Прогрессивные технологии электрохимических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Практическое значение электрохимии

Электрохимические методы широко используются в различных отраслях промышленности. В химической промышленности это электролиз - важнейший метод производства хлора и щелочей, многочисленных окислителей, получение фтора и фторорганических соединений. Возрастающее значение приобретает электросинтез самых различных химических соединений. На электрохимических методах основано получение алюминия, магния, натрия, лития, бериллия, тантала, титана, цинка, рафинирование меди. Водород получают электролизом воды в относительно ограниченных масштабах, однако по мере использования запасов природного топлива и увеличения производства электроэнергии значение этого метода получения водорода будет возрастать. В различных отраслях техники применяются защитные и декоративные гальванические покрытия, а также гальванические покрытия с заданными оптическими, механическими и магнитными свойствами. Анодное растворение металлов успешно заменяет механическую обработку твёрдых и сверхтвёрдых металлов и сплавов. В технике всё шире применяются электрохимические преобразователи информации. Большое значение имеет скорейшее решение проблемы электромобиля. Быстро растущий спрос на автономные источники электроэнергии для техники, освоения космоса и бытовых применений стимулирует поиски новых электрохимических систем повышенной удельной мощности, энергоёмкости и сохранности. Всё более широкое распространение получают различные электрохимические методы анализа, электрофизические и электрохимические методы обработки.

Понимание важнейших биологических процессов, например усвоения и использования энергии пищи, распространения нервного импульса, восприятия зрительного образа, невозможно без учёта электрохимических звеньев, связанных в первую очередь с функционированием биологических мембран. Решение этих проблем ставит перед теоретической электрохимией новые задачи, а в будущем должно оказать существенное влияние и на медицинскую практику.

2. Электрохимические методы анализа

Для качественного и количественного анализа химических веществ разработаны различные электрохимические методы, которые часто оказываются полезными также для определения термодинамических и кинетических параметров электродных реакций и изучения их механизмов.

Кондуктометрия основана на измерении электропроводности раствора и применяется для определения концентрации солей, кислот, оснований и т.д. При кондуктометрических определениях обычно используют электроды из одинаковых материалов, а условия их проведения подбирают таким образом, чтобы свести к минимуму вклад скачков потенциала на обеих границах раздела электрод / электролит (например, используют переменный ток высокой частоты). В этом случае основной вклад в измеряемый потенциал ячейки вносит омическое падение напряжения IR, где R - сопротивление раствора. Электропроводность однокомпонентного раствора можно связать с его концентрацией, а измерение электропроводности электролитов сложного состава позволяет оценить общее содержание ионов в растворе и применяется, например, при контроле качества дистиллированной или деионизованной воды. В другой разновидности кондуктометрии - кондуктометрическом титровании - к анализируемому раствору порциями добавляют известный реагент и следят за изменением электропроводности. Точка эквивалентности, в которой отмечается резкое изменение электропроводности, определяется из графика зависимости этой величины от объема добавленного реагента.

Потенциометрия применяется для определения различных физико-химических параметров исходя из данных о потенциале гальванического элемента. Электродный потенциал в отсутствие тока в электрохимической цепи, измеренный относительно электрода сравнения, связан с концентрацией раствора уравнением Нернста. В потенциометрических измерениях широко применяются ионоселективные электроды, чувствительные преимущественно к какому-то одному иону в растворе: стеклянный электрод для измерения рН и электроды для селективного определения ионов натрия, аммония, фтора, кальция, магния и др. В поверхностный слой ионоселективного электрода могут быть включены ферменты, и в результате получается система, чувствительная к соответствующему субстрату. Потенциал ионоселективного электрода определяется не переносом электронов, как в случае веществ с электронной проводимостью, а в основном переносом или обменом ионов. Однако уравнение Нернста, связывающее электродный потенциал с логарифмом концентрации (или активности) вещества в растворе, применимо и к такому электроду. При потенциометрическом титровании реагент добавляют в анализируемый раствор порциями и следят за изменением потенциала. S-образные кривые, характерные для такого типа титрования, позволяют определить точку эквивалентности и найти такие термодинамические параметры, как константа равновесия и стандартный потенциал.

