Статья: Развитие электрохимических исследований
Нами уже рассматривался вопрос о значении исследований в области генерирования электроэнергии для возникновения технологического процесса нанесения электрохимических покрытий. Наиболее отчетливо пересечение электрохимической и электротехнической задач просматривается при анализе процесса возникновения гальванопластики. Так, Б. С. Якоби отмечал, что его изобретение было случайным следствием работы, проводившейся с целью усовершенствования для практических нужд медно-цинкового элемента Даниеля, с одной стороны, и что оно не могло быть сделано без наличия достаточно мощных и надежных источников тока, какими являлись «постоянные батареи», с другой.
Пересечение традиций просматривается и в работах других ученых, внесших большой вклад в развитие гальванотехники. Например, А. де ла Рив, работая с элементом Даниеля, раньше Б. С. Якоби заметил, что отложение меди на катоде воспроизводит профиль электрода. Лишь то, что он не смог осознать практического значения сделанного наблюдения, помешало ему дальше разработать этот процесс. Э. Вестон, занимавшийся химическим никелированием, и предложивший вводить в электролиты никелирования буфер – борную кислоту – одновременно является изобретателем стандартного химического элемента, носящего его имя.
Создание производственного процесса
(начало 1870-х – середина 1920-х гг.) Началом нового этапа развития гальванотехники стали 1870-е гг. Переход от ремесленной технологии к крупномасштабному гальваническому производству был связан с началом применения в гальванотехнике новых источников тока – динамомашин.
Взаимосвязь развития гальванотехники и электротехники
Переход от вольтова столба к «простым гальванопластическим аппаратам» и далее к разделенной схеме электролиза с использованием «постоянных батарей», значительно расширил возможности гальванотехники, позволив в лабораторных, а затем и кустарных, ремесленных условиях правильно намечать пути проведения процессов, добиваться воспроизводимых результатов, то есть разработать технологию получения электрохимических покрытий.
Однако в 1840-х гг., когда гальванические покрытия только начали применяться, подавляющую часть работ составляли золочение, серебрение и меднение. Основной областью использования покрытий являлось ювелирное дело, поэтому цена электроэнергии, хотя и очень высокая, составляла лишь небольшую часть общей стоимости изделий. Кроме того, малые объемы производства позволяли применять такие несовершенные источники тока, как химические элементы.
С конца 1860-х гг. основную роль в гальванотехнике стали играть более дешевые никелевые покрытия. Отсюда проистекало два следствия: возрастание доли стоимости электроэнергии в общей стоимости изделий и увеличение масштабов работ. С началом широкого применения никелирования гальванические покрытия стали использовать не только с декоративной, но и с более универсальной защитно-декоративной функцией. Это, в свою очередь, привело к тому, что недостатки «постоянных батарей»: малая мощность, непостоянство напряжения, трудоемкость эксплуатации, низкая экономичность,– стали серьезным тормозом развития гальванического производства.
Таким образом, дальнейшее развитие гальванотехники непосредственно зависело от успехов электротехники.
Первые опыты по использованию электромагнитных генераторов при электроосаждении металлов были начаты уже в 1840-х гг. Одним из первых практическое применение получил генератор, сконструированный И. Пикси в 1832 г. и усовершенствованный затем для целей гальванопластики Кларком, Пейджем, Молле и др. В 1842 г. Ж. С. Ульрих сконструировал специально для гальванопластики «магнитоэлектрическую машину». Но работа машины обходилась слишком дорого, и ее применяли недолго. Ф. К. Эльснер писал по этому поводу: «… подобный аппарат никогда не был в состоянии вытеснить гальванические батареи, простой аппарат с животным пузырем … В отношении наук способ этот очень любопытен, что же касается до практики, то не думаю, чтобы он мог войти во всеобщее употребление».
Широкое использование динамомашин в гальванотехнике началось на рубеже 1870–1880-х гг., и, хотя первые их модели имели много недостатков, особенно в конструкции коммутатора, это сразу увеличило масштабы и расширило области применения покрытий. Одной из них стало омеднение стальных телеграфных проводов.
