Магнітохімія

МАГНІТОХІ́МІЯ — роз­діл фізичної хімії, що ви­вчає звʼязок 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 зʼявився 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 обʼємі 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 повʼязано 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