Энгельсский технологический институт (филиал)

ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Кафедра «Технология электрохимических производств»

Рабочая программа

по дисциплине ДС. 01.02 «Современные проблемы химических источников тока и методы исследования»

240302.65 «Технология электрохимических производств»

Курс 5 (6)

Семестр 9 (11)

Лекции 51 (14)

Лабораторные занятия 51 (16)

Практические занятия нет

Самостоятельная работа102 (174)

Всего аудиторных 102 (30)

Всего 204 (204)

Курсовая работа 9 (11)

Курсовой проект нет

Расчетно-графическая работа нет (11,11)

Контрольная работа 10 сем

Экзамен 9 (11)

Зачет нет

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ТЭП

«31» августа 2010 г., протокол № 1

Зав. кафедрой, профессор __________

Рабочая программа утверждена на заседании УМКС

«04» октября 2010 г., протокол № 1

Председатель УМКС, профессор ___

г. Энгельс 2010

Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем

1. Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1.  Цель преподавания:

Учебная дисциплина «Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем» входит в группу родственных дисциплин, которые в совокупности обеспечивают специальную теоретическую и инженерно- исследовательскую подготовку инженера электрохимических производств в об­ласти химических источников тока.

1.2.  Задачи изучения дисциплины

Ознакомить студентов, специализирующимися в области химических ис­точников тока с современными методами исследования электрохимических сис­тем и их применением для решения современных проблем, разработки новых высокоэффективных электрохимических систем для химических источников тока, а также решения связанных с этим новых технологических решений в со­ответствии с современными требованиями.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

1.3.  Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данного курса.

С целью исключить неоправданное повторение учебного материала часть его выносится в учебные программы других дисциплин. Так, раздел 2 програм­мы изучается студентами в курсе «Электротехника и основы электроники» (5 семестр) и в факультативном курсе «Основы методики НИР» (6 семестр). Раз­дел 3-в курсах «Физическая химия» (6 семестр) и «Аналитическая химия» (раздел «Инструментальные методы анализа и исследования» в 7 семестре). Ряд вопросов из раздела 4 студенты изучают в курсе «Физики» (4 семестр) и в курсе «Теоретическая электрохимия» (6-7 семестр).

Изучение курса «Методы и приборы исследования электрохимических систем» включает помимо прослушивания лекций выполнение 4 учебно - исследовательских работ в лаборатории, семинары и коллоквиумы по всем раз­делам курса.

2. Требования к знаниям и умениям студентов

2.1 Студент должен знать:

Основные закономерности, которым подчиняются электрохимические системы, выражающиеся через зависимости тока от потенциала электрода, тока и потен­циала от длительности процесса и от температуры, от скорости перемешивания раствора, а также приборы, с помощью которых можно задавать режим процес­са и регистрировать указанные зависимости. Студент должен знать и писать следующие уравнения электрохимической кинетики:

2.1.1.  Уравнение поляризационной i, Е - кривой в условиях

2.1.1.1.  замедленного разряда

2.1.1.2.  замедленной диффузии;

2.1.1.3.  замедленной химической стадии;

2.1.1.4.  замедленной стадии кристаллизации;

2.1.1.5.  смешанной кинетики.

2.1.2.  Графическое определение плотности тока io, константы скорости ks, коэффициента α, энергии активации. Возможные методы.

2.1.3.  Уравнение i = f(t) при Е = const в условиях

2.1.3.1.  замедленного разряда;

2.1.3.2.  замедленной диффузии;

2.1.3.3.  замедленной химической стадии;

2.1.3.4.  замедленной стадии кристаллизации;

2.1.3.5.  смешанной кинетики.

2.1.4.  Графическое определение и расчет коэффициента диффузии из i, t - кривых

2.1.5.  Уравнение Е = f(t) при i = const (в соответствии с п. 2.1.1.). Графическое определение и расчет переходного времени τ, а также величины адсорбции Г и Д.

2.1.6.  Зависимость i - t для процесса катодного внедрения (графическая) и ее интерпретация при замедленной стадии,

2.1.6.1.  диффузии;

2.1.6.2.  электрохимической стадии внедрения;

2.1.6.3.  образования и роста зародышей;

2.1.6.4.  зависимости I-1 √-t; Q - t, Q - Е.

