Электрохимические процессы

Электрохимические процессы относятся к такой науке, как электрохимия, которая рассматривает и изучает процессы превращения химической энергии в электрическую и электрической в химическую. А поскольку электрический ток связан с перемещением электрических зарядов, в частности электронов, то основное внимание в электрохимии сосредоточено на реакциях, в которых электроны переносят от одного вещества к другому. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными.

Протекание электрического тока, используемого в том числе и в электрохимических процессах, осуществляется по проводникам двух типов. К первому типу из них относятся электронные проводники илипроводники первого рода,поток зарядов, в которых представляет собой поток электронов. Вследствие этого в электронных проводниках не существует переноса вещества. К ним относятся металлы. Ко второму типу относятся электролитические проводники или проводники второго рода, которые являются электролитами. Поток зарядов в электролитическом проводнике обеспечивается перемещением ионов, т.е. в данном случае уже происходит перенос вещества. В качестве электролитов могут быть как чистые вещества (например, расплавы солей), так и водные растворы кислот, солей и оснований.

Примерами перехода химической энергии в электрическую могут служить гальванические элементы, предназначенные для однократного электрического разряда: непрерывного или прерывистого. После разряда они теряют работоспособность. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторные батареи, например свинцовый аккумулятор. В отличие от гальванических элементов, работоспособность аккумулятора после разряда можно восстановить путем пропускания через него постоянного тока от внешнего источника.

Процессы же превращения электрической энергии в химическую называются электролизом.

Ниже рассмотрим оба процесса более подробно.

Среди химических источников электроэнергии широкое распространение получили в последнее время, топливные элементы. Для их создания используются самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции.

Электролиз

Пропускание постоянного электрического тока через электролит, приводящее к протеканию химических реакций, которые в обычных условиях самопроизвольно не идут, называется электролизом. Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов.

На электродах, подводящих электроток, происходит перенос электронов к ионам либо от них. При этом, в электрическом поле положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные – анионы, движутся к аноду. На катоде происходит восстановление, на аноде – окисление ионов или молекул, входящих в состав электрона.

Электролиз нашел широкое промышленное применение: извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий, анодирование и получение многих веществ.

Электролизом получают также алюминий, цинк, частично медь идр. металлы.

Медь, цинк и др. металлы можно очистить с помощью электролиза. Такой процесс называется рафинированием.

Нанесение покрытия (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие.

Метод электроосаждения включает гальваностегию – нанесение покрытия толщиной 5-50 мм, и гальванопластику – получение сравнительно толстых, но легко отделяющихся слоев.

Гальваностегию используют для защиты изделий от коррозии, повышения их износостойкости, придания им способности отражать свет, электропроводности, термостойкости, антифрикционности и др. свойств, а также для декоративной отделки.

Гальванопластика позволяет получать копии, воспросизводящие мельчайшие подробности рисунка или рельефа поверхности.

Анодирование или анодное оксидирование – это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. Покрываемые слои оксидов могут быть тонкими, или барьерными (менее 1 мкм), и толстыми – фазовыми, или эмалеподобными (десятки и сотни мкм). Структуры и химический состав оксидов зависят от природы металла, электролита и условий процесса. При этом, на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а, следовательно, и с различными свойствами (твердость, окраска, электрическая проводимость т.д.). Тонкие слои используют в основном в радиоэлектронике. Фазовые слои защищают главным образом металл от коррозии, обеспечивают износостойкость изделий, образуют прозрачные или цветные декоративные покрытия.