Документ 392355

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Л.М.Волосникова
__________ _____________ 2011г.
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 «Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/В.И.Баканов/
«______»___________2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры
неорганической и физической химии от «__»___________2011г. протокол №___
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем __15__ стр.
Зав. кафедрой ______________________________/О.В.Андреев /
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК
ИМЕНИТ от «__»___________2011г. протокол №___
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/И.Н.Глухих /
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/С.А.Федорова /
«______»_____________2011 г.
1
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра неорганической и физической химии
В.И.Баканов
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 «Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
2
БАКАНОВ
В.И.
Нестационарные
методы
исследования
электродных процессов. Учебно-методический комплекс. Рабочая
программа для студентов направления 020100.62 «Химия»,профиль
подготовки «Физическая химия», форма обучения очная.
Тюмень, 2011, _15__ стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Нестационарные методы исследования электродных процессов
[электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru.,
свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической
химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского
государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: О.В.Андреев,
заведующий кафедрой неорганической и
физической химии, д-р хим. наук
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Баканов В.И., 2011.
3
1. Пояснительная записка
Рабочая
программа
дисциплины
«Нестационарные
методы
исследования электродных процессов» составлена в соответствии с
требованиями к результатам, условиям и структуре подготовки бакалавров
по направлению 020100.62 «Химия» Федерального государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования.
1.1.
Цели и задачи дисциплины
Основная цель курса – дать теоретические основы электрохимических
методов, которые широко используются для решения как аналитических, так
и физико-химических задач.
Конкретными задачами являются ознакомление студентов с
современными электрохимическими методами и приобретение навыков
изучения закономерностей протекания электродных процессов.
1.2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная дисциплина относится к дисциплинам по выбору
профессионального цикла. Для изучения курса требуются предварительные
знания по высшей математике, физике и электрохимии.
Успешное освоение курса позволяет перейти к выполнению научноисследовательской работы.
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО.
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на
формирование следующих компетенций:
-общекультурных:
ОК-6- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа
и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
ОК-9-владеет основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с
компьютером как средством управлениями информацией;
- профессиональных:
4
ПК-1- владеет основами теории фундаментальных разделов физической
и аналитической химии;
ПК-2 - владеет основами теории фундаментальных разделов
физической химии;
ПК-3 - способен применять основные законы химии при обсуждении
полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз
данных;
ПК-4 - владеет навыками химического эксперимента, основными
методами исследования химических веществ и реакций;
ПК-6 - владеет навыками работы на современной учебно-научной
аппаратуре при проведении химических экспериментов;
ПК-7 - имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в
аналитических и физико-химических исследованиях;
ПК-8- владеет методами регистрации и обработки результатов
химических экспериментов.
В области воспитания личности целью подготовки является
формирование
социально-личностных
качеств
студентов:
целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать теорию современных электрохимических методов и их применение в
решении проблем аналитической химии, охраны окружающей среды и
осаждении металлов.
Уметь самостоятельно выбирать подходы для построения моделей
электродных процессов, находить необходимые кинетические параметры
электродных процессов, решать задачи электрохимического анализа
многокомпонентных систем.
Владеть основами методов исследования электродных процессов,
навыками работы со справочной литературой и методикой представления
экспериментальных данных.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 8. Форма промежуточной аттестации зачет . Общая трудоемкость
дисциплины составляет 2 зачетных единицы 72 часа.*
5
3.
Тематический план.
Таблица 1.
1
1.
1.
2
1.
2
Модуль 1
Основы теории электродных
процессов
Всего
Модуль 2
Теоретические основы
нестационарных
электрохимических методов
Методы изучения электродных
процессов в растворах
комплексов металлов
Всего
Модуль 3
Аппаратура, методика
электрохимического
эксперимента и обработка
результатов измерений
Всего
Итого (часов, баллов):
Самостоятельна
я работа*
Лекции*
недели семестра
Тема
Семинарские
(практические)
занятия*
Виды учебной работы и
самостоятельная работа, в
час.
№
из них в интерактивной
форме, в час.
Тематический план(VIII семестр)
Итог
о
часов
по
теме
Итого
количеств
о баллов
3
4
5
6
7
8
9
1-5
5
5
12
2
22
0-30
5
5
12
2
22
30
6-10
6
6
10
3
22
0-30
11-13
2
2
6
1
10
0-20
8
8
16
4
32
50
4
4
10
18
0-20
4
17
4
17
10
38
18
72
20
0 – 100
14-17
6
6
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля(VIII)
№
Название темы
1.
