МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования
Южный федеральный университет
Химический факультет
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
"_____"__________________2010 г.
Рабочая программа дисциплины
«Современные электрохимические технологии и материалы»
Направление подготовки
Химия
Профиль подготовки
Химия
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
г. Ростов - на - Дону
2010 г
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Современные электрохимические технологии и материалы» являются:
- познакомить студентов с историей возникновения и становления электрохимической науки;
- дать основы знаний о содержании предмета теоретической и прикладной электрохимии;
- создать представление о месте электрохимии среди других химических наук, ее связи с физической, органической и неорганической химией, материаловедением;
- раскрыть специфику электрохимических явлений и показать определяемые ей возможности электрохимических методов синтеза, исследования и анализа;
- определить место электрохимии в материальном производстве сегодняшнего и завтрашнего дня,
- создать представление об актуальных проблемах электрохимической энергетики, связанных с производством литиевых источников тока и водородно-кислородных топливных элементах;
- стимулировать интерес студентов к изучению теоретических основ химии, занятию исследовательской работой;
- познакомить студентов с последними достижениями мировой электрохимии, с организацией и некоторыми направлениями современных научных исследований в авторитетных зарубежных научных центрах
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная дисциплина связана с другими дисциплинами профессионального (специального) цикла: неорганической, органической, аналитической и физической химией, а также химической технологией. Для ее усвоения необходимы знания основных законов химии, физики и математики.
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Современные электрохимические технологии и материалы»
В результате освоения дисциплины у обучающихся частично формируются следующие компетенции: ОК-6, ОК-18, ПК-1, ПК-2, ПК - 3, ПК-4, ПК-5, ПК-6, ПК-7, ПК-8, ПК-9.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
· основы электрохимической технологии для решения научных и практических задач.
Уметь:
· ставить задачу электрохимического исследования, синтеза и анализа
· 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:
· основами аналитического, логического и графического анализа составляющих частей фундаментальных разделов электрохимии.
4. Структура и содержание дисциплины «Экология и экологическая химия»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц 180 часов (из них лекции – 36; лабораторные – 18 , самостоятельная работа – 126 часов).
№ п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | ||
1 | Введение. Основные этапы развития, роль электрохимии в современной технологии. | 5 | Л-2 | СР-4 | |||
2 | Законы Фарадея. гальванический элемент, ванна, катод и анод. Взаимопревращения химической и электрической энергии. Скачки потенциалов, простейшие электрохимические цепи. | Л-4 | ЛР-6 | СР-22 | Тест, коллоквиум | ||
3 | Электролиты, электроды и электродные материалы | 5 | Л-6 | СР-20 | Тест, коллоквиум | ||
4 | Электрохимические методы подготовки поверхности и получения металлов и сплавов, размерная обработки материалов | 5 | Л-4 | ЛР-8 | СР-20 | Тест, коллоквиум | |
5 | Электрохимические технологии в металлургии, процесс цементации | 5 | Л-4 | СР-20 | Тест, коллоквиум | ||
6 | Энергетика 21 века | 5 | Л-6 | ЛР-4 | СР-20 | Тест, коллоквиум | |
7 | Электрохимический синтез соединений и электрохимические методы анализа | 5 | Л-10 | СР-20 | Тест, коллоквиум | ||
Итого | 36 | 18 | 126 | зачет |
Содержание программы
1. Введение. Основные этапы развития, роль электрохимии в современной технологии.
2. Законы Фарадея. гальванический элемент, ванна, катод и анод. Взаимопревращения химической и электрической энергии. Скачки потенциалов, простейшие электрохимические цепи.
3. Электролиты, электроды и электродные материалы
Твердые и жидкие электролиты. Понятие электропроводности. Электроды. Классификация электродов: жидкие, пористые, кусковые, стационарные и др. Критерии выбора электродов. Графитовые электроды, их обработка и области применения. Особенности выбора электродного материала для анодных и катодных электродов.
4. Электрохимические методы подготовки поверхности и получения металлов и сплавов, размерная обработки материалов. Электрохимическое обезжиривание, травление и оксидирование. Электрополирование. Гальваностегия и гальванопластика.
