Основы электрохимии

В электрохимии исследуют процессы превращения химической энергии в электрическую (гальванические элементы) и электрической энергии в химическую (электролиз). Электрохимические исследования получили развитие после изобретения в 1799 г. итальянским учёным Луиджи Вольта электрической батареи, называемой вольтовым столбом.

Вещества, проводящие электрический ток, разделяются на проводники первого и второго рода.

Все металлы, сплавы металлов и углеродистые электроды относятся к проводникам первого рода. В них часть электронов слабо связанны с ядрами атомов и образует так называемый «электронный газ». Электроны неупорядоченно перемещаются от одних атомов к другим, но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение электронов. Прохождение электрического тока по проводникам первого рода не связано с переносом вещества.

К проводникам второго рода относятся электролиты: водные растворы солей, кислот, щелочей и расплавленные соли. В проводниках второго рода электричество переносится ионами, значит, прохождение электрического тока через проводники второго рода сопровождается переносом вещества.

В связи с этим различают электронную и ионную проводимость.

В 1833 г. Фарадей открыл законы электролиза, являющиеся основой количественного изучения электродных процессов. При электролизе на электроды подаётся разность потенциалов от источника постоянного тока. Отрицательно заряженный электрод называется катодом, а положительно заряженный – анодом.

Процесс разложения молекул вещества на ионы при взаимодействии с растворителем называется электролитической диссоциацией, в результате которой образуются ионы: несущие положительный заряд – катионы и отрицательный заряд – анионы. При этом сумма положительных зарядов образовавшихся катионов равна сумме отрицательных зарядов анионов.

Процесс разряда ионов и выделения веществ на электродах в растворах или расплавах под действием постоянного тока называется электролизом. Среда, в которой осуществляется процесс электролиза, называется электролитом, это смесь ионов, проводящих электрический ток.

Чтобы осуществить разряд катиона, нужно создать на катоде избыток электронов, причём для разных металлов избыток электронов различен. В зависимости от величины электродного потенциала металла и водорода, все металлы располагаются в так называемый электрохимический ряд напряжений:

Li K Ca Na Mg Al Si Zn Fe H Cu Ag

Алюминий обладает высокой химической активностью, большой энергией образования соединений и занимает место среди электроотрицательных металлов, что делает невозможным выделение его электролизом из водных растворов, так как на катоде в первую очередь будет выделяться водород. Поэтому электролит не должен содержать ионов металлов более электроположительных, чем алюминий, а лишь соли щелочных и щелочноземельных металлов.

В настоящее время единственным способом получения алюминия в крупномасштабном производстве является электролитическое разложение его окиси, растворённой в расплавленном криолите.