Гальванотехника: от зарождения химии до нанотехнологий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ  ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»     « Гальванотехника: от зарождения химии до нанотехнологий »   Реферат для сдачи  кандидатского минимума по истории  и философии науки 05.17.03 – Технологические процессы нанесения гальванических покрытий___ (Шифр и название специальности  аспиранта или соискателя)     Подготовил _____аспирант_____     __Давыдова Д.В.__ (аспирант или соискатель)                  (Фамилия, и., о.)   Предварительная экспертиза проведена  «____»_____________2012 г. ___________________                              Дьяков И.А (Подпись научного руководителя)                        (Фамилия, и., о.)   Окончательная проверка реферата проведена  «___»____________2013 г.   Оценка  ______________         _______________________________    ________________________ (зачтено, не зачтено)  (Подпись проверяющего)  (Фамилия, и., о.)   Тамбов, 2013г.

 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение или предыстория……………………………………………………….3

1. Становление науки электрохимии……………………………………………7
2. Отечественная гальванотехника………………………………………….......9
3. Нанотехнологии и наногальваника………..…………………………...........15

Заключение………………………………………………………………….........17

Список используемой литературы……………………………………………...18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение или предыстория

Для того чтобы рассматривать историю такой научной области, как гальванотехника следует в первую очередь найти корни этого крайне важного направления современной науки. Гальванотехника представляет собой подобласть электрохимии. Электрохимия есть раздел химии. Предшественником химии же была алхимия, загадочная и мистическая наука, которая ещё не предвещала тех открытий в области гальванотехники, совершенные в конце 19-го, начале 20-го века. Да и понятия такого во времена алхимиков ещё не существовало. А что же было?

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга.

Практические операции с веществом  являлись прерогативой ремесленной  химии. Начало её зарождения следует  в первую очередь связывать, видимо, с появлением и развитием металлургии.

Попытки теоретического осмысления проблемы происхождения свойств вещества привели к формированию в античной греческой натурфилософии учения об элементах-стихиях. Наибольшее влияние на дальнейшее развитие науки оказали учения Эмпедокла, Платона и Аристотеля. Согласно этим концепциям все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня. Практически одновременно с учением об элементах-стихиях в Греции возник и атомизм, основателями которого стали Левкипп и Демокрит.

Развитие научной мысли привело исследователей к новым поискам, и теперь они уже называли себя алхимиками. Тот период принято называть алхимическим периодом развития химии. Это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. Алхимическая теория, основанная на античных представлениях о четырёх элементах, была тесно переплетена с астрологией и мистикой.

Алхимия получила своё развитие в  трёх основных научных центрах мира: Египет нашей эры, арабский восток и  средневековая Европа.

В Александрии произошло соединение теории (натурфилософии Платона и Аристотеля) и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях; из этого соединения и родилась новая наука — химия. Само слово «химия» обычно считается происходящим от древнего названия Египта — Кем или Хем; изначально слово, по-видимому, должно было означать нечто вроде «египетского искусства».

Теоретической основой арабской алхимии  по-прежнему являлось учение Аристотеля. Однако развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ. Джабир ибн Хайян (Гебер) в конце VIII века разработал ртутно-серную теорию происхождения металлов.

Научные воззрения арабов проникли в средневековую Европу в XIII веке. Работы арабских алхимиков были переведены на латынь, а затем и на другие европейские языки. Среди крупнейших алхимиков европейского этапа можно отметить Альберта Великого, Роджера Бэкона, Арнальдо де Вилланову, Раймунда Луллия, Василия Валентина. Р. Бэкон определил алхимию следующим образом: «Алхимия есть наука о том, как приготовить некий состав, или эликсир, который, если его прибавить к металлам неблагородным, превратит их в совершенные металлы». Но, к сожалению, неутомимые  алхимики  в  своих  поисках  философского  камня   эликсира  и гомункулуса  не  открыли   ни  электричества,  ни  электрохимии.

Начиная с эпохи Возрождения, в связи с развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, изготовление керамики, стекла и красок. В первой половине XVI века в алхимии выделились рациональные течения: техническая химия, начало которой положили работы В. Бирингуччо, Г. Агриколы и Б. Палисси, и ятрохимия, основателем которой стал Парацельс.

Одним из следствий этой научной революции второй половины 17-го века явилось создание новой химии, основоположником которой традиционно считается Р. Бойль. Основной движущей силой развития учения об элементах в первой половине XVIII века стала теория флогистона, предложенная немецким химиком Г. Э. Шталем. Процесс превращения химии в науку завершился открытиями А. Л. Лавуазье. Главным итогом развития химии в период количественных законов стало её превращение в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении. За открытым Лавуазье законом сохранения массы последовал целый ряд новых количественных закономерностей — стехиометрические законы: закон эквивалентов (И. В. Рихтер, 1791—1798), закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1799—1806), закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803), ззакон Авогадро (А. Авогадро, 1811), закон удельных теплоёмкостей (П. Л. Дюлонг и А. Т. Пти, 1819), законы электролиза (М. Фарадей, 1830-е гг.) закон атомов (С. Канниццаро, 1858).

Важным достижением  физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения. Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса). Таким образом, химическая наука подошла к формированию подобласти, называемой электрохимия, которая в свою очередь дала начало гальванотехнике,

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737-1798), относящихся к концу 18 века.

