ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Утверждаю
_____________________
Руководитель ООП
по направлению 150400
зав. кафедрой металлургии
проф.
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доц.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Составитель: доц. Ю. А.ЗАЙЦЕВ
Кафедра металлургии
1. Цели и задачи дисциплины
Цель курса – выработать у студента навыки профессионального подхода к решению теоретических и прикладных вопросов, возникающих при изучении и реализации существующих и возможных электрохимических и электрометаллургических технологических процессов, связанных с прохождением тока через растворы водных и неводных электролитов.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
"Теория электрометаллургических процессов" наряду с дисциплинами "Теория пирометаллургических процессов" и "Теория гидрометаллургических процессов" относится к вариативной части дисциплин профессионального цикла, формирующих профессионально-технологическую подготовку будущих бакалавров. Для успешного освоения этой дисциплины необходимо знание основ физики, математики, неорганической и физической химии, а также умение пользоваться компьютером, работать с информацией из различных источников; иметь навыки работы в химической лаборатории, иметь знания по технике безопасности при работе в химической лаборатории.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В процессе изучения дисциплины предполагается формирование следующих общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций: ОК-6, ОК-11, ПК-1, ПК-4, ПК-7, ПК-8, ПК-10, ПК-11, ПК-12.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
основные понятия электрохимии и электрометаллургии; иметь представление о строении двойного электрического слоя на границе электрод-электролит; о кинетике электродных процессов разряда и ионизации; о влиянии кинетики на структуру, состав и качество получаемых катодных осадков и порошков.
Уметь:
прогнозировать протекание тех или иных процессов на электродах в зависимости от состава электролита и материала электродов, ставить эксперимент по изучению кинетики процессов электролиза и выбору оптимальных технологических параметров.
Владеть:
элементами расчетов, необходимых для прогнозирования качественных электродных процессов и возможных количественных закономерностях.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр | |
5 | |||
Аудиторные занятия (всего) | 51 | 51 | |
В том числе: | |||
Лекции | 34 | 34 | |
Практические занятия (ПЗ) | |||
Семинары (С) | |||
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 17 | |
Самостоятельная работа (всего) | 21 | 21 | |
В том числе: | - | ||
Курсовой проект (работа) | |||
Расчетно-графические работы | |||
Реферат | |||
Другие виды самостоятельной работы (решение домашних задач, проработка лекций и др.) | 21 | 21 |
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | зачёт |
| |
Общая трудоемкость часов зач. ед. | 72 | 72 |
|
2 |
|
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Введение | . Предмет и содержание дисциплины. Электрохимические процессы. Основные электрохимические и электрометаллургические производства. Краткий исторический обзор развития электрометаллургии цветных металлов. |
2. | Двойной электрический слой на границе электрод-электролит | Скачок потенциала на границе электрод – электролит. Ток обмена. Двойной электрический слой (Д. Э.С.). Модель Гельмгольца, теория Гуи-Чампена, теория Штерна. Плотная и диффузионная часть Д. Э.С., их потенциалы. Специфическая адсорбция на заряженной поверхности электрода. Электрокапиллярные явления. Электрометры, электрокапиллярные кривые. Нулевая точка металла. Сорбция и десорбция поверхностно-активных веществ. С., методы ее измерения и использования для определения потенциалов нулевого заряда, расчета адсорбции поверхностно-активных ионов и величины поверхности электродов. |
3. | Электродные потенциалы и электродвижущие силы | Равновесные электродные потенциалы. Стандартный потенциал. Формула Нэрнста. Использование стандартных потенциалов для описания химического равновесия в растворе. Классификация электродов. Электроды первого рода, второго рода. Электроды сравнения. Стеклянный электрод, мембранные электроды. Измерение рН. Амальгамные электроды. Элемент Вестона. Окислительно-восстановительные или редокс-потенциалы. Их измерение и расчет с учетом ионной силы раствора и коэффициентов активности. Потенциометрический метод изучения стойкости и состава комплексных соединений металлов. Гальванический элемент и его электродвижущая сила. Методы и аппаратура для измерения электродвижущих сил. Концентрационные элементы с переносом и без переноса. Диффузионный потенциал. Электролитические ключи. |
4. | Электролиз водных растворов. Основные закономерности. | Прохождение электрического тока через электрохимическую систему. Катодные и анодные процессы, активные и пассивные электроды. Законы электролиза. Электрохимический эквивалент. Выход по току. Кулонометры. Возможные случаи несоблюдения закона Фарадея. Понятие о гальваностегии и гальванопластике. Электроанализ и кулонометрия. Электропроводность электролитов. Измерение и расчет электропроводности. Подвижность ионов. Числа переноса и методика их определения. Принцип кондуктометрии. Напряжение разложения. Расчет по термодинамическим данным и практическое определение. Обратная электродвижущая сила. Удельный расход энергии при электролизе, выход по энергии. |
