История инженерной деятельности

Химические и электрохимические реакции люди широко используют на протяжении многих веков, вкладывая свои знания и умения в решение сложных задач, в том числе и конкретные инженерные знания. Рассмотрению некоторых аспектов возникновения электрохимии, ее развития, конкретной инженерной деятельности в этой области посвящена настоящая лекция.

1. Зарождение электрохимии и ее становление.

2. Достижения в электрохимии и практическое их применение.

Термин «химия» («хемия») впервые упоминается в трактате Зосимуса – египетского грека из города Панополиса (ок. 400 г. н.э.). В нем Зосимус рассказывает, что «химии», или же «священному тайному искусству» людей обучили демоны, сошедшие с небес на землю. Первая книга, согласно Зосимусу, в которой описывались приемы тайного «искусства», была будто бы написана пророком Хемесом, от имени которого и берет начало «хемия», «химия».

На родине химии – в древнем Египте – тайной «священного искусства» владела каста жрецов. Они были настолько всесильными, что их побаивались даже фараоны. В храмах египетские жрецы, кроме богослужения, занимались также политикой и науками – астрономией, математикой, медициной. Они с большой точностью предвидели солнечные затмения, перемену погоды, проводили сложные расчеты пирамид и других сооружений. Успешно развивалось в Египте и химическое ремесло. Изобретенный жрецами способ бальзамирования умерших (мумификация) еще и сегодня вызывает удивление и восхищение. До наших дней чудесно сохранилось много египетских мумий и среди них знаменитая мумия 18-летнего фараона Тутанхамона. Жрецы владели секретами изготовления косметических препаратов, лекарств, ядов, кирпича, стекла, лаков, красок и т.д.

Успешно развивалась химия и в странах Азии – Месопотамии, Индии, Китае. Металлурги древнего Вавилона выплавляли сурьму и сурьмянистые бронзы уже около 3000 лет до н.э.

При раскопках около Багдада ученые нашли глазурованные керамические горшки, в которые были вставлены медные цилиндры, а в них через битумную пробку – железные стержни. Причем медь оказалась сильно разъеденной. Если в такой цилиндр налить электролит, например, раствор соляной кислоты, то возникает электрический ток. Нет сомнения, что здесь мы имеем дело с древним гальваническим элементом – электрохимическим источником тока.

Одновременно были найдены серебряные изделия с чрезвычайно тонкой и равномерной позолотой. Такую позолоту, по мнению ученых, можно нанести только электрохимическим способом.

Значительные успехи в развитии практической химии, в том числе электрохимии, были достигнуты в Китае. На гробнице китайского полководца Чжао-Чжу, похороненного в 316 г., есть металлический орнамент. Когда химики сделали анализ металла, то оказалось, что он содержит 5 % магния, 10 % меди и 85 % алюминия. Сегодня известно, что алюминий можно получить исключительно электрохимическим способом.

Приведенные факты свидетельствуют, что еще в древности человек стремился познать тайны превращения веществ и достиг немалых результатов, используя химические и электрохимические процессы.

Так как при электрохимических превращениях веществ обязательным условием является участие электричества, то становится очевидным, что развитие электрохимии тесно связано с ассимиляцией достижений в познании электричества. Впервые мысль о глубокой взаимосвязи электрических и химических явлений высказал в 1765 году М.В.Ломоносов: «Без химии путь к познанию истинной природы электричества закрыт».

Электричество, как и химические процессы, было знакомо людям еще в древности. Они обнаружили, что при трении кусочка янтаря о шелковую ткань он приобретает удивительное свойство – может притягивать к себе легкие предметы. Греки назвали янтарь электроном. Отсюда и появилось слово электричество.

Особый интерес к электричеству проявили в XVII–XVIII веках. Тогда же появилась и первая теория о сущности электричества. Ее создатель – знаменитый Бенджамин Франклин – тот самый, известный деятель борьбы за независимость британских колоний в Америке. Самым значительным достижением ученого является попытка выяснить природу электричества. В соответствии с философскими представлениями своего времени о явлениях природы, Франклин ищет материальный носитель электричества, похожий на некоторое вещество – «электрический флюид», который содержится в телах и может переходить из одного тела в другое. По его мнению «электрическая материя» состоит из частиц, которые так малы, что могут легко и свободно проникать в обыкновенную, даже самую плотную материю.

Идею Франклина о существовании мельчайших материальных носителей электричества; «атомов электричества», с доверием встретили многие ученые.

Начались поиски атомов электричества. Следовало отделить их от атомов вещества, открыть и изучить процессы, в которых атомы электричества проявили бы свои свойства. Такая возможность представилась при исследованиях явлений в разряженных газах.

Было установлено, что при прохождении электрического тока в стеклянных трубках, наполненных разряженными газами, проявляются лучи, которые распространяются от катода к аноду. Их назвали катодными лучами.

Немецкий ученый Ф.Леонард установил, что катодные лучи могут проникать через очень тонкое окошко запаянной трубки.

Дальнейшие исследования Уильяма Крукса, Дж. Томсона и других ученых позволили определить, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц, масса которых почти в 2000 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Таким образом стало ясно, что атом не является наименьшей неделимой частицей вещества. Было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. При сообщении атому дополнительной энергии некоторые электроны могут утратить связь с ядром. При этом атомы превращаются в положительные ионы. Оторвавшись от одного атома, электрон может присоединиться к другому, образуя отрицательный ион. Таким образом была подтверждена гипотеза Франклина о существовании «электрического флюида». Им оказался поток электронов в металлах и поток положительных и отрицательных ионов в растворах и расплавах солей, растворах кислот и щелочей.

Первые научные представления о принципах взаимосвязи электрических и химических явлений относятся к концу XVIII – началу XIX века. Итальянский физик А.Вольта, один из основоположников учения об электричестве, в 1793–1801 годах предложил разместить металлы в так называемый электрохимический ряд напряжений в зависимости от того, насколько легко атомы металлов способны окисляться, т.е. переходить в состояние положительных ионов. А побудило его к этому наблюдение итальянского врача А. Гальвани, который обнаружил появление электрического тока в мышцах лапки лягушки (по сокращению мышцы) в тот момент, когда лапка лягушки, подвешенная на медной проволоке, касалась железной сетки. Обнаруженное явление привело к изобретению химического источника электрического тока – Вольтова столба.

С помощью Вольтова столба шведскому химику И. Л. Берцелиусу в 1802 году удалось электрически разложить водные растворы солей, а английскому химику Г. Дэви в 1807 году – расплавы солей.

Изучение таких электрохимических процессов привело к необходимости поиска механизма протекания электрического тока в этих системах.

К объяснению механизма протекания электрического тока в растворах солей ученые шли долго и настойчиво.

Первое и удачное объяснение принадлежит К. Гротгусу. По представлениям Гротгуса, компоненты воды – это частицы, несущие электрический заряд: кислород – отрицательный, а водород – положительный. Длинные цепи последовательно расположенных атомов кислорода и водорода простираются от одного электрода к другому. Крайние атомы этих цепей – на одном конце водород, а на другом кислород, разряжаются на электродах и выделяются в виде газов. Теория Гротгуса отличалась наглядностью и простотой, но не могла до конца объяснить механизм электропроводности растворов.