Гальвани интересовался  физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. 18 столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Становление науки электрохимии

Нет  данных  о  том,  что  в  каких  либо  древних  текстах  есть  упоминание  об электрических явлениях искусственного происхождения. На  протяжении  многих  веков человечество  лишь  изумлённо взирало на  проявления электричества,   начиная  от  величественных  грозовых  разрядов  и  кончая  притяжением пушинок  к  янтарю,  получившему  заряд  от  трения  о  шерстяные  одежды.  Нет  никаких данных об использовании электричества и о получении его искусственно.  Впрочем,  на  протяжении  многих  лет в литературе  встречается упоминание  о странной  находке сделанной в регионе современного  Ирака,  и интерпретируемой  как гальваническая батарея.         Впервые багдадскую  батарею описал  немецкий археолог  Вильгельм Кениг (Wilhelm Konig)  в 1938  году. Сегодня точно неизвестно,  раскопал  ли  он  батарею самостоятельно  или обнаружил ее  в запасниках  какого-то музея,  однако  известно,  что она была  найдена в месте Куджут-Рабу (Khujut Rabu)  за  чертой  Багдада.  Багдадскому сосуду  около 2000  лет,  он  состоит  из  глиняного  корпуса  с пробкой  из  битума,  которая  протыкается железными  прутами. Однако считать это научным достижением древности пока не представляется возможным.

Электрохимия как официальная наука связана в первую очередь с явлением электролиза. Оно было открыто в самом начале 19 века. Первые систематические исследования тока в электролитах провел Фарадей в 1833—1834 гг. В этот период Фарадей проводит пятую серию своих знаменитых экспериментальных исследований по электричеству, посвященную законам электролиза.

Фарадей вводит первую электрическую  единицу, «градус электричества», имеющую соответствующий эталонный прибор, который он называет вольта-электрометром.

Измеряя количество отложившихся на электродах веществ при электролизе, Фарадей приходит к следующему заключению: «что бы собой не представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленное тело и т. д.,— для одного и того же количества электричества сумма электрохимических действий есть величина постоянная».

В такой форме впервые  появился первый закон электролиза. Фарадей не ограничился формулировкой  закона. Его конечная цель — выяснение  природы электрохимического разложения.

Систематические электрохимические исследования стало возможным проводить лишь после создания постоянного достаточно мощного источника электрического тока. Такой источник появился на рубеже 18-19 вв. в результате работ уже упоминаемого выше Л.Гальвани и А.Вольты. Вольта в 1800 создал первый химический источник тока — «вольтов столб».

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался  и сам гальванический элемент. Уже  Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со всё большим и большим числом элементов.

Наиболее крупную батарею  в самом начале 19 века построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем.

Влияние электричества  на химические системы сразу заинтересовало многих ученых. Уже в 1800 У.Николсон и А.Карлейль сообщили, что вода разлагается на водород и кислород, когда через нее пропускают электрический ток с помощью платиновой и золотой проволочек, соединенных с «вольтовым столбом». Наиболее важными из ранних электрохимических исследований были работы английского химика Х.Дэви. В 1807 он выделил элемент калий, пропуская ток через слегка увлажненный твердый гидроксид калия.

2. Отечественная гальванотехника

Постепенно в электрохимии выделяется большая отрасль, называемая гальванотехникой. Потребности промышленности говорили о том, что эта область науки должна развиваться. Здесь особняком стоит отечечественная гальванотехника.

Гальванотехника – область  электрохимического производства, включающая «гальваностегию – электрохимические процессы нанесения покрытий металлами и сплавами, которые применяют для защиты изделий от коррозии, защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления механическому износу и поверхностной твёрдости, сообщения антифрикционных свойств, отражательной способности и других целей; гальванопластику – изготовление металлических копий, а также другие способы завершения отделки изделий».

Начало гальванопластики (электроосаждения металлов) и гальванотехники в целом в России, впрочем, как и во всем мире связано с именем Б.С.Якоби (1801-1874 гг.). Якоби родился в Германии – здесь его звали Мориц Герман. В 1835 году он переехал в Россию, г. Дерпт (ныне Тарту), где получил звание экстраординарного профессора гражданской архитектуры Дерптского Университета. Из Дерпта в 1838 г. он переехал в Петербург, принял русское гражданство и женился на русской женщине – Анне Кохановской. Здесь же он сменил немецкое имя Мориц Герман на русское Борис Семенович.

Еще в 1836 г., будучи профессором гражданской архитектуры Дерптского университета, Якоби Б.С. разработал оригинальную конструкцию медно-цинкового гальванического элемента. Элемент включал медный цилиндр (катод) с раствором медного купороса и цинк (анод), опущенный в раствор хлористого натрия или аммония, причем растворы были разделены полупроницаемой перегородкой в виде бычьего пузыря. При действии такого элемента цинк переходил в раствор, образуя соответствующие соли, а медь выделялась в металлическом состоянии (восстанавливалась на катоде) в виде плотных листов медного осадка, которые легко отделялись от цилиндра (катода). Первоначально – он подумал, «что это происходит потому, что медь, из которой был слелан цилиндр, была, быть может, плохо сплющена, или, что служитель, не имея достаточно толстых листов меди, сдвоил их». «Движимый первым побуждением, – пишет Б.С.Якоби, – я призвал служителя и велел ему сказать мне правду, упрекая в том, что он мне плохо служит. Его горячий протест навел меня на мысль – решить вопрос о происхождении этих кусочков, сравнивая их внутреннюю поверхность с внешней поверхностью цилиндра. Начав это исследование, я тотчас же увидел несколько почти микроскопических царапин напильника на обеих поверхностях, точно соответствующих друг другу: вогнутые на поверхности цилиндра и рельефные на поверхности отдельного листка. Гальванопластика, – заключает Якоби, – явилась сделствием этого тщательного исследования». 3 февраля 1837 года Якоби написал известному физику академику Э.Ленцу, что им замечено отложение меди при пропускании электрического тока.