2.1.7.  Уравнения для расчета емкости двойного слоя Сдв, заряда поверхности s, пограничного натяжения о толщины д. э.с.

по теории Гельмгольца, Гуи-Чапмена, Эршлера - Грэма;

Заряда катионов (ε +) и анионов (ε _) в ионной обкладке д. э.с. и их

адсорбцию Г+ и Г_,

потенциала

2.1.8.  Методы определения ᵠт. н.з. (графической зависимости).

2.1.9.  Внешний, внутренний и поверхностные потенциалы.

2.1.10.  Уравнение электродной функции для различных типов электродов.

2.1.11.  Правило Томсона. Уравнение Гиббса- Геймгольца для эдс.

2.1.12.  Правило Лютера.

2.1.13.  Диффузионный и мембранный потенциалы. Стеклянный электрод. Ион-селективные электроды.

2.1.14.  Диаграмма термодинамической устойчивости воды.

2.1.15.  Определение термодинамических величин (∆G, ∆Н, ∆S, Кр) из измерений эдс и электродного потенциала. Электроды сравнения.

2.1.18.  Коэффициент диффузии и методы его определения ( из измерений λ, Е диф., i р, τ и т. д., из токовых измерений). Законы Фика.

2.1.19.  Методы определения адсорбции из электрохимических измерений

(по зависимости пограничного натяжения от концентрации; по кривым заряжения и спада потенциала; по кривым дифференциальной емкости; по зависимости переходного времени от плотности поляризующего тока; по циклическим потенциодинамическим кривым).

2.1.20.  Определение энергии активации электрохимической реакции по поляризационным кривым, снятым при различных температурах.

2.1.21.  Определение механизма образования зародышей при наличии стадии кристаллизации из потенциостатичнских кривых плотность тока-время, а также из гальваностатических кривых потенциал-время.

2.2. Студент должен уметь:

- правильно выбрать метод или комплекс методов для решения поставленной перед ним задачи или проблемы,

- пользоваться такими приборами как: потенциостат, мост переменного, са­мопишущий потенциометр, вращающийся дисковый электрод; правильно выбрать ячейку и электрод сравнения,

- правильно выбрать способ подготовки поверхности исследуемого электрода к эксперименту,

- провести измерения потенциала электрода, эд. с. электрохимической ячейки; - изготовить электрод сравнения и проверить его стабильность;

- собрать электрохимическую ячейку и подключить ее к источнику постоян­ного (или переменного тока);

- собрать измерительную и поляризующие цепи с исследуемой электрохими­ческой ячейкой;

- пользоваться кулонометром;

- по результатам измерений тока как функции потенциала и времени, и потен­циала как функции тока ( количество электричества) и времени, рассчитать коэффициент диффузии, адсорбцию, плотность тока обмена, энергию акти­вации; определить лимитирующую стадию процесса и сделать заключение о механизме процесса.

3. Распределение трудоемкости (час) дисциплины по темам и видам занятий

№модуля

№ недели

№ темы

ЧАСЫ

Всего

И 1=1

Лаб з.

Пр. з.

СРС

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

1

1

Современные проблемы элек­

9

3

-

-

6

трохимии

1

2-4

2

Современные направления в

16

8

-

-

8

функциональной гальванотех­-

нике ( в теории и технологии

химических источников тока)

2

4-5

3

Классификация методов иссле­

8

4

-

4

дования механизма электрохи­

мических реакций, используе­

мых или разрабатываемых в

функциональной гальванотех­

нике ( в химических источниках

тока)

6-7

4

Равновесные измерения

14

4

3

7

7

5

Формальная электрохимическая

5

2

-

j

кинетика

8

6

Метод поляризационных кри­

12

2

4

6

вых

8-9

7

Полярографический метод

4

2

2

2

9

9

Хроновольтамперометрия

10

2

3

6

2

10-

11

9

Релаксационные методы. Ос­

12

6

6

новные гальваностатический и

2

12

10

Хронопотенциометрия

10

2

3

5

2

12-

11

Хроноамперометрия

2

13

13

12

Метод вращающегося дискового

10

2

3

5

электрода (с кольцом)

12

2

4

6

2

14

13

Метод контактного электросо­

4

2

2

противления

2

14

Метод измерения температуры

8

4

4

на межфазной границе

3

14

15

Приборы для исследования

4

2

2

-15

электрохимических реакций.

