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.
^
Организационно-методический раздел.
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.
Задачи курса - изложение основных положений электрохимической термодинамики и кинетики, привитие навыков использования электрохимических методов для решения научных и прикладных задач.
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.
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.
^
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.
Темы и их краткое содержание.
Термодинамика границ раздела: Уравнение адсорбции Гиббса, идеально поляризуемые и неполяризуемые электроды, термодинамика идеально поляризуемого электрода, уравнение Липпмана.
^ : 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.
^ : 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.
^ : 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.
^ : 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.
^ : 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.
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы формирует преподаватель.
Примерная тематика рефератов, курсовых работ. Рефераты по данному курсу не пишутся. Темы курсовых работ выбираются в соответствии с перечисленными разделами программы и задаются преподавателем.
Лабораторный практикум включает выполнение следующих экспериментальных работ:
снятие электрокапиллярных кривых на ртутном электроде в растворе сульфата натрия без добавок поверхностно-активного вещества и при его наличии (изоамиловый спирт);
определение дифференциальной емкости амальгамированного медного электрода при его различных потенциалах в кислом растворе сульфата натрия с помощью моста переменного тока;
исследование кинетики анодного растворения кадмия в растворах серной кислоты;
исследование кинетики катодного выделения водорода на ртутном электроде из растворов с различными концентрациями ионов водорода;
полярографическое исследование кинетики восстановления ионов кадмия и водорода на ртутном капельном электроде.
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.
^
№
|
^
|
Всего часов
|
Аудиторные занятия (часов) в том числе
Лекции Практикум
|
1
|
Термодинамика границ раздела
|
|
4
|
2
|
2
|
Двойной электрический слой
|
|
6
|
2
|
3
|
Методы исследования двойного слоя и адсорбции на электродах
|
|
6
|
12
|
4
|
Кинетика электродных процессов
|
|
8
|
10
|
5
|
Методы исследования кинетики и электроанализ
|
|
6
|
10
|
6
|
Вопросы прикладной электрохимии
|
|
2
|
-
|
ИТОГО
|
|
32
|
36
|
IV. Формы контроля.
Промежуточная - сдача трех коллоквиумов в практикуме по электрохимии; итоговая - экзамен по окончании семестра.
^
Рекомендуемая основная литература.
1. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1983.
2. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. М.: Химия, 2001.
3. Корыта И., Дворжак И., Богачкова И. Электрохимия. М.: Мир, 1977.
Кравцов В. И., Красиков Б. С., Цвентарный Е. Г. Руководство к практическим работам по электрохимии. Л.: ЛГУ, 1979.
Дополнительная литература:
1. Гейровский Я., Кута Я. Основы полярографии. М.: Мир, 1965.
2. Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов. М.: Мир, 1967.
Плесков Ю. В., Филиновский В. Ю. Вращающийся дисковый электрод. М.-Л.: Наука, 1972.
Фрумкин А. Н. Потенциалы нулевого заряда. М.: Наука, 1982.
|
