МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет»
Химический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________
"_____"__________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Модуль 4. ЭЛЕКТРОХИМИЯ
Направление подготовки бакалавров
020100 Химия
Профиль подготовки
62 Бакалавр
Квалификация (степень) выпускника
Химия
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону
2011
1. Цели освоения модуля
Целями освоения модуля «Электрохимия» являются:
· раскрыть смысл основных законов теоретической электрохимии, создать теоретическую базу и научные основы прикладных аспектов электрохимии,
· научить студента видеть и анализировать области применения этих законов, дать общие сведения о равновесии и неравновесных явлениях в растворах электролитов, ознакомить с современными основами электрохимической термодинамики, дать информацию о моделях двойного электрического слоя и показать роль двойного слоя в электрохимической кинетике, представить основные положения кинетики электродных процессов,
· четко понимать принципиальные возможности законов при решении конкретных задач электрохимического эксперимента и основных видов технологии электрохимических процессов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Модуль 4 “Электрохимия” входит в дисциплину «Физическая химия», относящуюся к базовой части учебного цикла Б.3 “Профессиональные (специальные) дисциплины”.
Электрохимия представляет собой существенную часть теоретического фундамента современной химии, которая является важнейшей составной частью естествознания. Поэтому электрохимический вариант реализации химических процессов используют для решения самого широкого круга современных научных и технических проблем.
Модуль базируется на основных разделах физической химии: термодинамика, кинетика, катализ и гетерогенное равновесие, а также использует общехимическую, математическую и физическую подготовку. Он закладывает основу для последующих спецкурсов бакалавриата и магистратуры.
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения модуля ПК-5, ОК-6, ПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-6, ПК-8.
В результате освоения модуля обучающийся должен:
Знать:
· основы теоретической электрохимии, а также способы и варианты применения законов, термодинамических соотношений и кинетических уравнений для решения научных и практических задач.
Уметь:
· ПК-5 в той части, что касается электрохимии,
· ставить задачу электрохимического исследования,
· выбирать оптимальные пути и методы решения подобных задач, осуществлять стандартные электрохимические измерения,
· обрабатывать результаты электрохимических исследований, ориентироваться в современной литературе по электрохимии, проводить электрохимические расчеты с помощью известных формул и уравнений, в том числе с помощью компьютерных программ, пользоваться справочной литературой по электрохимии.
Владеть:
· ОК-6, ПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-6, ПК-8 в той части, что касается электрохимии,
· основами аналитического, логического и графического анализа составляющих частей фундаментальных разделов электрохимии.
4. Структура и содержание модуля
Объем модуля и распределение трудоемкости по видам учебной работы
Общая трудоемкость модуля составляет 6 зачетных единиц ( 216 академических часа).
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |
6 | 7 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 216 | + | + |
Аудиторные занятия | 90 | 36 | 54 |
Лекции | 36 | 36 | |
Лабораторные работы в том числе – курсовая работа | 54 20 | 54 + | |
Самостоятельная работа | 126 | 72 | 72 |
Подготовка к контрольным работам Подготовка к коллоквиумам и оформление курсовой работы | 36 90 | 36 | 90 |
Контроль знаний студентов (в числах) | |||
Виды промежуточного контроля: Коллоквиумы Контрольные работы | 7 4 | - 4 | 7 - |
Виды итогового контроля: Экзамен | 1 |
Разделы модуля и виды занятий
№ п/п | Разделы модуля | Лекции | Лабораторные работы |
1 | Равновесные и неравновесные явления в растворах электролитов | + | + |
2 | Термодинамика электрохимических цепей | + | + |
3 | Строение заряженных границ раздела | + | - |
4 | Кинетика электродных процессов | + | + |
Программа модуля 4. Электрохимия
Раздел 1. РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РАСТВОРАХЭЛЕКТРОЛИТОВ
Развитие представлений о строении растворов электролитов (Т. Гротгус, М. Фарадей, С. Аррениус, ). Основные положения теории Аррениуса. Недостатки этой теории. Закон разведения Оствальда. Соотношение между энергией кристаллической решетки и энергией сольватации ионов в рамках модели Борна. Ион-дипольное взаимодействие как основное условие устойчивости растворов электролитов. Энергии кристаллической решетки и сольватации ионов. Уравнения Борна и Борна - Бьеррума. Модель термодинамического цикла. Энергия сольватации и методы её определения. Модель Борна-Уэбба. Количественная проверка модели Борна. Поправки Уэбба. Модель Ван-Аркеля и де-Бура. Модель Эли и Эванса.
