МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное автономное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России »
Институт естественных наук
Кафедра физической химии
ПРОГРАММА МОДУЛЯ-ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЯ
Направление подготовки | Профиль/магистерская программа | Квалификация (степень) |
020100 «Химия» | 020100.62.04 Физическая химия | бакалавр |
Екатеринбург 2011
Введение
Цель дисциплины
Электрохимия является разделом физической химии, имеющим дело с материальными объектами, способными проводить ток при помощи катионов и анионов. Наличие ионов в системах налагает особый отпечаток на термодинамическое их поведение, массоперенос и состояние границы раздела с проводниками 1го рода. Целью курса “Теоретическая электрохимия” является рассмотрение основных вопросов электрохимии, касающихся строения и свойств различного типа электролитов, природы скачков потенциалов на границе их раздела с электродами и электродвижущих сил с участием различных электродов, кинетике процессов на электродах под действием постоянного и переменного токов. Уделено внимание дискуссионным вопросам и перспективам развития электрохимической науки, в том числе высокотемпературной электрохимии. На базе современных моделей систем и процессов рассматриваются инструментальные методы исследования. В рамках данного курса предусматривается углубленное знакомство студентов с современным состоянием статистической теории электролитов, электрохимии твердых электролитов, особенностями электролитического выделения газов и металлов, проблемами химических источников тока.
Задачи дисциплины
В рамках данного курса предусматривается углубленное знакомство студентов с современным состоянием статистической теории электролитов, электрохимии твердых электролитов, особенностями электролитического выделения газов и металлов, проблемами химических источников тока.
Место дисциплины в системе высшего профессионального образования (какие дисциплины используются в качестве основы для данной и для каких используется данная дисциплина)
Данная дисциплина является логическим продолжением общего курса физической химии, т. к. имеет общие цели и объекты исследования. Данный курс, в свою очередь, является основой для специальных курсов для бакалавров и дипломированных специалистов “Прикладная электрохимия” и специального курса магистратуры “Современное состояние высокотемпературной электрохимии”.
Требования к уровню освоения содержания курса (приобретаемые компетенции, знания, умения, навыки)
В результате изучения дисциплины студенты должны освоить:
- принципы и методы построения электролитов различной природы;
- природу межчасттичных взаимодействий в электролитах;
- природу переноса заряда и массы;
- природу возникновения скачка потенциала на межфазной границе;
- принципы классификации электродов и построения электрохимических цепей;
- природу затруднений при осуществлении электрохимического процесса.
Методическая новизна курса (новые методики, формы работы, авторские приемы в преподавании курса)
- включение в курс разделов электрохимических проблем расплавленных и твёрдых электролитов;
- включение в курс последних достижений в области высокотемпературной электрохимии;
- использование в лекциях и лабораторных занятиях реальных экспериментальных зависимостей;
- знакомство с особенностями реального электрохимического эксперимента.
Содержание курса
Разделы курса, темы, их краткое содержание
Введение. Предмет электрохимии. Связь с другими разделами физической химии. Химические и электрохимические реакции. Области приложения электрохимии.
Теория электролитов. Типы и способы получения электролитов. Доказательства диссоциации соединений, изотонический коэффициент Вант-Гоффа. Теория электролитической диссоциации Гротгуса - Аррениуса, степень диссоциации. Закон действующих масс и электролитическая диссоциация. Приложения теории Аррениуса в теориях кислот и оснований, гидролиза, растворимости труднорастворимых соединений. Ион-дипольное взаимодействие как причина электролитической диссоциации, энергия сольватации в модели Борна. Распределение ионов в растворе электролитов с позиций теории Дебая-Гюккеля, радиус ионной атмосферы. Изменение потенциальной энергии центрального иона как мера отклонения реальных растворов электролитов от идеального поведения. Идеальные и реальные растворы электролитов, коэффициент активности, средний коэффициент активности иона. Расчет коэффициентов активности ионов с позиций теории Дебая-Гюккеля в приближении точечных зарядов. Учет собственных размеров ионов в теории Дебая-Гюккеля. Перспективы развития теории Дебая-Гюккеля.
