Электрохими: Орчин үеийн амьдралд үндэс суурь ба хэрэглээ
Пендахулуан
Электрохими нь химийн урвал ба цахилгаан гүйдлийн хоорондын хамаарлыг судалдаг химийн салбар юм. Энэ салбарын гол анхаарал нь химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргах, мөн эсрэгээр нь хувиргах явдал юм. Электрохими нь батерей, түлшний элементээс эхлээд металл цэвэршүүлэх, химийн бодисын электросинтез хүртэл орчин үеийн амьдралын олон талбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ нийтлэлд электрохимийн үндэс суурь, түүний ажиллах зарчим, бидний амьдрах, ажиллах хэв маягийг өөрчилж буй чухал хэрэглээг авч үзэх болно.
Электрохимийн үндэс
Исэлдэн ангижрах урвал
Электрохими нь исэлдэлт-буурах (исэлдэн ангижрах) урвалуудтай нягт холбоотой. Эдгээр урвалд электронууд нэг төрлөөс нөгөөд шилждэг. Электрон алддаг төрлийг исэлддэг гэж нэрлэдэг бол электрон авдаг төрлийг буурдаг гэж нэрлэдэг. Исэлдэн ангижрах урвал бүр нь хоёр хагас урвалаас бүрдэнэ: исэлдэлтийн хагас урвал ба бууралтын хагас урвал.
Электродын потенциал
Хагас урвал бүр нь тодорхой электродын потенциал буюу хүчдэлтэй байдаг бөгөөд энэ нь тухайн зүйлийн исэлдэх эсвэл буурах хандлагыг хэмждэг. Стандарт электродын потенциалыг 0 вольтын потенциалтай гэж тодорхойлсон стандарт устөрөгчийн электрод (SHE)-тэй харьцуулан тодорхойлдог.
Фарадейгийн хууль
Электрохими нь Фарадейгийн хуулиудаар зохицуулагддаг бөгөөд энэ нь хэрэглэсэн цахилгааны хэмжээ болон буурсан эсвэл исэлдсэн бодисын хэмжээ хоёрын хоорондох тоон хамаарлыг илэрхийлдэг. Фарадейгийн нэгдүгээр хуульд электрод дээр тунадасжсан эсвэл ууссан бодисын масс нь уусмалаар дамжин өнгөрөх цахилгаан цэнэгийн хэмжээтэй пропорциональ байна гэж заасан байдаг. Фарадейгийн хоёрдугаар хуульд ижил массын хувьд бодисын тунадасжсан хэмжээ нь бодис бүрийн исэлдэн ангижрах урвалд оролцдог электронуудын тооноос хамаарч өөр өөр байдаг гэж заасан байдаг.
Гальваник эсүүд ба электролитийн эсүүд
Электрохими нь цахилгаан элементийн хоёр үндсэн төрлийг хамардаг: гальваник элемент ба электролит элемент. Гальваник элемент нь батерейд байдаг шиг химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Үүний эсрэгээр электролит элемент нь цахилгаан энергийг ашиглан аяндаа явагдахгүй химийн урвалыг явуулдаг бөгөөд тэдгээрийг ихэвчлэн металл цэвэршүүлэх, электросинтезд ашигладаг.
Электрохимийн хэрэглээ
Батерей ба аккумлятор
Батерей бол электрохимийн хэрэглээний хамгийн түгээмэл жишээ юм. Батерей нь гальваник элементийн зарчмаар ажилладаг бөгөөд аяндаа исэлдэн ангижрах урвал нь цахилгаан энерги үүсгэдэг. Хар тугалган хүчлийн батерей (аккумулятор), лити-ион батерей, шүлтлэг батерей зэрэг янз бүрийн төрлийн батерей байдаг. Төрөл бүр өөрийн гэсэн давуу болон сул талуудтай, мөн тодорхой хэрэглээтэй байдаг. Жишээлбэл, лити-ион батерейг өндөр энергийн нягтрал, маш сайн цэнэглэх чадвартай тул гар утас, зөөврийн компьютер зэрэг зөөврийн электрон төхөөрөмжүүдэд өргөн ашигладаг.
Түлшний элемент
Түлшний элемент гэдэг нь түлшний (ихэвчлэн устөрөгч) химийн энергийг хүчилтөрөгчтэй электрохимийн урвалд оруулж цахилгаан болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Түлшний элемент нь уламжлалт цахилгаан станцуудаас илүү үр ашигтай бөгөөд бага ялгаруулалт үүсгэдэг. Түлшний элементийг цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд болон байгаль орчинд ээлтэй өөр эрчим хүчний эх үүсвэр болгон улам бүр ашиглаж байна.
