III. Распределение часов курса по темам и видам работ
Министерство образования России
Санкт-Петербургский Государственный университет
Факультет Химический
Кафедра Электрохимии
Рассмотрено и рекомендовано «Утверждаю»
на заседании кафедры декан факультета
электрохимии,
протокол № 8 от 08.04.03г. проф. Корольков Д.В.
Зав. кафедрой
д.х.н. Малев В. В.
Программа учебной дисциплины
«ЭЛЕКТРОХИМИЯ»
вузовского компонента цикла ЕН подготовки специалиста по специализации 011000 - химия.
Разработчик: д.х.н. Малев В. В.
Рецензент: проф., д.х.н. Сидорова М. П.
Санкт-Петербург
2003 г.
Структура программы дисциплины.
I. Организационно-методический раздел.
1. Цель курса - познакомить студентов с основными теоретическими представлениями о строении двойного электрического слоя, адсорбции на электродах, кинетике электродных процессов, а также с методами изучения равновесий и скоростей электродных процессов в электрохимических системах.
2. Задачи курса - изложение основных положений электрохимической термодинамики и кинетики, привитие навыков использования электрохимических методов для решения научных и прикладных задач.
3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Курс расширяет представления студентов о равновесиях на границах раздела проводников первого и второго рода, которые предварительно излагаются в курсе физической химии, знакомит студентов с основными положениями кинетики гетерогенных электродных процессов и методами изучения равновесий и скоростей этих процессов. Успешное освоение курса предполагает знание студентами основ химической термодинамики, химической кинетики и катализа, а также навыков выполнения практических работ в области физической химии.
4. Требования к уровню освоения курса. Содержание курса является составной частью профессиональных знаний выпускников по специальности «химия», служит основой для освоения специальных курсов и выполнения практических работ.
II. Содержание курса.
1. Разделы курса: термодинамика границ раздела металлический электрод - примыкающий раствор электролита, двойной электрический слой и адсорбция на электродах, кинетика и механизмы электродных процессов, методы изучения двойного слоя и адсорбции на электродах, методы исследования кинетики электродных реакций, электроанализ и вопросы прикладной электрохимии.
2. Темы и их краткое содержание.
2.1. Термодинамика границ раздела: Уравнение адсорбции Гиббса, идеально поляризуемые и неполяризуемые электроды, термодинамика идеально поляризуемого электрода, уравнение Липпмана.
2.2. Двойной электрический слой и адсорбция на электродах: Причины возникновения двойного слоя и его строение. Модели Гельмгольца, Гуи-Чапмена, Штерна, Грэма. Теория Гуи-Чапмена строения двойного электрического слоя и соотношение между общим скачком потенциала на границе металл - раствор и потенциалом внешней плоскости Гельмгольца в отсутствие специфической адсорбции. Дифференциальная емкость электродов, контактирующих с растворами электролитов. Уравнения Ленгмюра и Фрумкина для адсорбции нейтральных молекул.
2.3. Методы изучения двойного электрического слоя и адсорбции на электродах: Метод электрокапиллярных кривых и адсорбционный метод изучения двойного электрического слоя. Методы измерения емкости двойного слоя. Влияние специфической адсорбции ионов и молекул на электрокапиллярные кривые и дифференциальную емкость ртутного электрода. Определение количества частиц, адсорбированных на поверхности ртутного электрода по данным о его емкости и натяжении. Кривые заряжения платинового электрода при адсорбции водорода и кислорода.
2.4. Кинетика электродных процессов: Законы Фарадея и плотность тока как мера скорости электродного процесса. Отдельные стадии электродного процесса и их влияние на его результирующую скорость; массоперенос, электрохимические и химические стадии. Обратимые и сугубо необратимые электродные реакции. Классическая теория гетерогенных процессов Нернста и уравнения обратимых поляризационных кривых - стационарных вольтамперных характеристик обратимых электродных процессов. Предельный диффузионный и предельный кинетический токи. Теория конвективной диффузии Левича, ее сходство и различие с теорией Нернста. Выражения для предельного диффузионного и кинетического токов на вращающийся дисковый электрод. Правило Бренстеда о линейной связи энергий активации с обобщенным тепловым эффектом реакции и коэффициенты переноса. Теория замедленного разряда Фрумкина с учетом и без учета строения двойного электрического слоя. Многоэлектронные электродные реакции. Смешанная кинетика электродных процессов, лимитируемых как стадиями переноса, так и собственно электродной реакцией. Поляризационные кривые (вольтамперные характеристики) электродных процессов в случае растворов с избытком фонового электролита. Влияние обратимых химических стадий на скорость электродного процесса, электродные процессы в растворах комплексных электролитов. Исправленные тафелевские зависимости и специфика электродных процессов в растворах с малым содержанием фонового электролита; электровосстановление анионов и ионов гидроксония.
2.5. Методы исследования электродных процессов и методы электроанализа: Определение плотностей токов обмена, коэффициентов переноса и порядка реакций по компонентам с помощью метода стационарных поляризационных кривых. Полярографический метод и метод вращающегося дискового электрода. Уравнения Ильковича и Левича для предельных диффузионных токов, их использование для установления механизмов реакций и определения коэффициентов диффузии реагирующих частиц. Потенциалы полуволны, их зависимость от природы реагирующих частиц, механизма протекания процесса и условий перемешивания (высоты ртутного столба в случае полярографических измерений). Определение равновесных и кинетических параметров предшествующих химических стадий по величинам предельных кинетических токов. Аналитические приложения электрохимических методов.
2.6. Вопросы прикладной электрохимии: Химические источники тока, сопряженные электрохимические реакции и их частный случай саморастворения металлов в кислотах как пример коррозии металлов, электрохимические методы защиты от нее. Электросинтез органических соединений и получение чистых металлов при их электроосаждении.
3. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы формирует преподаватель.
4. Примерная тематика рефератов, курсовых работ. Рефераты по данному курсу не пишутся. Темы курсовых работ выбираются в соответствии с перечисленными разделами программы и задаются преподавателем.
5. Лабораторный практикум включает выполнение следующих экспериментальных работ:
n снятие электрокапиллярных кривых на ртутном электроде в растворе сульфата натрия без добавок поверхностно-активного вещества и при его наличии (изоамиловый спирт);
n определение дифференциальной емкости амальгамированного медного электрода при его различных потенциалах в кислом растворе сульфата натрия с помощью моста переменного тока;
n исследование кинетики анодного растворения кадмия в растворах серной кислоты;
n исследование кинетики катодного выделения водорода на ртутном электроде из растворов с различными концентрациями ионов водорода;
n полярографическое исследование кинетики восстановления ионов кадмия и водорода на ртутном капельном электроде.
6. Примерный перечень экзаменационных вопросов по данному курсу. Вопросы по курсу сформулированы в экзаменационных билетах преподавателями кафедры, вопросы охватывают все перечисленные выше разделы и темы курса. В ходе экзамена преподавателем задаются дополнительные вопросы в целях проверки подготовленности студента по данному курсу.
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
| № | Наименование тем и разделов | Всего часов | Аудиторные занятия (часов) в том числе Лекции Практикум | |
| Термодинамика границ раздела | ||||
| Двойной электрический слой | ||||
| Методы исследования двойного слоя и адсорбции на электродах | ||||
| Кинетика электродных процессов | ||||
| Методы исследования кинетики и электроанализ | ||||
| Вопросы прикладной электрохимии | - | |||
| ИТОГО |
IV. Формы контроля.
Промежуточная - сдача трех коллоквиумов в практикуме по электрохимии; итоговая - экзамен по окончании семестра.