Электроны – отрицательно заряженные частицы – являются составной частью любого атома, и взаимодействие электронов различных атомов представляет собой основное содержание химии. Поскольку электрический ток есть не что иное, как поток электронов, не удивительно, что химия и электричество тесно связаны между собой.

Ранние исследования

Исследования в области химии и электричества шли рука об руку задолго до того, как стало что-либо известно о существовании электронов. В XVIII в. было получено много интересных сведений о статическом электричестве, что, в частности, привело к созданию «лейденской банки» и громоотвода (молниеотвода). В конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани обнаружил, что мышца лапки лягушки сокращается, если одновременно к ней прикасаются два разных металла. Так был открыт электрический ток. В 1795 г. другой итальянец, Алессандро Вольта (1745-1827), показал, что это «животное» электричество может быть получено и без живой материи. Он разделил две пластины из разных металлов тканью, смоченной раствором соли, изготовив таким образом первую электрическую батарею. В последующие пять лет, работая уже в Англии, он обнаружил, что электрический ток от такой батареи разлагает воду на газообразные водород и кислород. Это положило начало электрохимии. Вскоре электрические батареи стали существенной частью оборудования любой химической лаборатории, что привело к новым открытиям. Так, в первом десятилетии XIX в. Гемфри Дэви получил электролизом металлические натрий и калий.

Химические реакции

Рассмотрим, например, цинк. В основном при образовании соединений цинка каждый его атом теряет 2 электрона, и возникает положительный ион цинка с зарядом +2 (Zn²⁺). Металлы отличаются по своей способности отдавать электроны. Если цинковую пластину поместить в раствор сульфата меди (содержащий ионы Сu²⁺), то электроны перейдут от цинка к ионам меди и цинк превратится в сульфат цинка (содержащий ионы Zn²⁺), а сульфат меди – в металлическую медь.
Если атом элемента приобретает электроны, образуя отрицательные ионы, то говорят, что элемент восстанавливается; если же атом теряет электроны, образуя положительные ионы, то говорят, что элемент окисляется. Реакции, в которых процессы восстановления и окисления взаимно компенсируют друг друга, как, например, при взаимодействии цинка с сульфатом меди, называют окислительно-восстановительными.
Используя электрический ток, можно добиться, чтобы процессы окисления и восстановления протекали раздельно. С этой целью электрическую батарею делают таким образом: в один сосуд помещают металлический цинк и раствор сульфата цинка, в другой – металлическую медь и раствор сульфата меди. Если эти растворы соединить влажной пористой пластиной, а металлические пластины проволокой, то по проволоке пойдет электрический ток. В каждой из двух частей такого прибора протекает лишь половина реакции. Соединив эти части проводниками, мы получим гальванический элемент.
Электрическое напряжение, создаваемое гальваническим элементом, зависит от химического состава электродов и электролита. Логично и другое положение: одно и то же количество электронов должно вызывать одинаковые количественные изменения в реагирующем веществе. Количественные соотношения в реакциях, происходящих под действием электрического тока, были установлены в XIX в. Майклом Фарадеем. Электрический ток часто используют для выделения и электроосаждения металлов, а также получения реакционно-способных электроотрицательных элементов типа хлора или фтора.

Электролиз

В ряде случаев образование в процессах электролиза тех или иных веществ зависит от конкретных условий электролиза. Если электролизу подвергнуть расплавленный хлорид натрия, то на одном электроде образуется металлический натрий, а на другом выделяется газообразный хлор. Однако, если в качестве электролита взять раствор того же хлорида натрия и анод сделать графитовым, а катод – железным, то на электродах образуются газообразные водород и хлор, в растворе же после электролиза останется гидроксид натрия.
Ионы различных элементов могут быть положительными (катионы) или отрицательными (анионы). В растворе, который подвергается электролизу, катионы притягиваются к катоду, анионы – к аноду. Если алюминиевый анод погрузить в раствор кислоты, то на его поверхности в результате окисления образуется очень тонкий слой оксида алюминия. Такое анодное окисление защищает поверхность алюминия от коррозии и широко используется при изготовлении разнообразных изделий.
В повседневной жизни мы повсюду сталкиваемся с реакциями окисления. К ним, например, относится сгорание топлива (нефтепродуктов) в автомобильных двигателях. Можно сделать так, чтобы энергия реакции окисления превращалась не в тепло, а непосредственно в электрический ток. Подобное происходит в топливном элементе. Теоретически такие элементы должны значительно эффективнее преобразовывать энергию, чем тепловые машины. Однако пока стоимость топливных элементов слишком высока, поэтому они находят ограниченное применение лишь в некоторых специальных областях.
К числу промышленных применений электрохимии относится металлизация изделий путем электролиза. Так, с помощью электроосаждения декоративные покрытия из серебра и золота наносятся на ювелирные изделия, а покрытия из хрома – на стальные изделия (обычно на предварительно нанесенные тонкие слои меди и никеля), что повышает их устойчивость к коррозии.