Вклад Луиджи Гальвани в электрохимию

Первые шаги электрохимии

Дом, в котором родился Луиджи Гальвани, и сегодня можно увидеть в центре Болоньи. В его честь названа площадь перед университетом, лицей и даже кратер на обратной стороне Луны. Однако в последние годы жизни учёного выставили из Болонского университета по политическим причинам — за отказ принести присягу наполеоновским сателлитам он был лишён должности руководителя кафедры и вскоре умер.

В прежние столетия узкая научная специализация была редкостью. Поэтому для большинства талантливых людей было совершенно обычным делом заниматься не связанными друг с другом науками. Гальвани изучал богословие и медицину, философию и анатомию. Основная карьера в университете Болоньи охватывала несколько направлений медицины, в частности, строение человеческих костей.

Медицина уступает место физике

Занятия теорией и практикой физиологии привели к открытиям в новой сфере — электрической индукции. Косвенно исследования Гальвани были использованы в литературе — именно наблюдения за "животным" электричеством легли в сюжет книг о Франкенштейне. Точнее, эта писательская фантазия возникла в результате опытов, придуманных племянником Гальвани. На основе теорий своего дяди Дж.Альдини проводил эксперименты с трупами казнённых преступников, которые «оживали» и двигались на глазах изумлённой публики. Впрочем, Альдини превратил эти процессы в шоу, популярное во многих государствах Европы.

Связь между физиологическими процессами и электрическими импульсами была зафиксирована Гальвани во время препарирования лягушки. Впоследствии эту теорию развил Алессандро Вольта. Научные разногласия между двумя учёными не помешали успехам новой науки. Именно Вольта впервые ввёл в физический глоссарий термины, связанные с именем Гальвани. Споры между ними были вызваны различным подходом — один был в первую очередь медиком, а другой — физиком. Открытия возникли не на пустом месте — первые шаги в изучении электричества приходятся примерно на один и тот же период в самых разных странах.

Изучая эксперименты Гальвани, споря с некоторыми его выводами, Вольта создал первый в истории аккумулятор. Естественно, такого названия ещё не существовало. Но именно гальванический элемент положил начало для создания современных накопителей энергии. Несмотря на конструктивные различия, все источники питания действуют по единому принципу, обнаруженному Гальвани и усовершенствованному Вольта. Кстати, имя Вольта тоже можно найти на Лунном глобусе — но уже не на обратной, а на видимой стороне.

В середине восемнадцатого столетия проводились эксперименты с электричеством и на другом конце света — в Северной Америке, тогда ещё зависимой от Великобритании. Бенджамин Франклин впервые обнаружил, что заряды могут быть положительными и отрицательными. Гальвани, как и Франклин, изучал атмосферное электричество — теперь молния уже не казалась такой загадочной и даже "участвовала" в некоторых экспериментах. Для получения природного разряда Гальвани соорудил специальный громоотвод. Впрочем, эти опыты были достаточно рискованными, и понадобилось изрядное везение, чтобы использование сил природы не привело к трагедии.

Долгий путь проб и ошибок

Толчком для новых исследований послужило открытие разности потенциалов. Гальвани обнаружил это явление при изучении контактов различных металлов и электролитов. Гальвани работал со всеми известными источниками электрического разряда — даже со скатами. Один из видов этой уникальной рыбы получил его имя — Торпедо Гальвани. Он объединил явления, о сходстве которых задумывались многие, но не занимались систематизацией:

• атмосферное электричество;
• возможность получить заряд при трении предметов;
• живые существа, способные создавать разряд — скаты и угри.

Результатом наблюдения и опытов стал Трактат о животном электричестве. Алессандро Вольта не просто усовершенствовал эту теорию. Он отмёл всё лишнее и в 1800 году, отстранив часть теории о биологическом «животном» электричестве, создал первый в истории аккумулятор — «Вольтов столб». За основу были взяты разработки Гальвани и использована реакция между двумя металлами, находящимися в жидкой среде.

Теория превращается в практику 

В течение нескольких десятилетий методом проб и ошибок создавалась новая наука, которая сегодня лежит в основе десятков отраслей промышленности. У истоков современной гальванотехники стоял российский учёный Б.С. Якоби. За два столетия гальванотехника из раздела прикладной электрохимии превратилась в одну из наиболее востребованных наук, разделившись впоследствии на гальваностегию и гальванопластику.