5. | Основы кинетики электродных процессов. Электродная поляризация. | Понятие об электродной поляризации. Влияние плотности тока. Стационарный потенциал. Поляризационная кривая. Аппаратура и методы снятия (получения) поляризационных кривых. Диффузионные ограничения. Концентрационная поляризация. Предельная плотность тока. Вывод уравнения концентрационной поляризации. Случаи растворимого анода. Восстановление нескольких катионов. Принцип полярографии. Основное уравнение полярографии для ртутного капельного электрода. Электрохимическая поляризация (перенапряжение). Перенапряжение при выделении водорода на катоде. Гипотезы. Уравнение Тафеля. Теория замедленного разряда, ее становление. Основное уравнение для перенапряжения выделения водорода. Влияние различных факторов (материал и состояние поверхности электрода, рН и ионный состав раствора, наличие в растворе поверхностно-активных веществ, величина тока, температура раствора и др.) на перенапряжение водорода. Определение природы электродной поляризации. Влияние скорости перемешивания электролита на концентрационную поляризацию. Применение вращающегося дискового электрода для определения коэффициентов диффузии разряжающихся ионов. Влияние температуры электролита на скорость электродной разрядки. Эффективная энергия активации электродного процесса. Температурно-кинетический метод определения природы электродной поляряризации. |
6. | Электродные процессы при электровыделении металлов из растворов. Качество и структура катодных осадков. | Характеристика катодных отложений и требования к осадкам. Закономерности образования отдельных кристаллов и поликристаллических осадков. Поляризация при выделении кристаллической фазы на катоде. Факторы, влияющие на структуру осадка. Условия и особенности образования компактных и порошкообразных катодных осадков. Катодные процессы в растворах комплексных солей металлов. Особенности кинетики электроосаждения металлов из комплексных электролитов. Совместный разряд ионов на катоде. Область электрохимической устойчивости воды. Совместный разряд ионов металла и водорода, ионов основного и примесного металла. Электрохимическая очистка электролита от примесей. Получение сплавов. Особенности ртути как катодного материала. Амальгамы. Деполяризация при разряде ионов металла на ртути. Перенапряжение выделения водорода на ртути. Амальгамная металлургия. Ртутный электрод в промышленности. Анодные процессы. Анодное растворение металлов с образованием хорошо растворимых соединений. Пассивация металлов. Нерастворимые аноды. Реакции анодного окисления. Выбор материала анодов. |
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин | №№ разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
1. | Организация эксперимента | Ч | Ч | Ч | Ч | ||
2. | Методы исследования физико-химических систем | Ч | Ч | Ч | Ч | ||
3 | Металлургия лёгких металлов | Ч | Ч | Ч | |||
4 | Металлургия тяжелых цветных металлов | Ч | Ч | Ч | Ч | Ч | |
5 | Металлургия благородных металлов | Ч | Ч | Ч | Ч | ||
6 | Металлургия редких металлов | Ч | Ч | Ч | Ч | Ч | |
7 | Метрология, стандартизация и сертификация | Ч |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц., час. | Практ. зан. | Лаб. раб. | Семин | СРС | Всего час. |
1. | Введение | 2 | 2 | ||||
2. | Двойной электрический слой на границе электрод-электролит | 4 | 2 | 6 | |||
3. | Электродные потенциалы и электродвижущие силы | 8 | 5 | 6 | 19 | ||
4. | Электролиз водных растворов. Основные закономерности. | 6 | 4 | 5 | 15 | ||
5. | Основы кинетики электродных процессов. Электродная поляризация. | 6 | 4 | 4 | 14 | ||
6. | Электродные процессы при электровыделении металлов из растворов. Качество и структура катодных осадков. | 8 | 4 | 4 | 16 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1. | 3 | Потенциометрическое определение состава прочных комплексных ионов металлов. | 4 |
2. | 3 | Определение равновесных потенциалов металлических электродов, обратимых по отношению к своим ионам | 2 |
3. | 4 | Ознакомление с основными закономерностями электролиза водных растворов различных металлов (медь, цинк, никель, сурьма, теллур, галлий и др.) . | 4 |
4. | 5 | Сравнительное изучение поляризации при катодном получении металла из растворов простых и комплексных солей. | 2 |
5. | 6 | Изучение процесса выделения металла на катоде в виде порошка | 2 |
6. | 5,6 | Определение напряжения разложения водных электролитов и расплавленных солей | 3 |
7. Практические занятия (семинары) – не предусмотрены
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ): - не предусмотрены
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Левин цветных металлов. М., Металлургия, 1982, 255с.
2. , Помосов практикум по теоретической электрохимии. М., Металлургия, 1979, 312с.
б) дополнительная литература
3. и др. Теория и технология электрометаллургических процессов. Лабораторный практикум. М., Металлургия, 1994.
4. Флёров задач по прикладной электрохимии. М., ВШ, 1987.
Электронные версии учебников, монографий, методических разработок, находящиеся в свободном доступе для обучающихся в вузе студентов.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы.
Операционная система Windows, стандартные офисные программы, поисковые системы Google, Yandex и др.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Оборудование и установки лаборатории металлургии редких металлов кафедры МЦМ; мультимедийное оборудование ауд. 3223, 6402; презентации и видеофильмы по тематике курса.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
В качестве средств текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации предлагается проведение двух контрольных работ по третьему и четвёртому разделам дисциплины, оформление и защита отчетов по выполненным лабораторным работам, защита рефератов по выбранным темам.