Основы
теории
электродных процессов
Всего
1.
2.
Всего
Итого
0-4
Теоретические основы
нестационарных
электрохимических
методов
Методы изучения
электродных процессов
в растворах комплексов
металлов
0-8
0-10
0-30
0-8
Модуль 2
0-4
0-8
0-8
0-10
30
0-8
0-10
0-30
0-2
0-4
0-4
0-10
0-20
0-12
Модуль 3
0-4
0-8
0-12
0-20
50
0-8
0-20
0-4
0-14
0-8
0-28
20
0-100
0-6
Аппаратура, методика
электрохимического
эксперимента
и
обработка результатов
измерений
Итого
баллов
0-8
0-4
Всего
1.
Формы текущего контроля (баллы)
Коллокв Собеседова Ответ
на Контрольн
иумы
ния
семинаре
ая работа
Модуль 1
0-8
0-28
0-30
7
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов(VIII семестр)
№
Модули и темы
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Модуль 1
1.1
Основы
теории Подготовка к
коллоквиумам
электродных
, семинарам и
процессов
контрольным
работам
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
Теоретические
Подготовка к
основы
коллоквиумам
нестационарных
, семинарам и
электрохимических
контрольным
методов
работам
2.2
Методы изучения
Подготовка к
электродных
коллоквиумам
процессов в
, семинарам и
растворах
контрольным
комплексов металлов работам
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1
Аппаратура,
Подготовка к
методика
коллоквиумам
электрохимического
эксперимента
и
обработка
результатов
измерений
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
Работа с
вопросами
для
самоконтро
ля
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-5
12
30
12
Работа с
вопросами
для
самоконтро
ля
Работа с
вопросами
для
самоконтро
ля
30
6-10
10
30
11-13
6
20
16
Подготовка
к
собеседован
ию
14-17
50
10
20
10
38
20
0-100
8
4.
Содержание дисциплины.
Модуль 1.
Тема 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Общая характеристика электродных процессов. Стадии электродного
процесса. Процессы переноса вещества. Три основных уравнения
диффузионной кинетики. Постановка простейшей краевой задачи. Теория
конвективной диффузии. Основные уравнения теории замедленного заряда.
Константа скорости при стандартном потенциале. Поляризационные кривые.
Общий характер поляризационной кривой. Поляризационные кривые при
стандартной диффузии. Катодное восстановление ионов металла. Анодное
растворение металла. Совместное восстановление ионов металла. Обратимые
и необратимые процессы. Классификация электрохимических методов.
Электроосаждение металлов и сплавов. Зарождение и рост кристаллов на
катоде. Структура катодных осадков. Механизм электроосаждения металлов
и сплавов. Электроосаждение пленок.
Модуль 2.
Тема 1. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Основной потенциостатический метод. Нестационарная диффузия в
потенциостатических условиях. Изменение концентрации деполяризатора.
Выражение для тока. Потенциостатические кривые для обратимых и
необратимых процессов. Критерий обратимости для электрохимических
реакций.
Вольтамперометрия
при
линейном
изменении
потенциала.
Вольтамперные кривые для обратимых процессов. Вольтамперные кривые
при обратимом осаждении металлов. Вольтамперные кривые для
необратимых электродных процессов. Применение вольтамперометрии с
линейным изменением потенциала в аналитической практике. Основной
гальваностатический метод. Хронопотенциометрия при постоянном токе.
Выражения для концентраций веществ O и R. Переходное время.
Гальваностатические кривые для обратимых и необратимых процессов.
Общее уравнение гальваностатической кривой. Аналитические возможности
хронопотенциометрии.
Метод фарадеевского импеданса. Общее выражение для Rs и Cs.
Импеданс электрохимической реакции при учете стадии при учете стадии
9
разряда-ионизации и диффузии реагирующих веществ. Графический способ
анализа электродного импеданса. Применение синусоидальных переменнотоковых методов в аналитической химии. Квадратно-волновая полярография.
Предварительное осаждение вещества на электродах. Инверсионная
вольтамперометрия при линейном изменении потенциала. Применение
переменного тока в инверсионной вольтамперометрии. Инверсионная
хронопотенциометрия. Инверсионная вольтамперометрия твердых фаз.
Применение инверсионных электрохимических методов в аналитической
химии.
Тема 2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В
РАСТВОРАХ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ
Функции, характеризующие ступенчатое комплексообразование в
растворах. Механизм реакций замещения лигандов. Равновесные
электродные потенциалы в растворах комплексов металлов. Расчет констант
устойчивости
комплексов.