Интересны данные о масштабах гальванического серебрения и об изменении цен на электроэнергию с введением динамомашин на одном из старейших (основано в 1842 г.) и наиболее крупных предприятий, специализировавшихся в области электроосаждения металлов, фирме Кристофль и КО в Париже. Так, при работе с химическими элементами и с динамомашинами стоимость электроэнергии, необходимой для выделения 1 кг серебра, составляла соответственно 3,87 франка и 94 сантима соответственно, то есть снизилась примерно в 4 раза. При годичном потреблении серебра в Париже на начало 1880-х гг. около 25 т на долю только этой фирмы приходилось 6 т. Общее количество серебра, которое в тот же период расходовалось для этих же целей в Европе и США, по ориентировочным подсчетам, составляло ежегодно до 110 –120 т.
В конце XIX – начале XX вв. динамомашины были признаны неотъемлемой частью гальванического производства, и ведущие фирмы: «Лангбейн–Пфанхаузер–Веркен», «Сименс», «Д-р Кампшульте и КО», «Д-р Оскар Хаан, машиненфабрик Юрдиген» и др., сосредоточили их производство и продажу в своих руках.
Чем же, однако, объяснялось то обстоятельство, что получение электрической энергии из механической нашло широкое применение лишь спустя 50 лет после открытия М. Фарадеем электромагнитной индукции и демонстрации им в 1831 г. электрического динамомотора? Согласно Дж Берналу, тут действовали причины не технического, а экономического характера. Дело в том, что первоначально будущее применение электричества видели в области промышленности, в частности в гальванотехнике. Но вся ценность электромотора «зависела… от наличия широко разветвленной цепи снабжения электроэнергией, а это могло быть осуществлено при условии более широкой потребности в данном виде энергии, чем спрос одной только промышленности. Источником такого спроса должна была явиться эволюция коммунального хозяйства… С того момента, как электричество стало вырабатываться и распределяться для целей освещения, оно могло использоваться также и как источник энергии».
Рассмотрим эту проблему и с другой стороны: с точки зрения влияния гальванотехники на становление электротехники.
Продолжая мысль об экономических стимулах развития электротехники в период 1840–1870-х гг., Бернал отмечает, что именно запросы новых областей техники: телеграфии, гальванопластики, дугового освещения, лампы накаливания,– сыграли здесь решающую роль. Что касается важности вклада каждой из этих областей, то существуют две трактовки. Согласно Берналу, гальванопластика в силу своей специфичности обусловливала развитие лишь некоторых сторон электротехники: «Гальванопластика требовала применения сильных токов и стимулировала использование некоторых видов механически получаемого электричества. Это привело к применению первого принципа Фарадея, однако только того, который относится к постоянным магнитам (машина Пикси)… К тому же потребности гальванопластической промышленности никогда не могли быть очень обширными».
С другой стороны, согласно Р. Шелленбергу «…большая часть предыстории электротехники заключается фактически в развитии генераторов для электропокрытий… В 1840–1870 гг. именно гальваностегия и гальванопластика обеспечили рынок для электрического оборудования…».
Таким образом, бурное развитие электротехники, выделение ее в самостоятельную научную и практическую традиции на рубеже 1870–1880-х гг. явилось основным стимулом для перехода гальванотехники на новую ступень – к промышленному производству. Введение динамомашин в начале позволило дешево получать большие количества электроэнергии для основной операции – электролиза, а затем – после организации централизованного энергоснабжения уже в XX в. – революционизировало и вспомогательные процессы.
Другим важным следствием развития учения об электричестве и магнетизме и практической электротехники явилось создание приборов для измерения силы тока и напряжения на ванне – первых показывающих контрольно-измерительных приборов в гальванотехнике.
