УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД УМКД 042-18-10.1.15 Программа дисциплины Редакция №2 /02-2014 «Основы теоретической от 18.09.2014г электрохимии» для студентов УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ» для специальности 5В072000– «Химическая технология неорганических веществ» ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ДЛЯ СТУДЕНТОВ Семей 2014 УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 2 из 13 Предисловие 1 РАЗРАБОТАНО Составитель ________ « 26 » августа 2014г Ж.Т. Лебаева старший преподаватель кафедры «Химия» 2. ОБСУЖДЕНО 2.1 На заседании кафедры «Химия» Протокол от « 29 » августа 2014г ., № 1 Заведующий кафедрой ________ Б.Х. Мусабаева 2.2 На заседании учебно-методического бюро факультета Инженерно-технологический Протокол от « 12 » сентября 2014г ., № 1 Председатель __________________ С.С. Толеубекова 3. УТВЕРЖДЕНО Одобрено и рекомендовано к изданию на заседании Учебно- методического совета университета Протокол от « 18 » сентября 2014г ., № 1 Председатель УМС __________________ 4 ВЗАМЕН редакции №1 от 18.09.2013г Г.К. Искакова УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 3 из 13 Содержание 1 2 3 4 5 6 7 Общие положения Содержание дисциплины и распределение часов по видам занятий Методические рекомендации по изучению дисциплины Формат курса Политика курса Политика выставления оценок Литература 4 6 8 10 10 11 13 УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 4 из 13 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1 Общие сведения о преподавателе и дисциплине Лебаева Жемис Темергаливна Кафедра «Химия» Контактная информация – тел: 35-05-90, учебный корпус № 9, кабинет № 416 Место проведения занятий – аудитория № 416 Количество кредитов по данной дисциплине – 3 1.2 Краткое описание содержания дисциплины: Электрохимия является разделом физической химии, в котором изучаются законы взаимосвязи химических и электрических явлений. Закономерности электрохимии являются теоретической основой для разработки важных технических процессов электролиза и электросинтеза, т.е. получения химических продуктов на электродах при прохождении тока через растворы (получение хлора и щелочей, получение и очистка цветных и редких металлов, электросинтез органических соединений). Важной областью практического применения электролиза является гальванотехника электропокрытие металлами. Другая важная область техники, в основе которой лежат электрохимические процессы, это создание химических источников тока (гальванических элементов, в том числе аккумуляторов), в которых химическая реакция используется как источник электрического тока. Электрохимия является теоретической основой электрохимических методов анализа (кулонометрия, кондуктометрия, потенциометрия, полярография и др.). Основным предметом электрохимии являются процессы, протекающие на электродах при прохождении тока через растворы, электродные процессы. Можно выделить два основных раздела электрохимии : термодинамику электродных процессов, охватывающую равновесные состояния систем электрод - раствор, и кинетику электродных процессов, изучающую законы протекания этих процессов во времени. Электрохимия изучает также теорию электролитов. Курс «Основы теоретической электрохимии» рассматривает теоретические основы равновесия в растворах электролитов: взаимодействие между электролитом и растворителем; теорию электролитической диссоциации Аррениуса и межионного взаимодействия. Даётся теоретическая интерпретация неравновесным явлениям в растворах электролитов: диффузии, миграции и числу переноса ионов, электропроводности растворов электролита. Подробно рассматриваются электрохимические системы, классификация электродов и электродных реакций; электродные потенциалы, уравнение Нернста. Излагается теория двойного электрического слоя (ДЭС), механизм его возникновения и методы изучения; емкость ДЭС; модели ДЭС; уравнения ДЭС, расчет компонентов заряда. В процессе изучения курса предусматривается подробное рассмотрение теоретических основ неравновесных электродных процессов (электродная поляризация и перенапряжение; основные закономерности УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 5 из 13 диффузионной кинетики при стационарной и нестационарной диффузии; электрохимическое перенапряжении). 