Термодинамическое описание ион-ионного взаимодействия. Понятия средней активности и среднего коэффициента активности; их связь с активностью и коэффициентом активности отдельных ионов. Основные допущения теории Дебая - Гюккеля. Потенциал ионной атмосферы. Уравнения для коэффициента активности в первом, втором и третьем приближении теории Дебая - Гюккеля. Современные представления о растворах электролитов.
Неравновесные явления в растворах электролитов. Виды явлений. Потоки диффузии и миграции. Формула Нернста - Эйнштейна. Диффузионный потенциал. Удельная и эквивалентная электропроводность. Числа переноса, их зависимость от концентрации раствора и методы определения: Гиторфа, движущейся границы и путем измерения диффузионного потенциала. Подвижности ионов и закон Кольрауша.
Теория электропроводности растворов сильных электролитов. Представления Бьеррума. Физические основы теории Дебая - Гюккеля - Онзагера; электрофоретический и релаксационный эффекты; эффекты Вина и Дебая - Фалькенгагена. Зависимость подвижности ионов от их природы, от природы растворителя, от температуры и концентрации раствора. Механизм электропроводности водных растворов кислот и щелочей. Аномалии электропроводности: высокая ионная проводимость Н+ и ОН-, проводимость неводных растворов, расплавов, твердых электролитов и растворов, содержащих сольватированные электроны.
Раздел 2. ТЕРМОДИНАМИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Понятие электрохимического потенциала. Классификация скачков потенциала на границах раздела фаз. Понятия поверхностного, внешнего и внутреннего потенциалов; разности потенциалов Гальвани и Вольта.
Условия электрохимического равновесия на границах раздела фаз и в электрохимической цепи. Связь ЭДС со свободной энергией Гиббса. Уравнения Нернста и Гиббса - Гельмгольца для равновесной электрохимической цепи. Термодинамический вывод уравнения для равновесного потенциала на границах металл-металл и металл-раствор. Понятие электродного потенциала. Водородная шкала.
Классификация электродов: электроды первого, второго рода, окислительно-восстановительные, газовые и ионоселективные. Классификация электрохимических цепей: физические, концентрационные, химические, сдвоенные и с полупроницаемой мембраной. Определение коэффициентов активности и чисел переноса на основе измерений ЭДС.
Раздел 3. СТРОЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА
Процессы, связанные с образованием границы фаз. Электрокинетические явления. Двойной электрический слой и его роль в кинетике электродных процессов. Электрокапиллярные явления; основное уравнение электрокапиллярности; уравнение Липпмана. Емкость двойного электрического слоя; причины ее зависимости от потенциала электрода. Нулевые точки металлов и φ-шкала потенциалов Антропова. Адсорбционный метод изучения двойного электрического слоя. Модельные представления о структуре двойного слоя Гельмгольца, Гуи-Чапмена, Штерна и Грэма. Теория Гуи - Чапмена - Грэма; сходство и различия этой теории с теорией ионной атмосферы Дебая - Гюккеля.
Раздел 4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
Признаки равновесной и неравновесной систем. Законы Фарадея, отклонения от них. Плотность тока как мера скорости электродного процесса; поляризация электродов. Стадии электродного процесса. Механизмы массопереноса: диффузия, миграция и конвекция.
Диффузионная кинетика. Три основных уравнения диффузионной кинетики и общий подход к решению ее задач. Строение приэлектродного слоя. Теория диффузионного перенапряжения Нернста-Бруннера на плоском электроде. Вращающийся дисковый электрод. Полярография. Уравнение полярографической волны Гейровского-Ильковича. Уравнение Ильковича. Искажения полярограмм, их причины. Полярографические максимумы.