С середины 1880-х гг. была признана важность хорошего знания электротехники специалистами-гальваностегами: «…желая посвятить себя гальванопластике, должно прежде всего познакомиться с основными законами электричества и изучить гальванические элементы и динамоэлектрические машины, а также приобрести навыки в обращении с приборами, служащими для измерения тока».
Таким образом, при существующем расхождении в оценке степени влияния потребностей гальванотехники на развитие электротехники, взаимосвязь этих областей очевидна. Но, как справедливо отмечал В. Оствальд, хотя техническое развитие «изобретений» гальваностегии и гальванопластики в крупное промышленное производство «стало возможным лишь с изобретением богатых источников электричества, сделавших… возможным и экономически целесообразное производство,.. это последнее изобретение не связано… с принципиальным изменением основ дела, а представляет собой только дальнейшее развитие его технической и коммерческой стороны».
Технико-экономические и социальные предпосылки формирования гальванического производства
Следствием увеличения масштабов научно-технического прогресса, которое было характерно для второй половины XIX в., стало возникновение новых, совершенствование и расширение существующих областей производства. Так, обозначившаяся в начале XIX в. потребность в новых видах транспорта, продолжала возрастать, предъявляя все более жесткие требования к его быстроте и надежности. В результате быстро развивалось велосипедостроение, а с 1895 г. – автомобильная промышленность. В 1890 г. во всем мире было 11 тыс. автомобилей, в 1914 г.– 1826 тыс., в 1921 г.– 10922 тыс..
С первого десятилетия XX в. мировым лидером в автомобилестроении становятся США. С самого начала на автозаводах страны появились гальванические цеха. Вначале отдельные части машин стали покрывать латунью. Но уже в 1913 г. для отделки начали использовать никель, а для высококлассных моделей – даже серебро. В связи с этим орган Американского общества гальваностегов журнал «Метал Индустри» писал: «Никель, нанесенный без подслоя, становится тусклым и легко облупливается… Этому сильнее подвержены стальные детали, чем латунные. В дальнейшем сталь будет еще шире использоваться в дешевых машинах для частей, ранее производившихся из латуни… Это должно положительно повлиять на профессию гальваностега, так как она рано или поздно потребует внимания».
Важной экономической предпосылкой развития некоторых областей производства, в которых также получили применение покрытия, стала Первая мировая война (1914–1918 гг.), когда из-за нарушения поставок железной руды и ряда цветных металлов в воюющие страны возникла острая необходимоссть их экономии. В этой ситуации в машиностроении встал вопрос о замене ставших недоступными или дефицитными цветных металлов, традиционно применявшихся для производства многих изделий, другими, уступающими по свойствам, но имеющимися в распоряжении. При этом качество изделий сохранялось за счет использования очень экономичных покрытий.
Следствием войны явилось также возрастание объема производства металлических изделий, главным образом за счет военных заводов или заводов, работавших на военные ведомства, в связи с чем большое внимание стало уделяться защите металлов от коррозии. Это, в свою очередь, привело к тому, что, вместо старейших функций гальванических покрытий – декоративной и декоративно-защитной, на первый план выступила новая – защитная.
Роль теоретических научных исследований в развитии гальванотехники
Рассмотрение роли научных исследований, главным образом теоретической электрохимии, в развитии гальванотехники показывает, что ведущая роль теории на стадиях лабораторных экспериментов (1800–1838 гг.) и создания технологического процесса (1838 г. – 1870-е гг.) подчеркивается всеми исследователями.
Как же дальше складывались взаимоотношения теории и практики? Если исходить из осознания процесса развития гальванотехники учеными, работавшими в ней в период 1870 – 1920-х гг., то есть «изнутри», складывается следующая картина. С начала века и примерно до конца 1870-х гг. электроосаждение металлов оставалось «делом науки». (Правда, зачастую под этим понималась не ведущая роль науки в развитии гальванотехники как промышленного производства, а лишь то, что процессы электролиза являлись объектами, в основном, лабораторных исследований.) Примерно на рубеже 1870 – 1880-х гг. гальванотехника «оторвалась» от науки. В результате на протяжении последней трети XIX и первой четверти XX в. «не было разработано никаких новых процессов покрытий». Такое же положение сохранилось и в первой четверти XX в. В обзоре, подводившем итоги развития гальванотехники за 1903–1928 гг., ведущий эксперт США в области электрохимических покрытий У. Блюм констатировал: «Трудно указать какой-либо важный метод покрытия, чтобы 25 лет назад, по крайней мере в основном, не была известна его настоящая форма».