Вольтамперометрия. Все разновидности вольтамперометрических методов используют рабочий микроэлектрод с площадью поверхности 10-7-10-1 смІ. Получаемые с его помощью вольтамперные кривые позволяют идентифицировать растворенные вещества, определить их концентрацию, а нередко - термодинамические и кинетические параметры. Первый вольтамперометрический метод - полярография - был предложен в 1922 чешским химиком Я. Гейровским. Рабочим электродом в его установке служил капающий ртутный электрод. Ртуть имеет высокое водородное перенапряжение, поэтому ртутный электрод удобен для изучения процессов, протекающих при отрицательных потенциалах. Поверхность электрода постоянно обновляется в процессе измерения, что исключает загрязнение электрода. Вольтамперометрические исследования проводятся также с помощью твердых электродов, например из платины и углерода, и используются процессы, протекающие при положительных потенциалах. В вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала (хроноамперометрии) задают линейное изменение потенциала во времени и раствор не перемешивают, так что массоперенос происходит исключительно благодаря диффузии. При циклической вольтамперометрии к электроду прикладывают повторяющиеся импульсы напряжения треугольной формы. Вещества, образующиеся на восходящем участке цикла, исследуются на нисходящем его участке. Такой метод особенно эффективен для изучения механизма электродных реакций путем анализа поляризационных кривых при разных скоростях развертки потенциала и разных концентрациях раствора. Существуют и другие виды вольтамперометрии - дифференциальная импульсная и квадратно-волновая, - при которых на линейно растущий потенциал налагаются импульсы напряжения разной формы. Эти методы широко используются для определения малых концентраций веществ в растворе. Если в ходе вольтамперометрического измерения раствор перемешивается, а значит, массоперенос осуществляется одновременно с помощью конвекции и диффузии, то говорят о гидродинамической вольтамперометрии. В этом случае удобно использовать вращающийся дисковый электрод, поскольку экспериментальные вольт-амперные кривые можно прямо сопоставить с теоретическими.

Амперометрия. Метод основан на измерении предельного диффузионного тока, проходящего через раствор при фиксированном напряжении между индикаторным электродом и электродом сравнения. При амперометрическом титровании точку эквивалентности определяют по излому кривой тока - объем добавляемого рабочего раствора. Хроноамперометрические методы основаны на измерении зависимости тока от времени и применяются в основном для определения коэффициентов диффузии и констант скорости. По принципу амперометрии (как и вольтамперометрии) работают миниатюрные электрохимические ячейки, служащие датчиками на выходе колонок жидкостных хроматографов. Гальваностатические методы аналогичны амперометрическим, но в них измеряется потенциал при прохождении через ячейку тока определенной величины. Так, в хронопотенциометрии контролируется изменение потенциала во времени. Эти методы применяются главным образом для изучения кинетики электродных реакций.

Кулонометрия. В кулонометрии при контролируемом потенциале проводят полный электролиз раствора, интенсивно перемешивая его в электролизере с относительно большим рабочим электродом (донная ртуть или платиновая сетка). Полное количество электричества (Q, Кл), необходимое для электролиза, связано с количеством образующего вещества (А, г) законом Фарадея: где M - молярная масса (г/моль), F - число Фарадея. Кулонометрическое титрование заключается в том, что при постоянном токе электролитически генерируют реактив, вступающий во взаимодействие с определяемым веществом. Ход титрования контролируют потенциометрически или амперометрически. Кулонометрические методы удобны тем, что являются по своей природе абсолютными (т.е. позволяют рассчитать количество определяемого вещества, не прибегая к калибровочным кривым) и нечувствительны к изменению условий электролиза и параметров электролизера (площади поверхности электрода или интенсивности перемешивания). При кулоногравиметрии количество вещества, подвергшегося электролизу, определяют взвешиванием электрода до и после электролиза.

Существуют и другие электроаналитические методы. В переменно-токовой полярографии на линейно меняющийся потенциал налагают синусоидальное напряжение малой амплитуды в широкой области частот и определяют либо амплитуду и фазовый сдвиг результирующего переменного тока, либо импеданс. Из этих данных получают информацию о природе веществ в растворе и о механизме и кинетике электродных реакций. В тонкослойных методах используются электрохимические ячейки со слоем электролита толщиной 10-100 мкм. В таких ячейках электролиз идет быстрее, чем в обычных электролизерах. Для изучения электродных процессов применяют спектрохимические методы со спектрофотометрической регистрацией. Для анализа веществ, образующихся на поверхности электрода, измеряют поглощение ими света в видимой, УФ- и ИК-областях. За изменением свойств поверхности электрода и среды следят с помощью методов электроотражения и эллипсометрии, которые основаны на измерении отражения излучения от поверхности электрода. К ним относятся методы зеркального отражения и комбинационного рассеяния света (романовская спектроскопия), спектроскопия второй гармоники (фурье-спектроскопия).

