Столетний закон электрохимии получил обновление. Теперь он стал точнее
Бывает, что даже проверенные временем законы оказываются неточны. Но в этот раз химики смогли исправить досадное упущение
Ключевой деталью гальванических и топливных элементов является электрод. Он находится в контакте с солевым раствором, который содержит положительно и отрицательно заряженные частицы. Если бы вы посмотрели на поверхность электрода вблизи солевого раствора очень-очень близко, то увидели бы все виды взаимодействий.
На поверхности электрода существует нехватка или избыток электронов. Возникающий при этом заряд притягивает ионы из раствора соли, и они начинают собираться в жидкости вблизи электрода. Эта структура зарядов называется двойным электрическим слоем (ДЭС). Если вы измените напряжение в устройстве, ДЭС также изменится. Теория Гуи-Чепмена описывает, как именно распределяется этот заряд. Однако, до сих пор она слабо соответствовала практике.
Почему это важно? Используя теорию Гуи-Чепмена, вы можете предсказать, при каком приложенном напряжении взаимодействия в двойном слое пропадут. Знать это необходимо, чтобы проектировать гальванические элементы и различные измерительные приборы. Вычисления по этой теории могут также помочь в биологии, где электроды используют для проведения манипуляций с белками и клетками.
Как проводилось исследование? Теории Гуи-Чепмена более ста лет и первые эксперименты с ней были проведены на основе ртути. Ученые затем наивно предполагали, что полученные в ходе тех экспериментов данные применимы и к твердым металлам, таким как платина. Но оказалось, что это не так. Как бы ни старались ученые найти точку потенциала нулевого заряда в экспериментах с солевым раствором и платиновыми электродами, им это не удавалось.
Тогда химикам пришла идея снизить концентрацию соли в 10 раз. Никто никогда не делал этого раньше, и тут исследователи смогли найти заветную точку на графике. По словам авторов, тот факт, что им пришлось перейти к чрезвычайно низким концентрациям, говорит о том, что в двойном слое содержится гораздо больше ионов, чем предсказывает теория. На основе этих экспериментов исследователи смогли скорректировать оригинальную теорию так, чтобы она точнее описывала явления не только в ртути, но и в твердых металлах.