Однако, если анализировать не рефлексию гальванотехников относительно связи их области с теоретической наукой, а попытаться провести анализ развития всей – и теоретической, и прикладной – электрохимии на протяжении XIX – первой четверти XX в., то можно прийти к следующим выводам.
На протяжении рассматриваемого периода наблюдалось два всплеска публикаций по электроосаждению металлов: в 1800-х и 1840-х гг. Первый из них был связан с изобретением вольтова столба, второй – гальванопластики и электрохимического золочения. Первоначально исследования по электрохимии публиковались в одних и тех же естественнонаучных изданиях: «Philosophical Magazine», «Comptus Rendus», «Annalen der Phisik» и др. Деление этих работ на теоретические и прикладные весьма условно, поскольку многие изыскания, заложившие фундамент электроосаждения металлов, были выполнены с чисто научными целями. Однако примерно со второй половины XIX в. публикации по гальванотехнике, которая начинает получать статус самостоятельной области производства, постепенно перемещаются в журналы технической направленности: «Dingler Politehn. Journal», «Brass World» и т. п. Окончательное разделение публикаций произошло в первые два десятилетия XX в. и было закреплено созданием электрохимических журналов теоретического и прикладного профиля, а также отдельных электрохимических и гальванотехнических обществ.
Попытаемся проанализировать причины разрыва теоретической и прикладной электрохимии, взглянув на них с несколько иных позиций, чем обычно принято, а именно: с точки зрения развития теоретической электрохимии. Несмотря на некоторые расхождения в построении периодизации этой науки, благодаря работам Ю.И. Соловьева и других исследователей, можно четко выделить два этапа ее истории, границей между которыми являются работы М. Фарадея:
1880 – 1833 гг. – эмпирический этап;
1833 г. – 1870-е гг. – становление электрохимии как науки.
Подчеркнем наиболее важный для нас аспект: в результате работ М. Фарадея, которым были установлены количественные законы электролиза, введена современная электрохимическая терминология и т. д., электрохимия перешла от накопления фактического материала к фундаментальным теоретическим исследованиям. Основными направлениями исследований стали: изучение электролиза и электропроводности растворов, разработка электрохимической теории, изучение причин и механизма возникновения и природы электродвижущих сил гальванических элементов. По всей видимости, именно этот поворот и был основной причиной временного разрыва теоретической и прикладной науки.
Развитие теоретической электрохимии после 1870-х гг. ознаменовалось многими важными достижениями. Выдающимися среди них являлись исследования С. Аррениуса и В. Нернста. До 1925 г., было разработано большинство понятий, составивших впоследствии основу гальванотехники: напряжение разложения, обратимые потенциалы ионизации и разряда, поляризация и ее виды, перенапряжение, явления пассивации и др. Ряд из них получил количественную интерпретацию. Некоторые историки химии считают, что «теоретические основы гальванотехники были созданы, по сути, еще до рубежа столетий».
Насколько вероятно это утверждение? Действительно, казалось бы, все необходимое для создания теоретических основ гальванотехники к началу XX в. уже имелось в недрах теоретической электрохимии. Однако эти понятия и зависимости разрабатывались не как «основы» гальванотехники, а как собственные фундаментальные представления этой науки. При этом возможности теории не простирались дальше изучения идеальных систем. Что касается количественной интерпретации процессов электроосаждения металлов, то зачастую ее еще невозможно было выполнить. Например, оценивая возможность применения теории сильных электролитов в прикладных исследованиях, Дж. Хагебум отмечал в середине 1920-х гг., что разрыв между наукой и производством не удается ликвидировать из-за, с одной стороны, недостаточного уровня развития самой теоретической электрохимии, с другой отсутствия ученых, обладающих как достаточными знаниями по физической химии растворов, так и интересом к электроосаждению.
