (1979, усі — Москва), угор. (Будапешт, 1972) та укр. (К., 1993) мовами); Б. Шишковський, В. Тимофєєв. Нині дослідж. у галузі Е. проводять у низці ВНЗів, ін­ститутів НАНУ та галузевих ін­ститутів. Осн. існуючі школи сформовано вченими-електрохіміками Києва, Дні­пропетровська, Харкова, а також Одеси, Чернівців, Львова, Чернігова, Сіверськодонецька (Луган. обл.), Запоріж­жя, Хмельницького. Їх досягне­н­ня від­ображено у багатьох моно­графіях.

Е. іон­них роз­плавів та неводних електролітів. Започатк. В. Плотніковим дослідж. Е. водних, невод. та роз­плавлених електролітів у 1920–30-х рр. роз­винулись в оригін. наук. напрям, що отримав назву «київ. електрохім. школа» та у подальшому набув всесвіт. ви­зна­н­ня. Створ. ним теорія механізму провід­ності сумішей стала класичною. Дослідж. у царині Е. та термодинаміки іон­них роз­плавів продовжили В. Ізбеков, Ю. Делімарський та їхні учні. Були отримані фундам. результати з кінетики електрод. процесів у роз­плавах (О. Городиський, Е. Панов, Д. Ткаленко, Н. Туманова); термодинаміки та будови по­двій. шару (Б. Марков, його імʼям на­звано ефект дис­кретності іонів, специфічно адсорбованих на електроді); будови іон­них роз­плавів та комплексо­утворе­н­ня (С. Волков, В. Присяжний); кислотно-основ. рівноваг у роз­плавах, електрохім. синтезу функціон. матеріалів і сполук (В. Шаповал, М. Слободяник); природи провід­ності поліфункціон. провід­ників (А. Великанов). Вони до­зволили створити принципово нові піро­електрометалург. технол. процеси та устаткува­н­ня, що зна­йшли широке викори­ста­н­ня в різних галузях промисловості. Вперше в світі у практику кольор. металургії впроваджено електрохім. процеси отрима­н­ня свинцю та вісмуту, утилізації вторин. сировини в іон­них роз­плавах (О. Зарубицький, А. Омельчук). Укр. вченими створ. електрохім. теорію і практику невод. роз­чинів (Я. Фіалков, І. Шека, Ю. Фіалков, В. Плахотник).

Ін. напрям — дослідж. закономірностей

кінетики та механізму електродних процесів у водних роз­чинах — призвів до створе­н­ня нових гідро­електрометалург. процесів та синтезу неорганіч. речовин (В. Стендер, А. Горбачов); одержа­н­ня надчистих металів (І. Шека, Л. Козін, Д. Зосимович); одержа­н­ня дис­перс. металів і сплавів (О. Кудра, Е. Натансон); створе­н­ня теорії та практики функціон. покрит­тів металами та сплавами (Л. Ка­данер, В. Орєхова, В. Кублановський, Н. Іванова, М. Донченко); створе­н­ня теорії адсорбц. хім. поляризації та роз­робле­н­ня на її основі технол. процесів нанесе­н­ня покрит­тів (М. Лошкарьов, Ф. Данилов, Ю. Лошкарьов); створе­н­ня теорії нестаціонар. процесів (О. Городиський, В. Черненко, М. Костін); роз­робле­н­ня технол. аспектів гальванотехніки (А. Сисоєв, Б. Байрачний, Ф. Андрющенко), за­стосува­н­ня нерівноваж. термодинаміки (А. Памфілов, О. Лопушанська, Я. Тевтуль, В. Нечипорук); ви­значе­н­ня ролі термокінет. дослідж. та періодично протікаючих процесів при електроосаджен­ні (Д. Грицан, В. Ларін, В. Калугін). Роз­виваються роботи з органіч. Е. — об­ґрунтува­н­ня концепції викори­ста­н­ня іон-радикалів як електрокаталізаторів різноманіт. хім. реакцій (В. Походенко, В. Кошечко); Е. полімерів — теорія і практика одержа­н­ня на поверх­ні металів впорядкованих макромолекуляр. структур та їх де­струкції (Г. Шаповал, О. Пуд); електрохім. полімеризація вінілових мономерів (Є. Ковальчук).

Хімічні джерела струму та пере­творювачі енергії. Вперше в світі теоретично об­ґрунтував електрохім. процеси в палив. елементах О. Давтян. Він роз­робив середньо-температурні паливні елементи — базову складову сучас. електрохім. генераторів струму. Укр. вченими також роз­роблено повітряно-цинкові та повітряно-алюмінієві батареї для автотранс­порту (О. Давтян, В. Преснов); електрохім. генератори на основі системи гідразін–пероксид водню (М. Кошель); літієві джерела струму різного при­значе­н­ня (В. Присяжний, О. Шембель, Ю. Малетін); створ. теорію електрохім. процесів у пористих електродах і діафрагмах (О. Ксенжек); теорію та технологію кадмій-нікелевих акумуляторів (Л. Сагоян); доведено можливість одержа­н­ня без­метал. акумуляторів на основі органіч. сполук (О. Ксенжек, В. Барсуков); роз­роблено ефективні напів­провід­ник. аноди для фото­електрохім. систем пере­творе­н­ня соняч. енергії (В. Тягай, О. Васько, Г. Колбасов); електрохім. сенсори екол. без­пеки повітря та техноген. середовищ (В. Чвірук). Висококваліфік. фахівців у галузі Е. готують у Нац. тех. університеті України «Київ. політех. ін­ститут», Укр. хім.-технол. університеті (Дні­пропетровськ), Нац. тех. університеті «Харків. політех. ін­ститут», Нац. університеті «Львівська політехніка», Київ. університеті технологій та дизайну.

Літ.: Делімарський Ю. К., Заєць А. І. Роз­виток електрохімії на Україні. К., 1957; Антропов Л. І. Теоретична електрохімія. К., 1993; Гамбург Ю. Д. Электрохимическая кри­стал­лизация метал­лов и сплавов. Москва, 1997; A. J. Bard, L. R. Faulkner. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. New York, 2001; Горбачов А. К. Технічна електрохімія. Х., 2002. Ч. 1; Байрачний Б. І. Технічна електрохімія. Х., 2003. Ч. 2; Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. Москва, 2006.

В. С. Кублановський

Завантажити статтю