1.3 Цель изучения дисциплины: является изучение основ теории электрохимических процессов; ознакомление с общими законами электрохимии, ее связи с современными технологиями; формирование у студентов знаний и умений, позволяющих моделировать электрохимические явления и проводить численные расчеты соответствующих физико-химических величин. 1.4 Основная задача изучения дисциплины: сформировать базовые знания и основные понятия электрохимии, представления о ее фундаментальных законах и основных методах. Обобщить и систематизировать знания, включающие термодинамику и кинетику электрохимических процессов; рассмотреть основные экспериментальные закономерности электрохимических явлений, принципы построения теорий электрохимии на их основе; рассмотреть основные методы экспериментального и теоретического исследования электрохимических явлений, использование электрохимических явлений в современных технологиях; установить область применимости моделей, применяемых в электрохимии, рассмотреть способы вычисления физикохимических величин, характеризующих явления; обеспечить овладение методологией физико-химических исследований. 1.5 Результаты обучения: В результате изучения дисциплины студент должен: - знать базовую терминологию, относящуюся к электрохимическим явлениям, основные понятия, законы электрохимии и их математическое выражение; фундаментальные опыты, лежащие в основе учения об электрохимических явлениях; основные методы исследования электрохимических явлений. - владеть ясными и конкретными принципами и закономерностями, благодаря которым можно будет изучать дисциплину; - усвоить теоретичекие основы процесса; - уметь продемонстрировать связь фундаментальных экспериментов с теорией электрохимии с помощью известных математических методов; - понимать решение задач по данной дисциплине; проводить эксперименты по измерению электрохимических величин с использованием простых методов обработки результатов измерения - иметь представление об электрохимии как разделе физической химии и ее роли в современной химии; о процессах, протекающих в растворах электролитов; - приобрести навыки о границах применимости законов и теорий электрохимии; о принципах использования электрохимических явлений в современных технологиях. 1.6 Пререквизиты курса: 1.6.1 Теоретическая неорганическая химия 1.7 Постреквизиты курса: 1.7.1 Технология электрохимических производств и плазмохимия 1.7.2 Основы металлургии УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 6 из 13 1.7.3 Технология редких благородных металлов 2 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ ПО ВИДАМ ЗАНЯТИЙ Таблица 2 № т/б Наименование темы 1 1 2 1. «Введение. Общая характеристика электрохимических процессов». Предмет электрохимии. Проводники первого и второго рода. Особенности электрохимических реакций. 2. «Развитие представлений об электролитической диссоциации». Теория электролитической диссоциации Аррениуса. Ионные равновесия в растворах электролитов. Недостатки классической теории электролитической диссоциации. 3. «Ион-дипольное взаимодействие в растворах электролитов» Энергия кристаллической решетки. Энергия сольватации. Энтропия сольватации ионов. Состояние ионов в растворах. 4. «Межионное взаимодействие в растворах электролитов» Термодинамическое описание равновесий в растворах электролитов. Теория Дебая-Хюккеля. Ионная ассоциация в растворах электролитов. 2 3 4 Количество часов Литера тура ЛК 3 1 ЛБ 4 - СПЗ 5 1 СРОП 6 2 СРО 7 5 2 - 1 1 5 1 2 3 7 8 9 11 2 - 1 2 5 1 2 3 2 - 1 1 5 1 2 3 7 8 9 11 8 1 2 3 7 8 9 11 УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 5 6 7 8 9 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 7 из 13 5. «Неравновесные явления в растворах электролитов» Электролиз. Законы Фарадея. Удельная и эквивалентная электропроводности в растворах электролитов. Подвижность ионов. Теоретическая интерпретация электропроводности электролитов. Числа переноса и методы их определения. 