Магнітохімія

МАГНІТОХІ́МІЯ  — розділ фізичної хімії, що вивчає зв’язок між магнітними і хімічними властивостями речовин. Окрім цього, М. досліджує вплив магніт. полів на хім. процеси й спирається на сучасну фізику магніт. явищ. Дослідж. впливу магніт. поля на процеси електролізу розпочато понад два століття тому. 1832 М. Фарадей, знаючи, що солона вода є провідником електр. струму, намагався оцінити ефект впливу магніт. поля Землі на рух води в Темзі. Однак тогочасне обладнання не було достатньо чутливим, тому експеримент не вдався. Проте його припущення про індуков. струм пізніше підтвердив В. Волластон, який вимірював різницю потенціалів через Англ. канал 1851. Уперше суттєві результати із впливу магніт. поля на корозію заліз. електродів отримав 1885 В. Ґросс, а дослідж. властивостей вод. розчинів електролітів у магніт. полі провів 1896 Г. Баґард. Проте вивчення ефектів електролізу в магніт. полях відновилося лише в 1950-х рр. Одним із перших експерим. дослідж. у цій галузі була робота Л. Янґа зі спостереження впливу магніт. поля на орієнтацію осаду кристалів заліза, нікелю й кобальту на поверхні катода, що дозволяло змінювати шорсткість поверхні. В останні 30–40 р. активно вивчають вплив магніт. поля на перебіг процесів електрохім. осадження, травлення та корозії металів. Так, дослідж. особливостей проходження згаданих електрохім. реакцій та масопереносу, що їх супроводжує, в однорід. магніт. полі започаткували нову галузь в електрохімії — магнітоелектрохімію. Нині експериментально виявлено вплив магніт. поля на перебіг електрохім. реакцій, зокрема на: кінетику хім. та електрохім. реакцій (спостерігається прискорення або сповільнення масопереносу при електроосадженні, цементації та електророзчиненні металів); морфологію катод. осаду в магніт. полі, а саме таких його властивостей, як шорсткість поверхні, адгезію до поверхні, густину тощо; магнітогідродинам. перемішування електроліту. Необхід. поштовх до подальшого розвитку магніто­електрохімії з’явився в результа­ті злиття магніт. гідродинаміки (МГД) та теорії конвектив. дифузії (ТКД). Так, при пропусканні струму через електроліт у магніт. полі на струм діє сила Лоренца, яка спричиняє магнітогідродинам. перемішування електроліту, що прискорює електрохім. реакції, кінетика яких є дифузійною або змішаною. При дифузій. кінетиці найповільнішою стадією реакції є транспорт реагентів, або продуктів реакції, і перемішування змінює дифузій. механізм масопереносу на конвективний, підвищуючи цим швидкість електрохім. реакції. Сили, що діють на електроліт у магніт. полі за наявності електрохім. реакцій з металом і які входять до спільн. системи рівнянь магніт. гідродинаміки та конвектив дифузії, наведено в Табл. Типові значення величин: густи­­на струму в електроліті j = 10³ А/м² (3,3·10^-11 СГСЕ/см²), індукція магніт. поля B = 1 Т (10 кЕ), магнітна сприйнятливість електроліту χ=10^-8 м³/моль (10^-2 см³/моль), концентрація C = 10³ моль/м³ (10^-3 моль/см³), ÑB = 10 Т/м (10³ Е/см), питома електропровідність електроліту s = 100 С/м (9·10¹¹ СГСЕ), швидкість електроліту V = 0,1 м/с (10 см/с), товщина дифузій. шару d = 100 мкм (10^-2 см). МГД-перемішування електроліту відбувається і при паралел. орієнтації зовн. магніт. поля до напрямку струму в об’ємі електроліту. Внаслідок неоднорідності густини струму поблизу шорсткої поверхні електрода всередині дифузій. шару виникає т. зв. мікро-МГД ефект.

Сучасні дослідж. у галузі магнітоелектролізу спрямовані переважно на вивчення впливу не­однорід. постій. магніт. полів на перебіг осадження, хім. травлення та корозії металів у розчинах електролітів без пропускання зовн. електр. струму крізь розчин. Донедавна не існувало єдиного погляду, що дозволяв би на кількіс. та якіс. рівнях пояснити ефекти, що спостерігаються на мікро- та макрорівнях при магнітоелектролізі в неоднорід. магніт. полях, оскільки очікуваний вплив неоднорід. магніт. поля помір. напруженості (порядку 1 кЕ) на процеси дифузії, стаціонар. розподіл концентрації парамагніт. іонів та швидкість електрохім. реакцій у моделі дифузій. або змішаної кінетики має бути несуттєвим. Це пов’язано з тим, що кількісні оцінки, які враховують магнітну сприйнятливість одного парамагніт. іона при кімнат. т-рі, дають величину його енергії в магніт. полі помір. напруженості на 4–5 порядків меншу за енергію його теплового руху. Також відкритими лишалися питання впливу градієнт. магніт. сили, що діє на продукти електрохім. реакцій, порівняно із впливом рушій. сили дифузії, існування прямого та інверс. ефектів осадження металів на поверхні електрода залежно від хім. складу електроліту та сплаву електрода, анізотроп. МГД-перемішу­вання розчинів побл. поверхні електродів тощо. Для пояснення цих та ін. явищ в Інституті магнетизму НАНУ та МОН України (Київ) побудовано кількісну теор. модель, яка ґрунтується на передбаченні існування магніонів, тобто ефективно діа- або парамагніт. нанорозмір. кластерів — продуктів електрохім. реакцій. Ефективна магнітна сприйнятливість магніона — різниця між його магніт. сприй­нятливістю і магніт. сприй­нят­­ли­­вістю електроліту. При цьому за достат. розміру магніонів величина енергії магніона в магніт. полі помір. напруженості є більшою за енергію його теплового руху. Саме дія градієнт. магніт. сили на магніони пояснює фазову сепарацію електроліту типу рідина–рідина при електрохім. реакціях у неоднорід. магніт. полі. І внаслідок фазової сепарації електроліту від знака ефектив. магніт. сприйнятливості магніона залежить — спостерігається прямий чи інверс. ефект впливу неоднорід. магніт. поля на швидкість електрохім. реакцій (у прямому ефекті швидкість електрохім. реакції є тим більшою, чим більша напруженість магніт. поля на поверхні електрода, в інверсному — є тим меншою, чим більша напруженість магніт. поля на поверхні електрода). Укр. науковці також розрахували електрокінет. потен­ціал при русі магніонів та потенціал Нернста при неоднорід. розподілі концентрації магніонів, вирахували та експериментально підтвердили низку магнітогідродинам. ефектів, спричинених неоднорід. концентрацією магніонів у неоднорід. магніт. полі. Наголосимо, що всі розглянуті ефекти впливу магніт. поля на приелектродні процеси в електролітах мають важливе значен­ня як для практ. застосувань, так і для фундам. наук. досліджень. Важливими технол. застосуван­нями можуть бути отримання метал. поверхонь із покращеними функціонал. властивостями, змі­на кінетики хім. реакцій тощо.

Завантажити статтю