Процессы переноса в электролитах. Миграция: скорость, абсолютная скорость и подвижность ионов. Электропроводность электролитов и скорость ионов. Влияние ион-ионного взаимодействия на миграцию ионов, электрофоретический и релаксационный эффекты. Числа переноса и их определение. Диффузия электролитов. Законы диффузии, коэффициент диффузии. Особенности диффузии заряженных частиц. Уравнение Нернста-Эйнштейна. Диффузионный потенциал. Конвективная диффузия.
Термодинамика электродных процессов. Химический и электрохимический потенциалы. Внутренний, внешний и поверхностный потенциалы. Гальвани - и Вольта - потенциалы на различных границах раздела фаз, физическая и химическая теории происхождения скачка потенциала. Электродные равновесия. Электроды 1-го рода. Электроды 2-го рода. Стандартный электродный потенциал, условный стандартный электродный потенциал. Равновесный окислительно-восстановительный потенциал, правило Лютера. Газовые электроды. Электронные равновесия на электроде. Равновесие в электрохимической цепи. Максимальная электрическая работа в цепи. Уравнение Нернста. Физические цепи. Концентрационные цепи 1-го рода. Концентрационные цепи с газовыми электродами. Концентрационные цепи 2-го рода (цепи с переносом), обратимые по катионам. Анионные концентрационные цепи с переносом. Химические цепи. Химические источники тока. Водородно-кислородный элемент. Сложные химические цепи с металлическими электродами.
Двойной электрический слой. Механизмы разделения зарядов на границе раздела фаз, заряд и поверхностные избытки заряженных компонентов. Основные теории двойного электрического слоя: плотный и диффузионный слой, модель Штерна, внутренний слой Гельмгольца, специфическая адсорбция. Граница полупроводник - электролит. Методы изучения двойного электрического слоя: эстанс, емкость, импеданс. Электрокапиллярные явления, уравнение электрокапиллярности. Заряд электрода: свободный, полный (термодинамический). Потенциал нулевого заряда.
Кинетика электродных процессов. Поляризация. Основные механизмы поляризации электродов. Диффузионная кинетика. Основные уравнения диффузионной кинетики, поляризационная кривая. Диффузионная кинетика в отсутствие фонового электролита. Основные уравнения электрохимической кинетики. Концентрационная поляризация при выделении металла на одноименном металле в условиях стационарной диффузии. Концентрационная поляризация при сплавообразовании, потенциал полуволны. Конвективная диффузия, слой Прандтля. Нестационарная диффузия к плоскому электроду. Нестационарная диффузия к сферическому электроду. Полярография, полярографические максимумы. Нестационарная диффузия в условиях переменного электродного потенциала, диффузионный импеданс. Электрохимическая поляризация. Перенапряжение разряда, его зависимость от температуры, свойств электрода и электролита. Теория замедленного разряда в представлении Эрдей-Груза-Фолмера. Влияние структуры двойного электрического слоя на скорость переноса заряда, теория перенапряжения выделения водорода Фрумкина. Импеданс реакции разряда - ионизации. Смешанная кинетика. Влияние замедленной химической реакции на перенапряжение. Рекомбинационная Теория перенапряжения водорода. Импеданс реакции разряд - ионизация с медленной химической стадией. Фазовое перенапряжение. Теория Фолмера - Эрдей - Груза для процесса образования трехмерного зародыша. Режимы электролиза и структура электролитических осадков.
Пассивация и коррозия металлов. Анодные поляризационные кривые в отсутствие пассивации и в режиме пассивации. Сопряженные электродные реакции и стационарный потенциал. Коррозия, потенциал и ток коррозии. Коррозия металла с примесью. Основные методы защиты металлов от коррозии.
Темы семинарских занятий (не предусмотрены).
Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.
а) Показать, что обратный радиус ионной атмосферы в теории Дебая-Хюккеля к связан с ионной силой раствора соотношением j
к=e(8рjNA / 1000DkT)1/2
б) Описать метод измерения электропроводности раствора. Можно ли из этих измерений определить степень диссоциации? Какие данные нужны для расчёта подвижности иона?
в) Как рассчитать коэффициент активности и другие термодинамические свойства электролита с позиций теории Дебая-Хюккеля?
г) Составить концентрационную цепь без переноса и показать, какие данные можно получить, измерив её электродвижущую силу.
д) Какие цепи используются для определения чисел переноса?
е) Предложить метод определения плотности заряда на электроде и построить зависимость заряда от потенциала.
