Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков

при электролизе воды — побочный процесс. Но разве можно переоценить важность самого кислорода? Когда-то Берцелиус сказал: «Кислород является центром, вокруг которого вращается вся химия». Это высказывание применимо и к промышленной химии: трудно найти химическое производство, в котором не использовались бы окислительные свойства кислорода воздуха. Для интенсификации процессов все чаще применяют чистый кислород. Особенно распространены такие процессы в цветной и черной металлургии, где они дают большой экономический эффект. Так, применение обогащенного кислородом дутья на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате позволило значительно снизить расход топлива и флюсов и в конечном счете, несмотря на затраты, связанные с производством кислорода, дало многомиллионную экономию.

Электролиз воды может быть особенно рентабелен, когда нужно, помимо водорода и кислорода, получать еще и тяжелую воду, используемую как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Тяжелая вода была впервые получена в середине 30-х годов американцем Гильбертом Льюисом (1875—1946) и Александром Ильичем Бродским (1895—1969) именно методом электролиза. Оказалось, что она разлагается током в пять раз медленнее обычной и поэтому концентрируется в электролизере.

Вернемся, однако, к водороду. Учитывая, что он важен не только как химический продукт, но и как топливо для двигателей внутреннего сгорания и для топливных элементов, ученые ищут способы повышения рентабельности его электролитического производства. Это ведь самое, как мы уже сказали, калорийное и экологически чистое горючее. Есть ли у электролитического водорода будущее, пока неясно: он дорог. Но ясно, что последнее слово в получении водорода еще не сказано. Привлекателен и, возможно, перспективен способ прямого преобразования солнечной энергии в химическую — фотолиз. При попадании кванта света на полупроводник генерируются свободные электроны; покидая свое место, они оставляют «дырку» — носитель положительного заряда.

Благодаря положительным зарядам на фотоаноде выделяется кислород. Пройдя по внешней цепи к металлическому катоду, электроны превращают ион водорода сначала в атомарный, а затем в молекулярный водород. В качестве фотоанода используется двуокись титана, фосфид галлия или другие полупроводники. Достигнутые коэффициенты преобразования еще очень малы, 1,5—2 процента; еще много проблем стоит перед исследователями, но их решение — вопрос времени.

Читателю уже понятно, что все электрохимические процессы являются окислительно-восстановительными, так как сопровождаются потерей или присоединением электронов. При этом на катоде проходят реакции электровосстановления, а на аноде — реакции электроокисления. Синтез сложных неорганических и органических соединений с помощью электролиза получил название электросинтеза. Процессы синтеза, как правило, многостадийны; каждой стадии соответствует определенное значение электродного потенциала. Методом электроокисления получают содержащие кислород соединения хлора с разной степенью окисленности, надсерную кислоту и ее соли, перманганат калия. Более 80 процентов окислителя для реактивного топлива — перекиси водорода и целый ряд других окислителей — гипохлорид натрия, хлораты, прехлораты, хлорная кислота, двуокись марганца и еще ряд соединений, широко используемых в технике и различных отраслях промышленности,— все это продукты электроокисления. Без неорганических окислителей и других веществ, получаемых методами электросинтеза, современную химию и представить себе невозможно.

Электросинтез, электродиализ, электрофорез

Во время работы над электролизом Фарадей обнаружил, что при электрохимическом разложении солей уксусной кислоты идет образование углеводородов. Это был первый случай электросинтеза органического соединения. Такой же электросинтез открыл в 1849 г. и немецкий химик Адольф Кольбе (1818—1884). Занимаясь электролизом щелочных солей алифатических карбоновых кислот, на платиновом аноде среди различных продуктов электролиза он обнаружил насыщенные углеводороды. Это означало, что электрический ток ведет себя как сильный окислитель. Отсутствие в реакторе химических окислителей и восстановителей гарантировало продукты высокой чистоты. В наши дни электросинтез применяют в производстве фармацевтических препаратов, витаминов, душистых веществ, мономеров. В результате окисления на аноде синтезируются некоторые органические кислоты и их эфиры — ценное сырье для синтеза пластмасс. Многие из этих веществ другим путем и получить невозможно. Ценные вещества получаются и на катоде электролизера, где происходят реакции восстановления.

Многообразие реакций в электрохимии органических соединений (электроорганике) необозримо. Этому во многом способствуют электрокаталитические способности электродов, которыми можно управлять. Свойствами катализаторов обладают платина, палладий и некоторые другие металлы, а также оксиды некоторых металлов. Немалое значение имеет и то, что напряжение и ток, при которых происходит синтез, легко регулируются, а это значит, что процесс можно полностью автоматизировать.

В 1861 г. английский исследователь Томас Грэм (1805—1869), один из основателей коллоидной химии, применил диализ для очистки коллоидных систем. Очищаемый раствор он наливал в сосуд, который был отделен от другого сосуда с чистой водой мембраной из пергамента, целлюлозы, коллодия или керамическим фильтром. В результате диффузии все растворимые низкомолекулярные компоненты удалялись через мембрану во внешний раствор. Как выяснилось, диализ значительно ускоряется благодаря наложению внешнего электрического тока. В наши дни электродиализ используется в научных исследованиях. Успехи химии белков и полимеров в немалой степени связаны с применением электродиализа для выделения ионов из соответствующих растворов.

Электродиализ служит для опреснения морской воды, очистки речной и озерной воды, очистки промышленных стоков, шахтной и рудничной воды, фракционирования вакцин, сывороток, для удаления солей из суспензий, паст, минералов. Двухкамерные, трехкамерные, многокамерные электродиализаторы имеют сложную конструкцию. Но схема опреснения морской воды, очистки речной воды или технологических вод в принципе проста. Подлежащую очистке воду подают в среднюю камеру электродиализатора. В электродные пространства через мембраны поступают ионы: катионы — в катодную камеру, анионы — в анодную. Очищенная вода постепенно переливается по сифону в другую камеру, где подвергается новой очистке. Особенно эффективен электродиализ с применением ионитовых мембран. В зависимости от знака электрического заряда на их поверхности эти мембраны пропускают преимущественно или катионы или анионы.

Спустя семьдесят лет, после того как Рейсс открыл электрокинетические явления, электроосмос был применен на практике для сушки торфа, а потом и для сушки древесины. С 60-х годов нашего столетия электроосмос используют для сушки и укрепления грунтов при постройке зданий, для борьбы с оползнями при строительстве плотин, для понижения уровня грунтовых вод, для ремонта железнодорожного полотна и осушки зданий. Разрабатываются способы интенсификации добычи нефти, при которых электроосмос поможет перемещать воду по коллекторам, вытесняя нефть.

Не остается без дела и электрофорез, служащий для разделения сложных органических и высокомолекулярных компонентов раствора. Он находит применение, когда возникает необходимость в получении ровных и прочных покрытий на металлах, которые для этой цели погружают в качестве электродов в суспензию. Таковы, например, декоративные и антикоррозионные покрытия из лакокрасочных композиций, электроизоляционные пленки, пленки окислов на нитях радиоламп.

В земной коре через грунты и горные породы текут подземные воды, а им сопутствуют так называемые потенциалы течения, которыми пользуются геофизики для разведки полезных ископаемых, картографии подземных вод и отыскания путей просачивания воды через плотины.

Потенциалы течения возникают при транспортировке жидкого топлива, при заполнении