5. Электрохимические технологии в металлургии, процесс цементации: электрохимические способы выделения металлов из руд (электрорафинирование, электроэкстакция). Электрохимическая природа процесса цементации. Влияние внешних факторов на процесс цементации (природа металла, состав раствора, температура и др.). Особенности цементации некоторых цветных, благородных и редких металлов.
6. Энергетика 21 века. Способы получения энергии. Преимущества электрохимических способов генерации и хранения энергии. Потребности, перспективы и тенденции развития портативных источников энергии. Топливо будущего: энергетические характеристики некоторых химических материалов и систем. Электрохимические источники энергии и космические аппараты. Химический источник тока: принципы устройства, основные компоненты (электроды, активные вещества и активные массы, электролиты, сепараторы), понятие о важнейших характеристиках ХИТ (электродвижущая сила, разрядная кривая, мощность, емкость и энергия ). Первичные ХИТ. Понятие о резервных источниках тока. Материалы, токообразующие реакции и сравнительные характеристики некоторых первичных ХИТ. Вторичные ХИТ. Требования, предъявляемые к аккумуляторам. Химия серебряно-цинкового аккумулятора. Литиевые источники тока: успехи, проблемы и перспективы. Активные электродные материалы ЛИТ. Примеры и характеристики первичных ЛИТ. Преимущества и недостатки вторичных литиевых батарей Электродные материалы литиевых аккумуляторов. Проблема эффективного анода ЛИТ и возможные пути её решения. Особые свойства поверхностной пленки, формирующейся на литиевом электроде. Понятие об интеркаляции и катодном внедрении лития. Способы повышения циклируемости лития. Новейшие направления совершенствования литиевых аккумуляторов. Достоинства, проблемы и перспективы водородной энергетики. Топливные элементы (ТЭ). Классификация и назначение различных типов ТЭ. Устройство и компоненты мембранно-электродного блока. Проблемы метанольных топливных элементов и пути их решения. Проблемы электрокатализа в низкотемпературных ТЭ. Металлуглеродные нанокатализаторы – представление о строении, методах получения, свойствах. Современные направления исследований в области электрокатализа в низкотемпературных ТЭ.
7. Электрохимический синтез соединений и электрохимические методы анализа.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используется активные и интерактивных формы проведения занятий, такие как: семинар в диалогом режиме, деловая игра, разбор конкретных ситуаций.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах составляет 30% аудиторных занятий.
Примерный перечень тем лабораторных работ
№ п/п | № раздела модуля | Наименование тем лабораторных работ |
1 | 2 | Законы электролиза |
2 | 3 | Химическое никелирование |
3 | 4 | Электролитическое получение сплавов |
4 | 4 | Электрополирование металлов |
5 | 6 | Определение активности катализаторов |
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Содержание коллоквиумов и промежуточный контроль знаний
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.
Примеры для тестового контроля знаний по темам:
1. Стремление уменьшить размер частиц платины в катализаторах топливных элементов обусловлено необходимостью: а) увеличить площадь истинной поверхности электрода б) повысить удельную активность катализатора в расчете на единицу истинной поверхности в) увеличить газопроницаемость каталитического слоя г) все ответы верны.
2. Как связаны сила тока (I) и скорость электрохимической реакции (u, моль/(м2*с)):
a) u=const*I*t b) u=const*òIdt c) u=const*I d) u = I
3. Выберите источник энергии, происхождение которого не связано с той или иной формой превращения солнечной энергии: а) энергия нефти и газа б) э. каменного угля в) э. гидроэлектростанций г) ядерная и термоядерная э.
4. Чем первичные химические источники тока отличаются от вторичных?
5. Разрядная емкость ХИТ тем больше, чем: а) меньше масса эквивалента активного вещества б) меньше коэффициент использования активного вещества в) меньше масса активного вещества г) все предыдущие ответы верны.
6. В первичных марганцево-цинковых элементах Zn является: а) катодом б) анодом в) катодом или анодом, в зависимости от того производится ли разряд или заряд элемента г) эти элементы содержат не Zn, а оксид цинка.
7. В качестве активного электродного материала в перезаряжаемых литий-ионных источниках тока используется а) чистый литий б) сплавы лития с другими металлами в) «литированный» графит г) могут быть использованы все ранее перечисленные материалы, однако лучшим из них является «………».
