Laboratorium chemii fizycznej
i elektrochemii
DZIEJE ZAK£ADU CHEMII FIZYCZNEJ I ELEKTROCHEMII AGH
Adam Bielański*, Jerzy Sędzimir**, Zdzisław Zembura**
Streszczenie. Utworzona w roku 1922 na Wydziale Metalurgicznym Katedra Chemii Fizycznej i Elektrochemii jest jedną z niewielu powstałych wówczas jednostek organizacyjnych naszej Szkoły istniejących do dziś. Od 1962 r. Katedra nosi nazwę Zakładu Chemii Fizycznej i Elektrochemii i wchodzi w skład Wydziału Metali Nieżelaznych. Problematyka badawcza dotyczy fizykochemicznych podstaw procesów hydro- i pyrometalurgicznych, korozji metali itp. Zakład prowadzi zajęcia dydaktyczne - wykłady, seminaria, ćwiczenia laboratoryjne, prace przejściowe, magisterskie itp. - dla studentów szeregu wydziałów.
Początki istnienia Zakładu Chemii Fizycznej i Elektrochemii, stanowiącego obecnie część Wydziału Metali Nieżelaznych AGH, sięgają pierwszych lat działalności naszej Uczelni. Zakład jest jedną z niewielu utworzonych wówczas jednostek organizacyjnych Akademii działających do dnia dzisiejszego. Nazwa Zakładu ulegała kilkakrotnie administracyjnym zmianom(*).
W roku 1922 utworzono na ówczesnym Wydziale Hutniczym Katedrę Chemii Fizycznej i Elektrochemii, której kierownictwo powierzono profesorowi Uniwersytetu Jagiellońskiego Bohdanowi Szyszkowskiemu. Był on wybitnym badaczem oraz powszechnie uznanym autorytetem zarówno w dziedzinie struktury elektrolitów, jak fizykochemii zjawisk powierzchniowych.
W początkowym okresie studenci odbywali laboratoryjne zajęcia z chemii fizycznej w pracowniach UJ. Dopiero w roku 1931 stało się możliwe podjęcie działalności dydaktycznej i badawczej w oddanym w tym czasie do użytku nowym gmachu Akademii Górniczej.
Następcą zmarłego w roku 1931 profesora Szyszkowskiego na stanowisku kierownika Zakładu (Katedrę przemianowano bowiem na Zakład) został profesor Adam Skąpski.
prof. Adam Stanisław Skąpski [1]
Zainicjował on obszerny program badań wiążących się ściśle z problematyką metalurgiczną.W pierwszym rzędzie należy tu wymienić prace, których celem było jakościowe i ilościowe oznaczanie wtrąceń niemetalicznych w stali. Profesor Skąpski oraz jego współpracownicy Aleksander Kotliński i Wacław Gosławski udoskonalili metodę wyodrębniania wtrąceń niemetalicznych na drodze anodowego roztwarzania próbek stali. Nowością było znalezienie sposobu natychmiastowego izolowania wyodrębnionych wtrąceń od elektrolitu. Zabezpieczało to przed przemianami wtrąceń w wyniku reakcji wtórnych. Opracowano również oryginalną metodę analitycznego oznaczania współwystępujących w wyodrębnianym osadzie wtrąceń siarczkowych, tlenkowych oraz krzemianowych. Uzyskane wyniki doprowadziły do sformułowania tezy, że obecna w stali siarka jest związana częściowo z miedzią (zawartą we wprowadzanym do staliw procesie martenowskim złomie). Celem weryfikacji tej hipotezy rozpoczęto szeroko zaplanowane badania termodynamicznych własności siarczków miedzi, żelaza i manganu. Niestety zostały one przerwane przez wybuch wojny w 1939 roku.
Drugi kierunek rozpoczętych przez prof. Skąpskiego badań dotyczył elektrochemicznej korozji stali. Zajmowano się przy tym zarówno stroną poznawczą zagadnienia, np. mechanizmem procesów korozyjnych wynikających z działania ogniw lokalnych tworzonych z udziałem wtrąceń niemetalicznych, pasywacją metali (Eugeniusz Chyżewski), jak również opracowywaniem praktycznych metod oznaczania odporności korozyjnej.
Dynamicznie rozwijająca się działalność Zakładu została przerwana w roku 1939 przez wybuch wojny. Prof. Skąpski, który w wynik ewakuacji znalazł się na wschodzie Polski, spędził następnie ponad rok w stalinowskim łagrze. Po wojnie niestety nie powrócił do kraju , co było dużą stratą dla nauki polskiej, lecz podjął działalność badawczą w USA. Zmarł w Nigerii, gdzie działał jako doradca tamtejszego rządu do spraw organizacji nauczania na poziomie uniwersyteckim.
W okresie wojny laboratoria Zakładu zostały zniszczone przez okupanta, który zajął główny gmach Akademii na siedzibę władz Generalnego Gubernatorstwa, a jeden z pracowników Zakładu, Marek Sobiecki, został zamordowany w więzieniu przez gestapo.