е) Опишите принцип действия электрохимического датчика давления газа.
ж) Как определить концентрацию электролита при лимитирующей диффузионной стадии разряда ионов?
з) От каких параметров системы зависит постоянная Варбурга?
и) Физический смысл критического зародыша.
Примерная тематика рефератов, курсовых работ (не предусмотрены).
Примерный перечень вопросов к экзамену (зачету)
- Теория электролитической диссоциации. Электрохимический потенциал и равновесие на границе электрод-раствор. Диффузионная кинетика при разряде ионов на одноименном металле. Распределение потенциала в ионной атмосфере. Химические цепи. Диффузионная кинетика при образовании сплавов. Энергия сольватации в растворах электролитов Равновесие в электрохимической цепи. Максимальная электрическая работа Основные положения теории замедленного разряда. Теория Дебая-Гюккеля для расчета коэффициента активности. Потенциал и стандартный потенциал электрода 1го рода. Перенапряжение в условиях медленной химической реакции. Миграция и электропроводность. Модель двойного слоя по Гуи. Поляризация электрода при образовании твердой фазы. Особенности диффузии в растворах электролитов. Электрокапиллярные явления. Уравнение электрокапиллярности. Ток обмена и его связь с перенапряжением. Числа переноса и методы их определения. Концентрационные цепи без переноса. Влияние строения двойного слоя на перенапряжение водорода Природа диффузионного потенциала в электролитах. Теория двойного слоя по Штерну. Диффузионная кинетика в отсутствие фонового электролита. Учет размера центрального иона в теории Дебая-Гюккеля. Концентрационные цепи с переносом. Теоретические основы полярографии. Влияние ионной атмосферы на электропроводность. Потенциал электрода 2го рода. Импеданс Варбурга. Закон действующих масс и электролитическая диссоциация. Окислительно - восстановительный потенциал электрода. Смешанная кинетика электродных реакций.
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
№ п/п | Наименование разделов и тем | Учебный план, часов | |||
Аудиторные занятия | Самостоятельная работа | Итого по темам | |||
лекции | практические | ||||
1. | Введение. | 1 | 1 | ||
2. | Теория электролитов. | 4 | 5 | 7 | 16 |
3. | Процессы переноса в электролитах. | 3 | 3 | 4 | 10 |
4. | Термодинамика электродных процессов. | 5 | 5 | 6 | 16 |
5. | Двойной электрический слой. | 4 | 4 | 5 | 13 |
6. | Кинетика электродных процессов. | 7 | 7,0 | 7 | 21 |
7. | Пассивация и коррозия металлов. | 2 | 2 | 2 | 6 |
Всего: | 26 | 26 | 31 | 83 |
IV. Форма итогового контроля
Зачёт
V. Учебно-методическое обеспечение курса
1. Рекомендуемая литература (основная)
Антропов электрохимия. М.: Высшая школа. 1965. , Петрий в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа. 1975.3. , Петрий . М.: Высшая школа. 1987.
Рекомендуемая литература (дополнительная) изическая химия поверхностей. М.: Мир. 1979. Мелвин-Хьюз химия. М.: НЛ. 1962. астворы электролитов. М.: НЛ. 1963. Смирнов потенциалы в расплавленных хлоридах. М.: Наука. 1973. Фрумкин труды: Электродные процессы. М.: Наука. 1987. Фрумкин нулевого заряда. М.: Наука. 1979. Степанов вопросы теоретической электрохимии. Ек-рг: УрГУ. ИВТЭ. 1999.
Перечень обучающих, контролирующих компьютерных программ, кино - и телефильмов, мультимедиа и т. п. Программа "Астра" для расчёта термодинамических равновесий. База данных термодинамических свойств веществ. Программы для обработки экспериментальных данных на персональных компьютерах.
VI. Ресурсное обеспечение
Лаборатории.Лабораторные работы осуществляются на оригинальных установках лабораторий Института высокотемпературной электрохимии и предусматривают измерения электропроводности твёрдых и жидких электролитов, импеданса электрохимических систем, электродвижущих сил различных цепей.
Приборная база, лабораторное оборудование, материалы.Используются материальные ресурсы Института высокотемпературной электрохимии: электронные вольтметры и амперметры, мосты переменного тока, измерители комплексного сопротивления.
