Что такое электрохимия
Электрохимия — раздел физической химии, изучающий взаимосвязь химических реакций и электрических явлений. Два главных процесса: гальванический элемент (химическая реакция порождает электрический ток) и электролиз (электрический ток вызывает химическую реакцию).
Без электрохимии нет аккумуляторов (смартфоны, электромобили), нет производства алюминия и хлора (электролиз), нет защиты металлов от коррозии (гальванопокрытия, катодная защита). Электрохимия — основа экономики, потребляющей электроэнергию.
Гальванический элемент: ток из реакции
В 1800 году Алессандро Вольта создал первый химический источник тока — «Вольтов столб»: чередующиеся цинковые и медные пластины, разделённые тканью, смоченной в кислоте. Принцип: на одном электроде металл окисляется (отдаёт электроны), на другом — ион восстанавливается (принимает). Электроны текут через внешнюю цепь — это ток.
Электрохимическая ячейка характеризуется ЭДС (электродвижущей силой) — разностью электродных потенциалов. Таблица стандартных электродных потенциалов (шкала водородного электрода) позволяет предсказать, потечёт ли ток. Литий имеет наиболее отрицательный потенциал (−3,04 В) — поэтому литиевые аккумуляторы самые энергоёмкие.
Аккумуляторы и батареи
Аккумулятор — обратимая гальваническая ячейка. При зарядке электрический ток восстанавливает исходные реагенты. Свинцово-кислотный аккумулятор (Planté, 1859) — в автомобилях по сей день: 2PbSO₄ + 2H₂O ⇌ Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄. Напряжение 2 В на ячейку, 12-вольтовая батарея — 6 ячеек. Недостаток: тяжёлый, низкая удельная энергоёмкость (30–50 Вт·ч/кг).
Литий-ионный аккумулятор (Sony, 1991) — революция в портативной электронике. Ионы лития интеркалируют в графитовый анод при зарядке. Удельная энергоёмкость 150–250 Вт·ч/кг — в 5 раз больше свинцово-кислотного. Современные батареи Tesla (NCA, NMC химия) — 270–300 Вт·ч/кг. Нобелевская премия 2019 года — Гудинаф, Уиттингем, Ёсино — за литий-ионные аккумуляторы.
Электролиз: ток вызывает реакцию
Электролиз — пропускание постоянного тока через раствор или расплав электролита. На катоде (−) происходит восстановление, на аноде (+) — окисление. Закон Фарадея (1834): масса вещества, выделяемого на электроде, пропорциональна заряду.
Производство алюминия (метод Холла-Эру, 1886): электролиз расплава Al₂O₃ в криолите при 960°C. Каждый килограмм алюминия требует 13–15 кВт·ч электроэнергии. Мировое производство алюминия (~65 млн т/год) потребляет ~4% мировой электроэнергии.
Хлорщелочной процесс: электролиз NaCl даёт хлор (Cl₂) и гидроксид натрия (NaOH). Хлор — основа дезинфекции воды, производства ПВХ и растворителей. Гальваностегия (хромирование, никелирование, золочение) использует электролиз для нанесения металлических покрытий толщиной от 1 мкм.
Коррозия и её защита
Коррозия металлов — электрохимический процесс. Ржавление железа: зерно металла с примесями образует микрогальванические пары. Анодные участки (железо) окисляются, катодные (примеси, углерод) — место восстановления кислорода. Мировые потери от коррозии — около 3,4% ВВП (2,5 трлн$ в год по данным 2016 г.).
Методы защиты: защитные покрытия (краска, пластик, эмаль), гальванопокрытия (цинкование — цинк жертвует себя вместо стали), катодная защита (подача отрицательного потенциала к трубопроводу делает его катодом — не окисляется). Нержавеющая сталь (12–20% Cr) пассивирована — слой Cr₂O₃ блокирует доступ к металлу.