В каких отраслях промышленности используется гальваника в ХХI столетии:

1. Электронная промышленность и приборостроение — для защиты контактов единственным надёжным вариантом является именно гальваническое покрытие.
2. Химическая промышленность — её задачи невозможно выполнить без лабораторной посуды, которая не вступает в реакцию с «незапланированными» реагентами.
3. Полиграфия — здесь требуется обработка (покрытие) матриц.
4. Машиностроение (включая авиапром) — это надёжный, проверенный способ защиты деталей.
5. Строительство — когда работы проводятся в сложных погодных условиях, требуется защита от атмосферных явлений.
6. Товары народного потребления — и сюда входит самый широкий каталог, от сантехники до мебели, от посуды до элементов интерьера.
7. В ювелирном искусстве гальванизация помогает драгоценным металлам приобрести новую цветовую гамму и обзавестись визуальными эффектами.

В медицине (помимо использования гальванических процессов непосредственно в лечении) «электрические методы» применяются при изготовлении хирургических инструментов.

Алгоритм гальванического процесса

Деталь очищается от ржавчины, пыли, жира. Следующий шаг — проверка возможных дефектов изделия. Стандартный алгоритм может быть дополнен в зависимости от характеристик обрабатываемого изделия — например, иногда требуется дополнительное отверстия для крепления.

Деталь, которая служит в качестве катода, размещается в ванне (также носящей имя Гальвани). Ёмкость заполнена электролитом, в котором помещены положительно заряженные электроды — аноды. Их задача — в процессе обработки расплавиться и превратиться к гальваническое покрытие Под воздействием электротока положительные частицы равномерно оседают на отрицательно заряженном изделии.

Открытия Гальвани и современная медицина

Опыты в стиле Франкенштейна Дж. Альдини проводил не только для увеселения зрителей, но и пытался лечить сложные для той эпохи болезни. Документально подтверждена его помощь (или попытки помощи) фермеру, которого он в течение нескольких недель лечил ежедневными разрядами тока. С девятнадцатого столетия подобные методы используются для решения самых различных проблем здоровья:

• депрессия;
• онкология;
• язвенные болезни;
• сердечно-сосудистые отклонения;
• воспалительные процессы;
• мигрени.

Теоретически это означает — под воздействием заряженных частиц проблемные клетки (в том числе и опухоли) просто погибают. Альдини получил весьма существенное признание своих заслуг за развитие теории и практики гальваники — не только заработал материальное вознаграждение, но и был посвящён в рыцари за научные достижения.

Исторический эксперимент Гальвани с лягушкой и электрофорной машиной увековечен на итальянских почтовых марках. А некоторые из открытий удостоились места на банкнотах. Последняя из них была эмитирована в 2008 году Госзнаком и посвящена 170-летию со дня изобретения гальванопластики.

Гальваника и технологии XXI века

Гальваническое покрытие — это возможность недорогим металлам или пластику придать необходимые свойства:

• прочность;
• электропроводность;
• антикоррозийные качества;
• стойкость к истиранию;
• презентабельный вид.

Процесс заключается в нанесении тончайшего слоя металла на детали, изготовленные из различных материалов и обладающие сложной конфигурацией. Работа возможна не только с новыми изделиями, сошедшими с конвейера. Нанесение антикоррозионного защитного слоя профессионалы выполняют для восстановления повреждённых элементов: электролиты справляются и с очищением ржавчины. Обработка актуальна при изготовлении и восстановлении крепежей, металлоконструкций, производства микросхем.

3D и завтрашний день обработки металлов

Лёгкий и экономичный пластик всё чаще заменяет дорогостоящие металлические элементы во всех сферах — от машиностроения до создания космических кораблей. Пластик отличается гибкостью, но не прочностью. И в в этом случае приходит на помощь профессиональная гальваническая обработка. Нанесение металлического покрытия требует не только профессиональных знаний, но и применения сложного оборудование.

С точки зрения безопасности при нанесении покрытия необходим целый комплекс защитных мер. Работа возможна только в специально обустроенных цехах по строгому алгоритму. Нанесение гальваники на 3D-печатные детали значительно дешевле, чем их производство традиционными способами — литьём или механической обработкой. В первую очередь это актуально при прототипировании. При этом напечатанные детали водонепроницаемы и устойчивы к обработке во время гальванического процесса в химической ванне.