Обратимые
электродные
процессы
восстановления комплексов металлов. Электродные процессы комплексов
металлов, ограниченные электрохимической реакцией и диффузией.
Исследование кинетических процессов в растворах комплексов металлов.
Влияние строения двойного электрического слоя на скорость восстановления
комплекса металла.
Модуль 3.
Тема 1. АППАРАТУРА, МЕТОДИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ИЗМЕРЕНИЙ
Электрохимические ячейки и электролизеры. Рабочие(индикаторные)
электроды. Вспомогательные электроды и электроды сравнения. Очистка
воды, реактивов и подготовка посуды. Аппаратура для электрохимических
измерений. Потенциостаты. Полярографы.
Вольтамперометрические
системы.
Особенности
проведения
прямых
и
инверсионных
электрохимических измерений. Расшифровка поляризационных кривых и
метрологические оценки результатов измерений.
10
5. Планы семинарских занятий.
Семинары начинаются 10-15 минутной проверкой знаний студентов,
затем следует рассмотрение у доски теоретических вопросов, заканчиваются
семинары обсуждением существующих проблем.
Тематика семинаров:
1. Кинетика электродных процессов. Основные кинетические
уравнения.
2. Современные представления о механизме образования новой фазы
на электродах и росте кристаллов.
3. Электроосаждение металлов из комплексных электролитов.
4. Электрохимическое поведение бинарных систем на твердых
электродах.
5. Потенциостатический метод как метод изучения образования
зародышей и роста осадка при электроосаждении металлов.
6. Исследование процессов разряда-ионизации металлов методом
вольтамперометрии.
7. Современные
методы
исследования
формирования
нанокристаллических пленок металлов.
8. Электрохимическое осаждение полупроводниковых пленок.
6. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Рабочей
программы
дисциплины
«Нестационарные
методы
исследования электродных процессов» предусмотрена самостоятельная
работа студентов в объеме 38 часов.
Студентам предлагаются следующие формы самостоятельной работы:
подготовка к коллоквиумам, семинарам, контрольным работам и зачету.
11
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ
VIII семестр
Модуль 1.
Тема 1.
Электродный
процесс.
Стадия
электродного
процесса.
Лимитирующая стадия. Диффузионная стадия. Основные законы и
уравнения диффузии электрохимической реакции. Константа скорости. Ток
обмена. Коэффициент переноса. Электродная поляризация. Деполяризатор.
Перенапряжение. Концентрационная поляризация. Диффузионный ток.
Предельный диффузионный ток. Кинетический ток. Стационарный ток.
Нестационарный ток. Поляризационная кривая. Обратимый процесс.
Необратимый процесс.
Дать обоснование причинам электродной поляризации.
Изложить основы теории концентрационной поляризации.
Дать обоснование основному уравнению электрохимической кинетики.
Проанализировать основное уравнение электрохимической кинетики.
Изложить основы теории замедленного разряда-ионизации.
Привести уравнение Фольмера и Фрумкина, указать принципиальное
различие.
7. На основании кинетического уравнения проанализировать зависимость
поляризации от концентрации окисленной формы вещества.
8. Проанализировать зависимость перенапряжения от плотности тока,
пояснить графически. Написать уравнение Тафеля.
9. Привести две формы кинетического уравнения.
10.Вывести уравнения общей поляризационной кривой для процесса
восстановления ионов металла.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Модуль 2.
Тема 1.
Потенциостатическая кривая. Потенциал полуволн. Вольтамперная
кривая. Скорость развертки потенциала. Ток в максимуме. Потенциал
максимума.
Гальваностатическая
кривая.
Переходное
время.
Хронопотенциограмма. Импеданс фарадеевский. Импеданс диффузионный.
Поляризационное сопротивление.
Метод электрохимический инверсионный. Вольтамперометрия
инверсионная.
Хронопотенциометрия
инверсионная.
Диффузия
ограниченная. Потенциал электролиза (накопления). Время электролиза
12
(накопления). Вольтамепрограмма (пик). Ток пика. Потенциал пика.
Активность осадка.
1.
Объяснить форму потенциостатической кривой.
2.
Вывести уравнение, описывающее потенциостатическую кривую.
3.
Дать анализ общего уравнения потенциостатической кривой.
4.
Привести критерий обратимости процесса в потенциостатическом
методе.
5.
Объяснить форму I-E кривой.
6.