Таким образом, разрыв между теорией и практикой, наличие которого гальванотехники осознали в 1870 – 1880-х гг., в действительности произошел еще в 1840-х гг. и был связан с наступлением нового этапа развития теоретической электрохимии и изменением в связи с этим ее основных задач.
По нашему мнению, о наличии связи между теоретической электрохимией и гальванотехникой позволяет судить и такой критерий, как влияние потребностей гальванотехники на теоретическую электрохимию. (До 1840-х гг. его не могло не быть, так как весь комплекс исследований по «гальваническому электричеству», как правило, осуществлялся одними и теми же учеными). Однако анализ научной литературы показал, что в период 1840 – 1920-х гг. такой зависимости практически не прослеживается.
Как отразился отрыв от теории на уровне гальванотехнических исследований и разработок? Если говорить об этом с точки зрения изменения подхода к разработке новых видов покрытий, то следует отметить отсутствие принципиальной разницы между исследовательскими программами специалистов, занимавшихся этим в 1830 1840-х и 1870-х гг.
Изучение содержания наиболее известных книг по гальванотехнике, изданных в период с середины 1870-х до середины 1920-х гг. приводит к заключению, что они продолжали носить, главным образом, рецептурный характер. Очень небольшие изменения связаны с выработкой определенной формы рецепта, а также с появившейся возможностью указывать помимо состава ванны и способа ее приготовления еще и условия проведения процесса – напряжение или силу (позднее плотность) тока. При этом увеличение количества рецептов происходило за счет большего привлечения химических, но не электрохимических знаний. Появление в описаниях электролитов концентраций компонентов следует, по-видимому, отнести к завершению формирования в 1850–1860-х гг. метода объемного анализа. Важно подчеркнуть, что основным критерием отбора составов ванн, рекомендуемых для промышленной практики, на протяжении всего периода остается авторитет автора книги (как правило, крупного промышленника – Г. Лангбейн), который сообщает, что ему удалось (или не удалось) добиться хороших результатов с электролитом, предложенным его предшественником.
Развитие гальванотехники в рассматриваемый период не могло идти и за счет связи с другим направлением, внесшим большой вклад в ее зарождение, – получением металлических покрытий неэлектрохимическими способами, поскольку и эта связь также была практически утеряна. Книг, в которых бы различные методы получения покрытий рассматривались и анализировались совместно, почти не было, мало было и исследователей, одновременно работавших в разных областях. Хотя, когда такое совмещение интересов имело место, оно было очень плодотворным (например, Ш. Коупер–Кольс – изобретатель метода горячего цинкования, внесший важные усовершенствования в процесс электрохимического цинкования).
Здесь, правда, необходимо отметить, что уже в 1880-х гг. в связи с созданием крупномасштабного гальванического производства возникла проблема переноса лабораторных разработок в промышленность. Еще В. Пфанхаузер-ст. указывал, что «простота, обнаружившаяся при небольших лабораторных опытах, в определенной степени усложнялась, когда при работах в большом масштабе приходилось учитывать все подробности и побочные процессы».
Таким образом, возникнув на пересечении нескольких различных традиций, гальванотехника уже в начале второй половины XIX в. отошла от них: «...на рубеже двух столетий и позже, вплоть до второго десятилетия XX в., сложилось впечатление, что гальванотехника представляет собой... замкнутую в своем развитии область, в которой нельзя ожидать каких-либо потрясающих новшеств или улучшений».
Подводя итог всему сказанному необходимо подчеркнуть, что до 1920-х гг научные исследования в гальванотехнике носили характер целевых прикладных разработок на основании сформулированных технических задач.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.portal-slovo.ru