Общая характеристика, класси­

фикация приборов по их назна­

чению

3

15

16

Приборы и ячейки, используе­

2

1

1

мые при регистрации тока и по­

тенциала

3

15

17

Специализированные приборы

2

1

1

3

16

18

Приборы и установки, исполь­

16

2

6

8

зуемые в импедансных методах

3

16-

19

Аппаратура, используемая в из­

4

2

2

17

мерениях, осуществляемых в

режиме заданного тока

3

20

Аппаратура для измерений в

режиме заданного потенциала

3

17

21

Направления развития методов

4

2

2

и совершенствования аппарату­

ры

Аппаратура, совместимая с

8

4

4

ЭВМ

4. Содержание лекционного курса

№ темы

Всего

№лек

Тема лекции.

часов

ции

Вопросы, отрабатываемые на лекции

1 #

2

3

4

1

2

1

Современные проблемы электрохимии. Механизм электрокаталитических процессов, в ча­

стности, восстановления кислорода. Установление связи между хемосорбционными свойствами по­верхности и направлением электродного процесса. Электрохимия и наука о поверхности

2

2

2

Органическая электрохимия и метод цифрового моделирования реакций. Элементарные химиче­ские реакции в конденсированной фазе. Фотоэлек­трохимические реакции. Электрохимические ас­пекты реакции.

3

2

3

Электрохимические аспекты реакции. Электрохи­мические аспекты водородного материаловедения.

4

2

4

Синтез и области практического применения ве­ществ со структурой с свойствами высокотемпера­турных сверхпроводников.

5

2

5

Биоэлектрохимия и медицина. Размерная электрохимическая обработка металлов

6

7

8

9

10

11

2

2

2

2

2

2

6

7

8

9

10

11

в растворах электролитов. Экологические пробле­мы электрохимической технологии.

Развитие представлений о процессах массопере - носа в турбулентном диффузионном слое.

Развитие и применение методов для изучения ки­нетики и механизма сложных электрохимических реакций: последовательно-параллельные реакции; массоперенос к неоднородной поверхности; кине­тика и механизм электрохимических превращений различных неорганических веществ; решение задач аналитической химии.

Классификация методов исследований механизма электрохимических реакций.

Ток обмена, константа скорости. Основные соот­ношения скорости. Равновесные измерения

Равновесный и компромиссный потенциал, их из­мерение. Определение равновесных потенциалов из кинетических исследований. Изучение зависимости равновесного потенциала от концентрации компо­нентов раствора.

Комплексообразование в растворах, расчет кон­стант устойчивости комплексных соединений. Ус­тановление состава исходных веществ и продуктов электрохимической реакции. Интерпретация ре­зультатов равновесных измерений и составление уравнения суммарной электродной реакции.

/Метод поляризационных кривых Измерения потенциала электрода при пропускании тока.

Способы измерения и учета омической составляю­щей поляризации. Способы получения поляризаци­онных кривых, форма кривых, предельные токи. Виды предельных токов. Способы определения ви­да предельного тока. Основные характеристики предельных токов, обусловленных замедленной диффузией и химической реакцией. Обработка по­ляризационных кривых при малых, средних и вы­соких перенапряжениях с учетом омической поля­ризации, обратной составляющей плотности тока и диффузии. Вывод уравнений поляризационных кривых, учитывающих обратную составляющую плотности тока и диффузию.

Определение тока обмена и коэффициентов пере­носа из поляризационных кривых. Исследование зависимости скорости электрохимического пре­вращения от концентрации компонентов раствора. Определение порядков по зависимости тока обмена

12

13

14

2

2

2

12

13

14

от концентрации компонентов раствора и тока об­мена от равновесного потенциала. Составление уравнений замедленной стадии по порядкам реак­ций. Выяснение механизма реакции по суммарной электродной реакции и уравнению замедленной стадии..