Другие электрохимические явления и методы. При относительном движении электролита и заряженных частиц или поверхностей возникают электрокинетические эффекты. Важным примером такого рода является электрофорез, при котором происходит разделение заряженных частиц (например, молекул белка или коллоидных частиц), движущихся в электрическом поле. Электрофоретические методы широко используют для разделения белков или дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в геле. Электрические явления играют большую роль в функционировании живых организмов: они отвечают за генерацию и распространение нервных импульсов, возникновение трансмембранных потенциалов и т.д. Различные электрохимические методы применяются для изучения биологических систем и их компонентов. Представляет интерес и изучение действия света на электрохимические процессы. Так, предметом фотоэлектрохимических исследований являются генерация электрической энергии и инициация химических реакций под действием света, что весьма существенно для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Здесь обычно используются полупроводниковые электроды из диоксида титана, сульфида кадмия, арсенида галлия и кремния. Еще одно интересное явление - электрохемилюминесценция, т.е. генерация света в электрохимической ячейке. Оно наблюдается, когда на электродах образуются высокоэнергетические продукты. Часто процесс проводят в циклическом режиме, чтобы получить как окисленную, так и восстановленную формы данного соединения. Взаимодействие их между собой приводит к образованию возбужденных молекул, которые переходят в основное состояние с испусканием света.

3. Технология электрохимических производств

Электрохимия, электрохимические процессы и технологии используются настолько широко во всех отраслях промышленности, что без них невозможно ни существование, ни дальнейшее развитие цивилизации.

Среди многообразных направлений прикладной электрохимии особое место занимают гальванические производства. Электроосаждение покрытий металлами и сплавами, которые защищают самые разные изделия от коррозии, позволяют в десятки и сотни раз увеличить их срок службы в машиностроении, ракетостроении и судостроении, в энергетике и приборостроении, в электронике и микроэлектронике, медицинской, мебельной, ювелирной, пищевой и других отраслях промышленности.

Такие поверхностные покрытия могут одновременно выполнять и другие, самые разнообразные функции, например: придать красивый декоративный вид, твердость, износоустойчивость, жаростойкость, магнитные свойства, электропроводность (в том числе сделать электропроводными неэлектропроводные детали из пластических масс, керамики). А также придать паяемость изделиям из металлов, которые не паяются (алюминий, титан и сплавы на их основе), способствовать восстановлению изношенных деталей, придать поверхности изделий из металлов и неметаллов свойства абсолютно черного тела или зеркала.

Особую роль гальванические покрытия играют в приборостроении, электронике и микроэлектронике. Выпуск всей современной электронной аппаратуры практически не может быть осуществлен без специальных методов гальваники - функциональной гальванотехники и электрохимии полупроводников. На их использовании основано современное производство интегральных микросхем, печатных плат и магнитных накопителей информации ЭВМ.

Гальванические покрытия сегодня применяются везде: от сантехники в кухне и ванной комнаты до искусственных спутников Земли, космических станций, от запонок до блоков памяти электронной техники.

Будущее за электрохимическими нанотехнологиями, за покрытиями металлами и сплавами, в том числе содержащими нанодисперсные частицы второй фазы, за покрытиями, состоящими из слоев различных металлов толщиной в тысячные доли микрона, за композиционными электрохимическими покрытиями. Все эти покрытия позволяют придать покрываемым изделиям совершенно новые уникальные свойства, которые другими методами получить невозможно.

В центре внимания современной электрохимии стоит электрохимическая кинетика, т.е. учение о механизме и законах протекания электрохимических реакций. Наука о коррозии и борьба с коррозионными потерями - дело глобальной значимости. В растворах электролитов коррозия является результатом одновременного протекания двух или более электрохимических процессов. Для развития электрохимической кинетики большое значение имело создание точных и удобных экспериментальных методов исследования механизма электродных процессов, в особенности полярографического метода, предложенного Я. Гейровским.