Электролиз
Электролиз гэдэг нь цахилгаан гүйдэл ашиглан аяндаа бус химийн урвал үүсгэх үйл явц юм. Нэг хэрэглээ нь металл цэвэршүүлэх үйлдвэрлэлд, тухайлбал бокситын хүдрээс хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхэд оршино. Электролизийг мөн натрийн хлоридын уусмалаас хлор, натрийн гидроксид үйлдвэрлэх, мөн уснаас устөрөгч үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
Зэврэлт ба катодын хамгаалалт
Инженерчлэл болон барилгын салбарын гол асуудлуудын нэг бол зэврэлт бөгөөд энэ нь хүрээлэн буй орчинтой электрохимийн урвалын улмаас материалын задралын үйл явц юм. Зэврэлт нь бүтцийн ихээхэн хохирол учруулж, эдийн засгийн алдагдалд хүргэдэг. Катодын хамгаалалт нь зэврэлтээс урьдчилан сэргийлэхэд ашигладаг арга бөгөөд зэврэлт үүсгэдэг исэлдэн ангижрах урвалыг зогсоохын тулд цахилгаан гүйдэл хэрэглэдэг. Энэ аргыг дамжуулах хоолой, сав, усан доорх байгууламжийг хамгаалахад өргөн ашигладаг.
Электрохимийн мэдрэгч
Уусмал дахь бодисын тодорхой концентрацийг илрүүлж, хэмжихэд электрохимийн мэдрэгчийг ашигладаг. Чихрийн шижинтэй хүмүүсийн цусан дахь сахарын хэмжээг хянах зорилгоор ашигладаг глюкометр нь электрохимийн мэдрэгчийн хэрэглээний жишээ юм. Эдгээр мэдрэгч нь мэдрэгч электрод дээрх глюкоз ба урвалжийн хоорондох исэлдэн ангижрах урвалаар үүссэн цахилгаан гүйдлийн өөрчлөлт дээр үндэслэн ажилладаг.
Хаягдал боловсруулах
Электрохимийн технологи нь ус болон бохир усыг цэвэршүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, электрокоагуляци нь бохир уснаас бохирдуулагч бодисыг тунадасжуулахын тулд цахилгаан гүйдэл ашигладаг арга юм. Энэ нь хүнд металл, органик бодис, бичил биетнийг уснаас зайлуулах үр дүнтэй арга юм.
Эрчим хүчний хадгалалт
Сэргээгдэх эрчим хүчний салбарт анхаарал хандуулах нь нэмэгдэж байгаатай холбогдуулан эрчим хүч хадгалах нь судалгааны чухал чиглэл болж байна. Редокс урсгалын батерей нь эрчим хүчийг хоёр тусдаа электролитийн уусмалд хадгалдаг, илүү том хэмжээний эрчим хүч хадгалах боломжийг олгодог батерейны нэг төрөл юм. Энэхүү технологи нь нарны болон салхины эрчим хүч зэрэг сэргээгдэх эх үүсвэрээс эрчим хүч хадгалахад тохиромжтой.
Хамгийн сүүлийн үеийн хөгжил
Электрохимийн судалгаа хурдацтай хөгжиж байгаа бөгөөд шинэ нээлтүүд нь инновацийн томоохон боломжийг нээж байна. Нэг идэвхтэй чиглэл бол илүү аюулгүй, илүү үр ашигтай, байгаль орчинд ээлтэй батерейг хөгжүүлэх явдал юм. Шинэ катодын материал, хатуу төлөвт электролит, модульчлагдсан сав баглаа боодлын технологийн судалгаа хийгдэж байна.
Өөр нэг шинээр гарч ирж буй салбар бол наноэлектрохимийн судалгаа бөгөөд электрохимийн урвалыг нанометрийн хэмжээнд удирддаг. Энэ нь мэдрэгч, жижигрүүлсэн электрон төхөөрөмж, эрчим хүчний илүү үр ашигтай хэрэглээний шинэ боломжийг нээж өгч байна.
Дүгнэлт
Үндсэн зарчим, өргөн хэрэглээтэй электрохими нь технологийн дэвшлийг хөдөлгөж, амьдралын чанарыг сайжруулахад орлуулшгүй үүрэг гүйцэтгэсэн. Электрон төхөөрөмжүүдийг тэжээдэг батерейгаас эхлээд цэвэр эрчим хүчний ирээдүйг амладаг түлшний эсүүд, ус цэвэршүүлэх технологиос эхлээд бүтцийг зэврэлтээс хамгаалах хүртэл электрохими нь бидний амьдралын олон талбарт нөлөөлдөг. Судалгаа, инноваци үргэлжлэн хөгжихийн хэрээр ирээдүйн дэлхийн сорилтуудыг шийдвэрлэхэд электрохимийн боломжийг ашиглах илүү олон нээлтүүд гарна гэж бид найдаж байна.