8. В топливных элементах: а) хим. энергия топлива превращается в тепловую, а затем непосредственно в электрическую; б) окислитель и восстановитель смешиваются в газодиффузионном слое и выделяют энергию в ходе взаимодействия в) для разделения катодного и анодного пространства может использоваться полимерный материал г) все ответы верны.
9. Стремление уменьшить размер частиц платины в катализаторах топливных элементов обусловлено необходимостью: а) увеличить площадь истинной поверхности электрода б) повысить удельную активность катализатора в расчете на единицу истинной поверхности в) увеличить газопроницаемость каталитического слоя г) все ответы верны.
10. В чем состоит основная проблема повышения удельных характеристик вторичных литиевых источников тока?
11. а) в процессе циклирования происходит разложение неводного электролита; б) литиевый электрод подвергается коррозии; в) образующиеся при перезарядке газообразные продукты приводят к разгерметизации корпуса; г) не решена проблема циклирования (перезарядки) металлического лития.
12. Разрядная емкость ХИТ тем меньше, чем: а) меньше масса эквивалента активного вещества б) больше коэффициент использования активного вещества в) меньше масса активного вещества г) выше температура эксплуатации.
13. Электродными материалами первичных марганцево-цинковых элементов являются: а) Zn и Mn; б) ZnO и MnO2; в) ZnO и Mn г) Zn и MnO2; д) Zn и KMnO4.
14. В качестве активного электродного материала в литий-ионных аккумуляторах в настоящее время не удается использовать а) металлический литий б) сплав лития с кремнием в) LiAl г) все ранее приведенные ответы верны.
15. Твердооксидные топливные элементы: а) не используют водород в качестве топлива (восстановителя); б) не требуют наличия платины в катализаторе; в) способны тработать при температуре 200 – 400 градусов Цельсия; г) уступают по мощности топливным элементам с полимерной протонообменной мембраной.
16. Выберите материал, при интеркаляции (внедрении) лития в который не происходит формирования новой фазы: а) Si; б) Sn; в) углерод; г) алюминий.
17. Solid Electrolite Interphase (SEI) это: а) полимерная мембрана в низкотемпературных топливных элементах; б) защитная пленка ингибитора на поверхности металла ; в) формирующаяся на поверхности литиевого электрода пленка ; г) пленка хемосорбированных на катоде ПАВ, улучшающая свойства гальванического покрытия.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Экология и экологическая химия»
а) основная литература:
1. , Химические источники тока: 210 лет. – М.: Поколение, 2010. – 352 с.
2. Григорьев электрохимии к решению некоторых глобальных проблем цивилизации XXI века. В кн.: Горизонты химии 21 столетия. Учебник. Под ред. профессора . – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009, с. 368- 393.
3. Гутерман проблемы и перспективы электрохимической энергетики. В кн.: Горизонты химии 21 столетия. Учебник. Под ред. профессора . – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2009, с. 463- 485.
б) дополнительная литература:
1. , , Цирлина , М.: Химия. 2001. 624 с.
2. Прикладная электрохимия. Изд. 3-е под редакцией профессора М.: Химия. 1984. 520 с.
3. Электрохимия. Прошедшие тридцать и будущие тридцать лет. Под редакцией Г. Блума и Ф. Гутмана. М.: Химия. 1982. 368 с.
4. Г. Воронков Электричество в мире химии. М.: Знание. 1987. 144 с.
5. З. Поллер Химия на пути в третье тысячелетие. М.: Мир. 1982. 400 с.
6. Байсупов обработка металлов. М.: «Высшая школа» 1988, 180 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Современные электрохимические технологии и материалы»
Для реализации данной дисциплины необходимо наличие лекционной аудитории оснащенной мультимедийным оборудованием и учебной лаборатории для проведения лабораторных работ. В библиотеке химического факультета имеется необходимая для самостоятельной работы студентов литература и компьютеры, оснащенные выходом в Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки Химия.
Автор (ы) д. х.н. , д. х.н. , к. х.н.
Рецензент (ы) к. х.н.
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета
от 01.01.2001 года, протокол № 11.