Электрохимическая кинетика. Уравнение для тока в теории замедленного разряда. Понятие о теории реорганизации растворителя. Ток обмена и перенапряжение. Зависимость скорости стадии разряда от строения двойного слоя на примере электровосстановления ионов гидроксония и пероксидисульфата на ртутном электроде. Физический смысл энергии активации в условиях замедленного разряда. Уравнение поляризационной кривой и его частные случаи при малом и большом перенапряжении. Основные закономерности восстановления Н3О+.
Сопряженные реакции в электрохимической теории коррозии. Методы защиты металлов от коррозии. Химические источники тока; их виды и основные характеристики.
5. Образовательные технологии
Активные формы проведения занятий:
· Лекции.
Интерактивные формы проведения занятий:
· Лабораторный практикум.
· Разбор конкретных ситуаций.
Примерный перечень тем лабораторных работ
№ п/п | № раздела модуля | Наименование тем лабораторных работ |
1 | 1 | Определение коэффициента активности методом ЭДС. |
2 | 1 | Электропроводность растворов электролитов. |
3 | 1 | Числа переноса. |
4 | 2 | Измерение ЭДС гальванического элемента. |
5 | 4 | Законы электролиза |
6 | 4 | Определение предельного диффузионного тока |
7 | 4 | Влияние ПАВ на электроосаждение металла. |
8 | 4 | Электрохимическая коррозия |
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы бакалавриантов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Содержание коллоквиумов и промежуточный контроль знаний бакалавриантов
Коллоквиумы проводятся перед лабораторными работами, и их тематика соответствует названию работ.
Промежуточный контроль осуществляется проведением контрольных работ, названия которых совпадают с основными разделами модуля, а контрольные вопросы изложены в программе модуля. Предусмотрен также тестовый контроль.
Примерная тематика курсовых работ
1. Сравнительный расчет коэффициентов активности электролитов
методами Дебая-Хюкеля, Питцера и Кузнецовой.
2. Исследование причин нестабильности потенциала хлоридсеребряного
электрода в разбавленных растворах хлорида калия.
3. Сравнительный анализ уравнений диффузионной и электрохимической кинетики.
4. Анализ проблемы потенциала в электрохимии.
5. Анализ теорий электрохимической коррозии металлов.
6. Теории водородного перенапряжения.
7. Сопоставление кинетических закономерностей реакций в зависимости от природы замедленной стадии.
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) Основная литература
1. Дамаскин, [Текст]: учеб. для вузов / , , . – М.: Химия – М, 2001.- 624 с.
2. Учебно-методические пособия к лабораторным работам.
б) Дополнительная литература
1. Антропов, электрохимия [Текст]: учеб. для вузов / . – М.: Высшая школа – М, 1984 - 519 с.
2. Дамаскин, [Текст]: учеб. пособие для хим. фак. ун-тов / , . – М.: Высшая школа – М, 1987.- 295 с.
7. Материально-техническое обеспечение модуля
Минимально необходимый для реализации ООП подготовки бакалавра перечень материально-технического обеспечения включает в себя:
· лекционную аудиторию;
· лабораторный практикум по электрохимии;
· лабораторию для выполнения экспериментальной курсовой работы.
Имеющаяся материальная база обеспечивает:
· проведение лекций - аппаратурой для демонстрации иллюстративного материала;
· выполнение лабораторных работ – необходимыми химическими реактивами, стандартной лабораторной посудой и учебно-научным оборудованием (установка для поляризационных измерений, мост переменного тока в комплекте, электроизмерительные приборы, электрохимические и специальные стеклянные ячейки, кулонометры, электроды сравнения, весы технические и аналитические, шкафы сушильные);
· Для обработки результатов измерений и их графического представления, расширения коммуникационных возможностей при использовании электронных изданий во время самостоятельной подготовки каждый обучающийся имеет возможность работать в компьютерном классе с соответствующим программным обеспечением и выходом в сеть Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки Химия.
Автор
Рецензент
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ от 01.01.2001 года, протокол № 7.
