Чтение онлайн

Одним из наиболее важных направлений прикладной электрохимии является электролитическое нанесение металлических покрытий – гальванотехника. В зависимости от физико-химических свойств получаемых покрытий и их назначения в гальванотехнике выделяются два направления: гальваностегия и гальванопластика. Основное различие между ними заключается в том, что в гальваностегии добиваются наилучшего сращивания осаждаемого металла с катодной основой, а в гальванопластике – полного отделения осаждаемого металла от материала основы, но в том и другом случае нужны глубокие знания, высокая инженерная подготовка.

Многочисленные покрытия, применяемые в гальваностегии, по своему назначению можно разделить на несколько групп:

– покрытия, защищающие металлические изделия от коррозии (цинк, кадмий, свинец, олово, никель и их сплавы);

– защитно-декоративные покрытия (медь с оксидированием, хром, никель, кобальт, золото, серебро и их сплавы);

– покрытия, увеличивающие поверхностную твердость и износостойкость (хром, железо, никель, родий и некоторые сплавы);

– покрытия, повышающие отражательную способность ( родий, серебро, золото, хром, никель);

– покрытия, повышающие электропроводящие свойства поверхности (серебро, золото, медь и их сплавы);

– покрытия, защищающие отдельные участки деталей от цементации углеродом (медь) и от азотирования (олово);

– покрытия, сообщающие поверхности антифрикционные свойства (олово, медь, серебро, свинец, индий и их сплавы);

– покрытия, служащие маской при избирательном травлении металлов в производстве печатных плат и изделий электронной техники (олово, свинец, никель, серебро, золото и их сплавы);

– покрытия, улучшающие способность деталей к пайке (олово и его сплавы).

Кроме того гальваностегия применяется в ремонтном производстве для восстановления размеров изношенных деталей.

Гальванопластика – способ получения или воспроизведения предмета путем электролитического осаждения металла – находит широкое применение во многих отраслях промышленности, где необходимо точно воспроизвести особенности конструкции и все тонкости сложной формы.

Наиболее широко используют гальванопластику в граммофонной промышленности для изготовления матриц. В радиотехнике и электронике нашли применение гальванопластическое изготовление волноводов и фольги. Методом гальванопластики изготавливают трубы различной формы и размера, сетки, решетки, сита, сопла, пресс-формы. Широкие возможности гальванопластики позволяют изготавливать легкие полые изделия сложной формы и высокой точности для авиации и космонавтики.

Второе очень важное направление практической электрохимии – электролиз растворов, в частности раствора хлорида натрия (или морской воды) с целью получения хлора и его соединений, щелочи и водорода. А если процесс проводить на ртутном катоде, то получается амальгама натрия, из которой выделяют чистый натрий.

При электролизе растворов щелочи получают чистые кислород и водород за счет электрохимического разложения воды.

Особую группу в электрохимических процессах составляет электроорганический синтез. Например, ежегодно электрохимическим окислением толуола получают сотни тонн бензойной кислоты – ценного сырья для парфюмерной и фармацевтической промышленности. Значительные количества уксусной кислоты получают электролизом этилового спирта и ацетальдегида. Благодаря электроорганическому синтезу были получены прекрасные антрахиноновые красители для текстильного производства. Особенно плодотворным оказалось использование электролиза в фармацевтической промышленности. Так получают, например, карбоновые кислоты пиридина никотиновую, которая входит в состав витамина РР, изоникотиновую – важное сырье для изготовления противотуберкулезных препаратов (римифона и др.).

Для многих современных машин, аппаратов, приборов, в том числе для бытовых радио- и электротехнических устройств, требуются химические источники тока, производство которых стало важной отраслью технической электрохимии. Химические источники тока подразделяются на первичные (гальванические элементы одноразового использования) и вторичные (аккумуляторы многоразового использования).

В современной технике начали успешно применять новые источники электрического тока – топливные элементы. В них ток возникает в результате химического взаимодействия горючих веществ – водорода, бензина, дизельного топлица, угля, природного газа, амиака, металлов с разными окислителями, чаще с кислородом. Здесь мы имеем дело с прямым превращением химической формы энергии в электрическую.

Наибольшее распространение получили водородно-кислородные электрохимические генераторы. Электроды для них изготавливают из каталитически активных металлов ( из губчатого никеля или платины – водородный электрод и активного серебра – кислородный). Электролитом служит раствор кислоты или щелочи. В этих элементах катод омывается струей водорода, а анод – струей кислорода. Электрический ток генерируется при непосредственном контакте трех фаз – газообразной (водород, кислород), жидкой (электролит) и твердой (материал электродов).

На поверхности катода молекулы водорода теряют свои электроны, соединяются с гидроксид-ионами электролита и образуют молекулы воды.

На аноде молекулы кислорода присоединяют электроны, которые движутся по проводнику от катода, соединяются с молекулами воды, в результате чего образуются гидроксид-ионы.

Топливные элементы имеют КПД почти в два раза выше, чем паровые турбины. Кроме того, у них нет движущихся частей, они долговечные, работают без шума, не образуют вредных отходов.

В космической технике наряду с солнечными батареями и радиоизотопными источниками энергии широко применяются и топливные элементы.

Для длительных полетов в космос немаловажное значение будут иметь биохимические топливные элементы. В них окислительно-восстановительные превращения осуществляются с помощью микроорганизмов, в результате чего и генерируется электрический ток. В условиях космического полета в биоэлементах будут перерабатываться отходы человеческой жизнедеятельности, а взамен образуются электрический ток, питьевая вода и невредные побочные продукты (углекислый газ, азот, соли).

Но самая перспективная отрасль использования водородно-кислородных топливных элементов – энергетика. Так, при малой нагрузке электростанции (например, ночью) топливный элемент функционирует как электролизер – разлагает воду и накопляет водород и кислород в газгольдерах высокого давления. При перегрузке электростанции водородно-кислородный элемент «сжигает» сжатые водород и кислород, и работает как электрохимический генератор, то есть вырабатывает дополнительный электрический ток.

Современная техника, в основном ядерная энергетика, требует огромного количества тяжелой воды, которая служит прекрасным замедлителем нейтронов в ядерных реакторах и источником для получения дейтерия.

Тяжелую воду можно получить электрохимическим способом – электролизом обычной воды. Дело в том, что в молекуле воды атом дейтерия связан с атомом кислорода прочнее, чем атом водорода. А в растворе ион дейтерия двигается медленнее, чем ион водорода. Поэтому во время электролиза разлагается в основном обычная вода, а тяжелая вода накопляется в остатке. Высококонцентрированные растворы тяжелой воды можно разделить фракционной перегонкой и получить 100-процентную тяжелую воду.

Но специально разлагать воду электролизом с целью получения тяжелой воды не выгодно. Поэтому тяжелую воду выделяют из остатков в электролизерах при получении водорода, кислорода, хлора, едкого натра и т.п.

Электрохимия приходит также на помощь в деле охраны окружающей среды. При очистке сточных вод и отработанных газов применяется электролиз.

Второй вид помощи, который оказывает электролиз в борьбе за охрану окружающей среды, связан с возможностью заменять производства с выделением вредных, загрязняющих окружающую среду веществ, электрохимическими производствами, где загрязнение намного меньше. Очевидно, например, гидрометаллургические производства намного чище пирометаллургических, в результате работы которых выделяются и теплота, и пыль, и дым.