Построение поляризационных кривых при использовании методов потенциостатического и гальваностатического включения. Формальная электрохимическая кинетика Стадийные электродные реакции. Вывод уравнений для скоростей катодного и анодного процессов. Ко­эффициенты переноса при протекании стадийной электрохимической реакции. Стадийные реакции с соизмеримыми скоростями переноса электронов. Электрохимические реакции с предшествующими или последующими химическими стадиями. Ката­литические реакции. Замедленные гетерогенные и гомогенные химические стадии. Реакции с учетом адсорбированных частиц. Установление механизма реакции по порядкам электрохимических реакций.

Полярографический метод

Принцип метода. Съемка полярограмм. Диффузионные токи. Критерии диффузионного то­ка. Уравнение полярографической кривой обрати­мого электродного процесса Анодно- катодные волны. Анализ обратимых волн. Значение потен­циалов полуволн и их определение. Обратимое вос­становление комплексов, преобладающих в раство­ре. Ступенчатое комплексообразование и опреде­ление констант устойчивости комплексов по зави­симости потенциала полуволны от концентрации лиганда / метод Де Форда и Хьюмса/

Необратимые электродные процессы. Ана­лиз необратимых полярографических волн. Опре­деление коэффициента переноса и константы ско­рости электродной реакции. Определение кинети­ческих параметров из квазиобратимой полярогра­фической волны. Определение состава заряжающе­гося комплекса из необратимых полярографиче­ских волн.

Хроновольтамперометрия

Принцип метода. Обратимые электродные процессы, уравнение Рэндлса-Шевчика. Критерии обратимости электродного процесса. Необратимые процессы. Потенциалы пика и полупика, величина тока пика. Определение кинетических параметров. Вольтамперометрия с треугольной разверткой на - пряжения. Признаки необратимости процесса. Ин-

версионная вольтамперометрия.

15

2

15

Релаксационные методы

Основной потенциостатический метод. Ос­

новы метода. Определение коэффициентов перено­

са и тока обмена по этому методу. Метод ступенча­

того изменения напряжения.

16

2

16

Основной гальваностатический метод. Определе­

ние кинетических параметров электрохимической

реакции. Хронопотенциометрия. Уравнение Санда

и Караогланова. Обратимые процессы. Переходное

время. Необратимые электродные процессы. Опре­

деление кинетических параметров хроноиотенцио-

метрическим методом. Импедансная спектро­

скопия.

17

2

17

Метод вращающегося дискового электрода. (ВДЭ)

Движение жидкости вблизи вращающегося

диска. Диффузионный поток при ламинарном и

турбулентном режиме движения жидкости. Изме­

рение коэффициента диффузии. Основные уравне­

ния смешанной кинетики. Определение порядка и

константы скорости реакции. Применение ВДЭ для

решения различных электрохимических задач.

18

2

18

Вращающийся дисковый электрод с кольцом.

19

2

19

Приборы для исследования электрохимических ре­

акций.

Введение. Общая характеристика и особенности

приборов для исследования электрохимических ре­

акций. Классификация приборов но назначению:

Задающие, регулирующие и регистрирующие.

Регистрация потенциала и тока. Особенности изме­

рения потенциала исследуемого электрода. Основ­

ные источники погрешности. Компенсационные

схемы измерения потенциала.

20

2

20

Специализированные приборы.

Источники сигналов специальной формы, регуля­

торы электрического режима исследуемого элек­

трода-потенциала и тока, измерительные и функ­

циональные преобразователи.

21

2

21

Приборы и установки.

Классификация методов исследования по виду воз­

действия электрических сигналов на исследуемый

объект.

22

2

22

Приборы для реализации импедансных методов:

Фарадеевского импеданса, фарадеевских искаже-

нпй и выпрямления. Измерение емкости двойного

слоя. Мосты постоянного тока.

23

2

23

["Аппаратура для реализации методов с режимом

данного тока: основного, циклического и двухим-

пульсного гальваностатического, кулоностатиче-

ского. Хронопотенциометры. Циклическая хроно-

потенциометрия.

24

2

24

Аппаратура для реализации методов с режимом за­

данного потенциала: основного потенциостатиче-

ского, кулонометрии с заданным потенциалом,

циклической хроноамперометрии.

25

3

25

Заключение. Перспективы развития аппаратуры для

электрохимических исследований. Применение

цифровых приборов и ЭВМ для обработки резуль­

татов измерений и управления экспериментом.

5. Перечень тем практических занятий

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3