W związku z tym, że prof. Skąpski nie wrócił do kraju, kierownikiem Zakładu Chemii Fizycznej i Elektrochemii mianowano, w roku 1946, jednego z jego współpracowników - profesora Juliana Kameckiego. Pracę w Zakładzie podjęli również , należący do przed wojennego zespołu, profesor Adam Bielański oraz Alaksander Kotliński. Rozpoczęto z dużą energią odbudowę pomieszczeń Zakładu, kompletowanie aparatury i materiałów, podejmując jednocześnie działalność badawczą. W badaniach tych można wyróżnić cztery głowne kierunki.
Pierwszy z nich obejmował termodynamikę, kinetykę i mechanizm termicznego rozkładu hydratów i węglanów (reakcje przebiegające podczas prażenia rud, kamienia wapiennego itp.).
Równoległe stosowanie analizy termicznej oraz analizy termowagowej (równoczesne stosowanie tych metod nie było jeszcze wówczas rozpowszechnione) przyczyniło się do uzyskana odpowiedzi nba szereg nie wyjaśnionych dotąd zagadnień. Szczególnie interesujące rezultaty uzyskano badając rozkład termiczny pięciowodnego siarczanu miedzi oraz prowadząc badania rozkładu termicznego kalcytu, magnezytu i dolomitu. Do tej grupy prac należy również zaliczyć badania nad prowadzonym w obecności węgla prażeniem redukującym anhydrytu.
Drugą grupę tematyczną stanowią badania korozji i metod zapobiegania korozji metali. W pracach tych zajmowano się zarówno teorią , jak i praktyczną stroną procesów, takich jak : fosforanowanie i chromianowanie żelaza i cynku, elektropolerowania metali, anodową pasywacją itp. Uzyskane wyniki pozwoliły ustalić optymalne warunki przebiegu procesów technologicznych, jak również umożliwiły wyjaśnienie niektórych problemów związanych z teorią anodowego roztwarzania metali.
Trzeci kierunek badań nawiązywał do procesów technologicznych, których podstawą były reakcje elektrochemiczne. Badania kinetyki wytrącania metali z wodnych roztworów ich soli działaniem mniej szlachetnych metali (cementacja) doprowadziły do wniosku , że powierzchnia wytrąconego metalu spełnia rolę katody. Wyprowadzono i sprawdzono, wykorzystując wyniki przeprowadzonych doświadczeń, pół empiryczne równanie opisujące kinetykę cementacji. Należy tu również wymienić badania nad anodowym utlenianiem soli żelazawych.
Prof. Kamecki zapoczątkował również badania elektrolizy stopionych soli. Zostały one następnie rozwinięte i są obecnie kontynuowane w laboratorium PAN przez profesora Leszka Suskiego, który był asystentem prof. Kameckiego.
Ostatnia grupa problemów obejmuje konduktometryczne, potencjometryczne i amperometryczne badania przebiegu reakcji między kwasem fosforowym oraz wodorotlenkami metali alkalicznych i ziem alkalicznych, badania struktury wodnych roztworów soli talu itp. Do tej grupy należy również zaliczyć polarograficzne badania odwracalności procesów elektrodowych. Ubocznym wynikiem tej grupy badań było opracowanie szeregu metod analitycznych.
Profesor Kamecki opracował skrypt z chemii fizycznej, przeznaczony dla studentów Wydziału Hutniczego oraz był współautorem podręcznika do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii fizycznej.
Ciężka choroba, spotęgowana pobytem w niemieckim obozie koncentracyjnym, była przyczyną przedwczesnego zgonu, w wieku 46 lat, profesora Kameckiego (1955 r.).
Współpracownicy prof. Kameckiego, prof. Jerzy Sędzimir oraz prof. Zdzisław Zembura, kontynuują badania elektrochemiczne głównie w zakresie korozji oraz.teorii procesów hydrometalurgicznych. Należy wymienić następujące główne grupy tematyczne:
- Badania wpływu pH, temperatury itp. , na szybkość korozji żelaza , cynku i miedzi, w różnych elektrolitach, w obecności tlenu lub w roztworach odpowietrzonych. Posłużenie się metodą wirującego dysku (prof. Zembura był pionierem stosowania tej metody) stworzyło możliwość jednoznacznego określania rodzaju cznnika decydującego o kinetyce badanych procesów (kontrola aktywacyjna, mieszana lub dyfuzyjna). Niezależnie wykonywane oznaczenia granicznych prądów redukcji jonów wodorowych lub redukcji tlenu, oznaczenia lepkości roztworów itp., dostarczyły danych umożliwiających ilościową weryfikację wniosków, dotyczących czynnika limitującego szybkość rozpatrywanych procesów korozyjnych. Weryfikację prowadzono nawiązując do równania Lewicza.