6. «Равновесные электродные потенциалы». Понятие электродного потенциала. Термодинамическая трактовка равновесных электродных потенциалов. Классификация электродов. Концепция электронного равновесия на границе металл-раствор. 7. «Электрохимические цепи». Физические цепи. Концентрационные цепи. Химические цепи. 3 - 1 2 5 1 2 3, 7 8 9 11 2 - 1 1 5 1 2 3 7 8 9 11 2 - 2 2 5 8. «Электрокинетические и электрокапиллярные явления» Электрокинетические явления. Электрокапиллярные явления. Потенциалы нулевого заряда и нулевые точки металлов. 9. «Двойной электрический слой». Теория конденсированного двойного слоя. Теория диффузного двойного слоя. 2 - 2 2 5 1 2 3 7 8 9 11 1 2 3 7 8 9 11 3 - 1 2 5 1 2 3 4 5 6 УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Адсорбционная двойного слоя. Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 8 из 13 теория 10 10. «Кинетика электродных процессов». Электродвижущая сила поляризации. Электродная поляризация. Общая характеристика стадий электродного процесса. Классификация поляризационных явлений. 11 11. «Концентрационная поляризация». Понятие о диффузионном перенапряжении. Теории диффузионного перенапряжения. Общая характеристика реакционного (химического перенапряжения). 12 12. «Кинетика некоторых электрохимических реакций». Катодное выделение водорода. Электровосстановление кислорода. Общая характеристика электрохимического выделения металлов. 13 13. «Электрохимическая коррозия металлов». Общая характеристика коррозии металлов. Условия возникновения коррозии металлов. Методы защиты металлов от коррозии. 3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3 - 1 2 5 3 - 1 2 5,5 1 2 3 7 8 9 11 3 - 1 2 6 1 2 3 7 89 11 2 - 1 1,5 6 12 3 78 РЕКОМЕНДАЦИИ Организация учебных занятий 10 11 12 1 2 3 7 8 9 11 ПО ИЗУЧЕНИЮ УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 9 из 13 При изучении курса «Основы теоретической электрохимии» наряду с освоением фундаментальных законов, теорий и понятий является приобретение навыков экспериментальной работы в лаборатории, умение делать теоретические выводы из наблюдений, опытных данных и проводить численные расчеты соответствующих физико-химических величин. Основные теории и закономерности электрохимических процессов и явлений освещаются на лекциях. Конспекты лекций являются основой для подготовки к практическим занятиям, позволяют свободно ориентироваться и работать с литературой. Одним из важных форм учебных занятий является лабораторный практикум. Здесь приобретаются навыки работы в лаборатории, постановки эксперимента. На лабораторных занятиях подтверждаются теоретические подходы, закономерности дисциплины. Развивается химическое мышление, а также способности к исследовательской работе. Изучение дисциплины предполагает самостоятельную работу студентов, на которую отводится значительная часть бюджета времени. Самостоятельная работа вне аудитории предполагает работу с учебной литературой, выполнение домашних заданий, подготовку к текущим лабораторным занятиям. Лекции Конспекты лекций являются отправным моментом для последующего изучения материала. Обязательно ведение конспектов на лекциях. Полезно конспекты лекций дополнять материалом из учебников и учебных пособий, внося соответствующие записи в лекционные тетради. Записи можно дополнить на консультациях лектора. Практические занятия Подготовка к практическим занятиям включает: -изучение теоретического материала темы по лекционным конспектам, учебникам и учебным пособиям; -ознакомление с методами решения задач; -выполнение упражнений, решение задач. Особо следует подчеркнуть, что для решения ряда задач необходимо использовать справочные данные; -выполнение лабораторных работ по отдельным темам. Подготовка к лабораторным работам предполагает: -изучение теоретического материала темы по лекционным конспектам, учебникам и учебным пособиям; -ознакомление с методикой, содержанием работы, необходимыми приборами, реактивами, посудой по практикуму