Широкое применение получили электрохимические методы защиты от коррозии различных видов аппаратуры, сооружений и машин, работающих в агрессивных средах, подземных газо- и нефтепроводов, химической аппаратуры, корпусов судов, автомобилей и т.д. Для этого используются методы катодной, анодной и протекторной защиты.

· Химические источники тока - обширный раздел электрохимии, посвященный вопросам разработки различных систем гальванических элементов, аккумуляторов, электрохимических генераторов, а также технологии их изготовления. Назначение их крайне разнообразно - от жизнеобеспечения космических станций, питания двигателей подводных лодок и радиоаппаратуры, до питания наручных часов и вживления в тело человека для стимулирования его сердечной деятельности. Практически все цветные металлы (алюминий, медь, никель, свинец, цинк, кадмий, магний, натрий, калий, другие редкие металлы и сплавы), ежегодное производство которых составляет около 30 млн. тонн, или получаются, или очищаются электрохимическим путем. К этой же технологии можно отнести получение фольги и порошков цветных металлов.

· Хемотроника - новая область применения электрохимии, связанная с созданием электрохимических преобразователей информации.

· Большие перспективы у метода так называемой электрохимической размерной обработки деталей (ЭХРО). Интенсивно внедряется в практику электрохимическое фрезерование и сверление, полирование и травление. Такими способами производства (в первую очередь, в авиационной и космической технике) будет изготавливаться от 50 до 80% деталей.

· Электрохимические методы широко применяются при обессоливании воды, в системах очистки сточных вод самых различных производств (химических, гальванических, лакокрасочных, биологических), регенерации электролитов, извлечении металлов из отходов производства. Значительная часть физико-химических методов исследований и анализов основана на электрохимических принципах.

· Электросинтез позволяет получать ряд неорганических веществ и соединений: водород, хлор, перекись водорода, щелочи, сильные окислители и восстановители, а также многие органические соединения. Среди них водородная энергетика приобретает все большее значение для авто- и авиатранспорта.

· Тончайшие процессы в живых организмах - в клетках, мембранах, нервных волокнах и нейронах. Имплантированные топливные элементы, в которых используются составляющие ультрафильтрата крови, представляют собой постоянные источники энергии для вспомогательных приборов, контролирующих состояние здоровья пациента. Перспективным является биологический топливный элемент, обеспечивающий работу протеза сердца. В будущем приобретет особое значение электролизный способ удаления из организма человека мочевины путем ее окисления в почечной диализной системе. Такой проект приблизит создание действительно портативного аппарата искусственной почки.

Заключение

Несмотря на солидный возраст, электрохимия относится к числу наук, переживающих бурное развитие с огромными перспективами на будущее. По прогнозам ряда ведущих ученых, роль электрохимии в мировой промышленности будет стремительно возрастать. Считают, что, по мере истощения запасов природного топлива, человечество вступит в атомно-электрохимическую эру. Электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, будет использоваться для генерации водорода электролизом воды. Водород заменит природный газ и будет применяться в водородно-кислородных электрохимических генераторах. Будут реализованы на практике процессы электролиза воды в фотоэлектрохимических системах, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Такой широкий круг использования электрохимических методов в практике значительно облегчает трудоустройство инженеров-электрохимиков, которые могут найти работу практически на любом предприятии, в научно-исследовательских и проектных институтах любого города России и за границей.

Список литературы

электрохимический металл электроосаждение растворение

1. Технология важнейших отраслей промышленности под ред. А.М. Гинберга, Б.А. Хохлова. М.: Высшая школа, 1985 г.

2. Технологические основы ГПС под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1991 г.

3. Парамонов Ф.И. Моделирование процессов производства. М.: Машиностроение, 1984 г.

4. Технологические процессы машиностроительного производства. Ч. 1 - Ч. 3 /Моск. гос. технологический университет «Станкин». М.: Станкин, 1993 г.

5. И.Н. Васильева. Экономические основы технологического развития. М.: 1995 г.

6. М.Д. Дворцин. Основы теорий научно-технического развития производства. М.: 1988 г.

7. Технология возведения зданий и сооружений под ред. В.И. Теличенко и др. М.: Высшая школа, 2001 г.

8. Технология конструкционных материалов под ред. А.М. Дальского и др. М.: Машиностроение, 2002 г.

9. Технология производства изделий из пластмасс под ред. М.Г. Киселева и др. Мн.: Технопринт, 2003 г.

Размещено на Allbest.ru