- Badania kinetyki i mechanizmu selektywnego roztwarzania stopów. Przedmiotem badań były różnr rodzaje mosiądzów (jedno- lub dwu - fazowych). Stosowano szeroki zestaw metod badawczych :metody elektrochemiczne, rentgenografię, spektroskopię Augera, scanningowy mikroskop elektronowy itp. Opierając się na uzyskanych wynikach zaproponowano model przebiegu odcynkowania mosiądzów. Przyjmuje on, że czynnikiem decydującym o wypadkowej szybkości procesu jest zarodkowanie nowej fazy.
- Badania nad zachowaniem się srebra w procesie elektrochemicznej rafinacji miedzi. Stwierdzono, że srebro, obecne w miedzi anodowej w postaci przesyconego roztworu, ulega współ roztwarzaniu z miedzią, następnie zaś wycementowuje się na anodzie w postaci czystego metalu. Wykazano że zawartość srebra elektrochemicznie przenoszonego nie powinna przekraczać, w miedzi katodowej , 10 ppm.
- Badania nad katodowym współ osadzaniem śladowych ilości domieszek w procesie elektrochemicznej rafinacji metali. Zagadnienie to analizowano posługując się znanymi równaniami opisującymi przebieg krzywych polaryzacyjnych.
- Zagadnienie strat i odzysku srebra w procesie elektrochemicznej rafinacji tego metalu. Badania redukcji AgCl działaniem cynku lub aluminium wskazały na celowość modyfikacji stosowanej obecnie w przemyśle metody. Uzyskane wyniki pozwoliły również wyjaśnić niektóre problemy dotyczące mechanizmu katodowej redukcji chlorku srebra.
-Badania pasywacji anod w procesie elektrochemicznej rafinacji miedzi . Zakładając że efekt ten jest wywołany wytrącaniem się warstwy siarczanu miedzi na powierzchni anody, wyprowadzono półempiryczne równanie opisujące zależność "czasu pasywacji" od gęstości prądu, składu roztworu itp. Przeprowadzono weryfikację tego równania opierając się na wynikach wykonanych doświadczeń.
- Badania hydrometalurgicznych metod odzysku metali nieżelaznych z zawierających miedź złomów. Badano amoniakalną ekstrakcję oraz odzysk metalu z tak otrzymywanych roztworów za pomocą ciekłych wymieniaczy jonowych.
Wykonano również szereg prac wykraczających poza podaną wyżej problematykę. Na przykład należy tu wymienić następujące badania: kinetyki reakcji żelaza z ciekłym cynkiem, katodowego współ osadzania metali, korozji oraz zapobiegania korozji proszków metalicznych, roztwarzania trudno rozpuszczalnych soli (kinetyka i równowaga) itp.
Zapisy w książce egzaminacyjnej wskazują, że pracownicy Zakładu prowadzili zajęcia dydaktyczne z zakresu: chemii fizycznej, chemii analitycznej, korozji oraz teorii procesów hydrometalurgicznych dla ponad jedenastu tysięcy studentów (do roku 1939 około 550). W okresie powojennym trzech pracowników Zakładu uzyskało stopień doktora habilitowanego oraz przeprowadzono blisko dwadzieścia przewodów doktorskich. Liczbę prac dyplomowych wykonanych w Zakładzie ocenia się na ponad dwieście.
W okresie powojennym pracownicy Zakładu ogłosili drukiem ponad sto osiemdziesiąt prac badawczych , ponad pięćdziesiąt prac referatowych , opracowali osiem skryptów i podręczników, oraz uzyskali 12 patentów. Wyniki badań prowadzonych w Zakładzie referowano na wielu konferencjach naukowych w kraju i zagranicą.
*Wydział Chemii UJ, PAN
** Instytut Metalurgii Metali Nieżelaznych AGH
(*) 1922 - 31 Katedra Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Hutniczym; 1931 - 1939 - 1951 Zakład Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Hutniczym; 1951 - 1962 Katedra Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Metalurgicznym; 1962 - 1967 Katedra Chemii Fizycznej Metalurgii Metali Nieżelaznych na Wydziale Metali Nieżelaznych; 1967 - 1969 Katedra Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Metali Nieżelaznych; 1969 - Zakład Chemii Fizycznej na Wydziale Metali Nieżelaznych. W 1980 część Zakładu Chemii Fizycznej została wydzielona jako Zakład Hydrometalurgii
Wyniki badań, kontynuowanych, w latach 1990 - 94 w zakresie tej samej problematyki, przedstawiono w ponad dwudziestu publikacjach oraz szeregu referatach wygłoszonych na konferencjach naukowych.
Od roku 1994 kierownikiem Katedry, po przejściu prof. Jerzego Sędzimira na emeryturę, jest prof. Krzysztof Fitzner.
[1] A. Bielański: Od Krakowa do Lagos, Polska Akademia Umiejętności, Prace komisji Historii Nauki PAU, Tom X, Kraków 2010.