Привести уравнения вольтамперных кривых для а) обратимого процесса
и б) необратимого процесса. Привести уравнение для расчета
кинетических параметров из вольтамперных измерений.
7.
Объяснить форму гальваностатической кривой.
8.
Привести уравнения гальваностатических кривых для а) обратимого
процесса и б) необратимого процесса.
9.
Привести уравнение для расчета кинетических параметров из
гальваностатических измерений.
10. Дать обоснование графическому методу анализа электродного
импеданса.
11. Рассчитать время накопления данного количества металла на электроде
при заданной величине тока.
12. Объяснить
форму
вольтамперной
кривой
в
инверсионной
вольтамперометрии.
13. Сформулировать краевую задачу и обосновать вывод уравнений для
концентраций окисленной и восстановленной форм металла.
14. Привести уравнение для расчета кинетических параметров из
инверсионных измерений.
15. Объяснить характер зависимости тока пика от концентрации ионов
металла в растворе.
16. Объяснить форму хронопотенциометрической кривой растворения
металла, сконцентрированного на электроде.
17. Записать
форму
для
расчета
переходного
времени
из
хронопотенциометрической кривой.
18. Привести уравнение для расчета кинетических параметров из
инверсионных измерений при E=const/
19. Назвать известные подходы для описания процессов растворения
твердой фазы, сконцентрированной на электроде.
20. Дать обоснование современного подхода для описания электродных
процессов, осложненных возникновением твердой фазы.
13
Тема 2.
Константа устойчивости комплекса. Термодинамическая константа
устойчивости.
Ступенчатая
константа
устойчивости.
Лиганд.
Одноядерный комплекс. Координационная сфера. Координационное число.
Координационная емкость. Хелатный комплекс. Высший комплекс. Степень
образования комплекса. Замещение лиганда. Функция закомплексованности.
Функция образования. Электродный процесс комплекса.
1. Дать
вывод
функций,
характеризующих
ступенчатое
комплексообразование в растворах.
2. Рассчитать степень образования комплексов при различных
концентрациях лиганда.
3. Привести выражения для скоростей замещения лигандов по различным
механизмам.
4. Рассчитать константы устойчивости и составы комплексов по методу
Ледена на основании данных измерения потенциала металлического
электрода.
5. Привести расчет констант устойчивости аммиачных комплексов данного
металла по Бъерруму.
6. Привести уравнения, на которых основан расчет состава и констант
устойчивости комплексов, участвующих в обратимом процессе
восстановления комплексов металлов.
7. Сформулировать подходы к рассмотрения кинетики электродных
процессов с участием комплексов металлов.
8. Привести критерий, на основании которого можно сделать вывод о
наличии замещенной химической стадии диссоциации комплекса.
9. Рассчитать состав комплекса, участвующего в катодной реакции
пирофосфатного комплекса металла, и порядок реакции по зависимости
плотности тока обмена от концентрации лиганда.
10.Рассчитать состав комплекса, образующегося при растворении металла
в данном электролите.
14
7. Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов
учебной работы в процессе изучения дисциплины «Нестационарные методы
исследования электродных процессов» используются следующие активные и
интерактивные формы проведения занятий:
-лекции
-практические занятия
-семинар в диалоговом режиме
-научная дискуссия
-презентация новых технологий
Кроме т ого используются дополнительные формы обучения по отдельным
темам в виде текущей проверки знаний на основе типовых задач.
8.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
8.1.
Основная литература:
1. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику.
М.: ВШ, 1975. Гл.П,Ш.
2. Галюс З. Теоретические основы электрохимического анализа. М.:
Мир,1974. 552с.
3. Кравцов В.И. Электродные процессы в растворах комплексов металлов.
Л.: ЛГУ, 1985-208с.
4.Баканов В.И. Нестационарные электрохимические методы. Тюмень:
ТюмГУ, 1993. 227с.
8.2.
Дополнительная литература:
1.
Дамаскин Б.Б. принципы современных методов изучения
электрохимических реакций. М.: МГУ, 1965. 102с.
2. Брайнина Х.З., Нейман Е.Я. Твердофазные реакции в
электроаналитической химии. М.: Химия, 1982. 264с.
3. Выдра Ф., Штулик К. Инверсионная вольтамперометрия.М.:Мир.1980.-278с.
9.
Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины (модуля).
В учебном плане для освоения дисциплины используются следующие
технические средства:
-мультимедийное оборудование(на лекциях);
15
-приборы и оборудование учебного назначения
-компьютеры
16