или другим пособиям, методическим разработкам; -написание краткого конспекта в лабораторном журнале, который должен содержать цель работы, порядок операций, ход выполнения опыта, а также расчёты, которые необходимо произвести по результатам эксперимента. Выполнение лабораторной работы: -лабораторные работы выполняются каждым студентом индивидуально; -студент к выполнению лабораторной работы приступает после получения допуска преподавателя; УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 10 из 13 -результаты эксперимента заносятся в журнал, производятся необходимые расчёты, делаются выводы; -по выполненной работе защищается отчёт. Самостоятельная работа Значительно повышается доля самостоятельной работы студента в образовательном процессе. Программа курса разделена на 2 модуля: «Теория электролитов», «Электрохимия гетерогенных систем». В свою очередь каждый из модулей объединяет ряд определенных тем. Их изучение предполагает самостоятельную работу с учебниками, учебными пособиями. Кроме того, выполняются самостоятельно лабораторные работы, расчётные задачи, домашние задания. Контроль по выполнению самостоятельной работы осуществляется преподавателем посредством устного опроса, письменных контрольных работ, тестов, коллоквиумов, рубежного контроля. Рекомендации по работе с литературой После ознакомления с программой курса необходимо выбрать основную учебную литературу, выяснить наличие её в библиотеке или возможность работы в читальном зале. При изучении каждой темы предлагается список дополнительной литературы, методические пособия и методические указания. После получения задания преподавателя приступаете к чтению материала по учебникам и пособиям. Выясняете сущность вопроса. Формулировки законов, определения, формулы необходимо запоминать. При необходимости для лучшего запоминания материала делаете краткий конспект или дополняете материал лекции. Более детальное изучение вопроса возможно при работе с дополнительной литературой. Теоретический курс сопровождается выполнением упражнений и задач. Задания обычно предлагают из задачников. Обратите внимание: в задачниках обычно приводится методика решения задач, основные приёмы. Вопросы, которые могут возникнуть при работе с учебником, рекомендуется отметить в тетради и затем можно выяснить у преподавателя на занятиях. 4 ФОРМАТ КУРСА Формы учебных занятий: лекции, лабораторно-практические занятия. 1 час лекции составляет 50 мин. 1 час практических занятий составляют 50мин. Планируются также самостоятельная работа студентов в аудитории и вне аудитории. График самостоятельной работы студентов и отчет по ним проводится по расписанию кафедры. Контроль по выполнению самостоятельной работы осуществляется в форме устного собеседования, домашних заданий с решениями задач, контрольными работами, тестовыми заданиями. 5 ПОЛИТИКА КУРСА Требования к студенту в процессе изучения дисциплины: УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 Редакция № 2 от 18.09.2014 Страница 11 из 13 - Посещение лекций, ведение конспекта обязательно. Допустимы пропуски по уважительным причинам (наличие справки) с обязательной сдачей материала, пропущенной лекции в форме, предложенной лектором. - На лабораторные занятия студент допускается при наличии конспекта лабораторной работы, знания хода выполнения работы. - Обязательная подготовка к практическим занятиям. - Лабораторные работы, обработка результатов эксперимента студентами выполняются самостоятельно; использование готовых результатов исключено. - Выполнение заданий и отчет по самостоятельной работе согласно графику. - В лаборатории студент обязан быть в халате и соблюдать требования техники безопасности. 6 ПОЛИТИКА ВЫСТАВЛЕНИЯ ОЦЕНОК Распределение баллов по дисциплине «Основы теоретической электрохимии» Нед еля 1 1 2 3 4 5 Вид контроля 2 Посещение всех видов аудиторных занятий с 1 по 7 неделю Выполнение ПЗ «1.Равновесие в растворах электролитов. Электролитическая диссоциация». Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «1.Равновесие в растворах электролитов. Электролитическая диссоциация». Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «2.Электростатическая теория сильных электролитов». Конспект, отчет, контрольные вопросы СРО по теме: Термодинамический и кинетический подходы к проблеме сольватации. Энергия кристаллической решетки. Энергия сольватации. Механизмы образования растворов электролитов Выполнение ПЗ «3.Неравновесные явления в растворах электролитов. Законы Фарадея». Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «4.Электропроводность Всего баллов 3 30 Таблица 3 Примечание 4 Преподаватель отмечает факт отсутствия обучающегося на занятиях ПЗ 20 ПЗ 20 ПЗ 40 СРО 1 20 ПЗ 20 ПЗ УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 6 7 Редакция № 2 от 18.09.2014 растворов электролитов». Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «5.Определение ионной проводимости» (лабораторная работа1)». Конспект, отчет, контрольные вопросы СРО по теме: Потенциалы ячеек с переносом. Гальванический элемент и его отличие от электролизера. Классификация электродов и электрохимических цепей. Электроды сравнения Обзорное занятие Рубежный контроль 1 – тестирование по материалам лекций 1-7 неделю Итого баллов по результатам обучения с 1 по 7 неделю Посещение и подготовка к аудиторным занятиям с 8 по 15 неделю 8 9 10 11 12 Выполнение ПЗ «7.Работа с одним реактором в постоянном (непрерывном) режиме» (лабораторная работа2). Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «7.Работа с одним реактором в постоянном (непрерывном) режиме» (лабораторная работа2). Конспект, отчет, контрольные вопросы. СРО по теме: Электроосмос, электрофорез, потенциалы течения и седиментации. Характеристика электрокапиллярных явлений. Основные теоретические представления. Выполнение ПЗ «8.Работа только с одним реактором в постоянном (непрерывном) режиме с эффектом смешивания» (лабораторная работа3). Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «8.Работа только с одним реактором в постоянном (непрерывном) режиме с эффектом смешивания» (лабораторная работа3). Конспект, отчет, контрольные вопросы Выполнение ПЗ «9.Теории двойного электрического слоя». Конспект, отчет, контрольные вопросы Страница 12 из 13 20 ПЗ 40 СРО 2 90 ПЗ 300 30 Преподаватель отмечает факт отсутствия обучающегося на занятиях 15 ПЗ 15 ПЗ 40 СРО 3 15 ПЗ 15 ПЗ 10 ПЗ УМКД 042-18-10.1.15/02-2014 13 14 15 Редакция № 2 от 18.09.2014 Выполнение ПЗ «10.Электрохимические свойства окислительно – восстановительных систем» (лабораторная работа4).». Конспект, отчет, контрольные вопросы СРО по теме: Прохождение электрического тока через растворы электролитов. Законы Фарадея. Выход вещества по току. Суммарная электродная реакция Выполнение ПЗ «11.Неравновесные электродные процессы». Конспект, отчет, контрольные вопросы Обзорное занятие Рубежный контроль 2 – тестирование по материалам лекций 8-15 неделю Итого баллов по результатам обучения с 8 по 15 неделю Итого баллов за экзамен Итого баллов за академический период Страница 13 из 13 15 ПЗ 40 СРО 4 15 ПЗ 90 ПЗ 300 400 1000 7 ЛИТЕРАТУРА 1. Основная литература 7.1.1 Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. шк. Изд 3-е переработанное. 2007. 519с. 7.1.2 Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л.: «Химия», 2002. 567с. 7.1.3 В.С.Багоцкий. Основы электрохимии. М.: Химия. 1988. 7.1.4 Практические работы по физической химии / под.ред. Мищенко: М. Высшая школа. 1982. 7.1.5 Практикум по электрохимии / под.ред. Б.Б.Дамаскина. М.: Высшая школа. 1991. 288с. 7.1.6 И.А.Семиохин. Сборник задач по электрохимии. М.: МГУ. 2006. 97 с. 2. Дополнительная литература 7.2.1 Дж. Ньюмен. Электрохимические системы. М.: Мир. 1977. 463с 7.2.2 Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия. 2001. 624с 7.2.3 Корыта И., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия. М.: Мир. 1977 7.2.4 Краткий справочник физико-химических величин./ под ред. А.А.Равделя, А.М.Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 7.2.5 А.Г. Стромберг, Д.П.Семченко. Физическая химия.М.,1988. 7.2.6 Ф.И. Кукоз. Сборник задач по теоретической электрохимии.М., 1982.
