Geum.ru

Рабочая программа по дисциплине дс. 01. 02 «Современные проблемы химических источников тока и методы исследования» 240302. 65 «Технология электрохимических производств»

Вид материалаРабочая программа

Содержание


Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем
2. Требования к знаниям и умениям студентов
Подобный материал:
  1   2

Энгельсский технологический институт (филиал)

ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Кафедра «Технология электрохимических производств»


Рабочая программа

по дисциплине ДС. 01.02 «Современные проблемы химических источников тока и методы исследования»

240302.65 «Технология электрохимических производств»



Курс 5 (6)

Семестр 9 (11)

Лекции 51 (14)

Лабораторные занятия 51 (16)

Практические занятия нет

Самостоятельная работа102 (174)

Всего аудиторных 102 (30)

Всего 204 (204)
Курсовая работа 9 (11)

Курсовой проект нет

Расчетно-графическая работа нет (11,11)

Контрольная работа 10 сем

Экзамен 9 (11)

Зачет нет



Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ТЭП

«31» августа 2010 г., протокол № 1

Зав. кафедрой, профессор __________Н.Д. Соловьева


Рабочая программа утверждена на заседании УМКС

«04» октября 2010 г., протокол № 1

Председатель УМКС, профессор ___ Н.Д. Соловьева


г. Энгельс 2010


Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем

1. Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе
  1. Цель преподавания:

Учебная дисциплина «Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем» входит в группу родственных дисциплин, которые в совокупности обеспечивают специальную теоретическую и инженерно- исследовательскую подготовку инженера электрохимических производств в об­ласти химических источников тока.
  1. Задачи изучения дисциплины

Ознакомить студентов, специализирующимися в области химических ис­точников тока с современными методами исследования электрохимических сис­тем и их применением для решения современных проблем, разработки новых высокоэффективных электрохимических систем для химических источников тока, а также решения связанных с этим новых технологических решений в со­ответствии с современными требованиями.
  1. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данного курса.

С целью исключить неоправданное повторение учебного материала часть его выносится в учебные программы других дисциплин. Так, раздел 2 програм­мы изучается студентами в курсе «Электротехника и основы электроники» (5 семестр) и в факультативном курсе «Основы методики НИР» (6 семестр). Раз­дел 3-в курсах «Физическая химия» (6 семестр) и «Аналитическая химия» (раздел «Инструментальные методы анализа и исследования» в 7 семестре). Ряд вопросов из раздела 4 студенты изучают в курсе «Физики» (4 семестр) и в курсе «Теоретическая электрохимия» (6-7 семестр).

Изучение курса «Методы и приборы исследования электрохимических систем» включает помимо прослушивания лекций выполнение 4 учебно- исследовательских работ в лаборатории, семинары и коллоквиумы по всем раз­делам курса.

2. Требования к знаниям и умениям студентов

2.1 Студент должен знать:

Основные закономерности, которым подчиняются электрохимические системы, выражающиеся через зависимости тока от потенциала электрода, тока и потен­циала от длительности процесса и от температуры, от скорости перемешивания раствора, а также приборы, с помощью которых можно задавать режим процес­са и регистрировать указанные зависимости. Студент должен знать и писать следующие уравнения электрохимической кинетики:
  1. Уравнение поляризационной i , Е - кривой в условиях
  1. замедленного разряда
  2. замедленной диффузии;
  3. замедленной химической стадии;
  4. замедленной стадии кристаллизации;
  5. смешанной кинетики.
  1. Графическое определение плотности тока io, константы скорости ks, коэффициента α, энергии активации. Возможные методы.
  2. Уравнение i = f(t) при Е = const в условиях
  1. замедленного разряда;
  2. замедленной диффузии;
  3. замедленной химической стадии;
  1. замедленной стадии кристаллизации;
  2. смешанной кинетики.
  1. Графическое определение и расчет коэффициента диффузии из i,t -кривых
  2. Уравнение Е = f(t) при i = const (в соответствии с п. 2.1.1.). Графическое определение и расчет переходного времени τ, а также величины адсорбции Г и Д.
  3. Зависимость i -t для процесса катодного внедрения (графическая) и ее интерпретация при замедленной стадии,
  1. диффузии;
  2. электрохимической стадии внедрения;
  3. образования и роста зародышей;
  4. зависимости I-1 √-t; Q -t, Q - Е.
  1. Уравнения для расчета емкости двойного слоя Сдв, заряда поверхности s, пограничного натяжения о толщины д.э.с.

по теории Гельмгольца, Гуи-Чапмена, Эршлера - Грэма;

Заряда катионов (ε +) и анионов (ε _) в ионной обкладке д.э.с. и их

адсорбцию Г+ и Г_,

потенциала
  1. Методы определения ᵠт.н.з. (графической зависимости).
  2. Внешний, внутренний и поверхностные потенциалы.
  3. Уравнение электродной функции для различных типов электродов.
  4. Правило Томсона. Уравнение Гиббса- Геймгольца для эдс.
  5. Правило Лютера.
  6. Диффузионный и мембранный потенциалы. Стеклянный электрод. Ион-селективные электроды.
  7. Диаграмма термодинамической устойчивости воды.
  8. Определение термодинамических величин (∆G, ∆Н, ∆S, Кр) из измерений эдс и электродного потенциала. Электроды сравнения.
  1. Коэффициент диффузии и методы его определения ( из измерений λ, Е диф., i р, τ и т.д., из токовых измерений). Законы Фика.
  2. Методы определения адсорбции из электрохимических измерений

(по зависимости пограничного натяжения от концентрации; по кривым заряжения и спада потенциала; по кривым дифференциальной емкости; по зависимости переходного времени от плотности поляризующего тока; по циклическим потенциодинамическим кривым).
  1. Определение энергии активации электрохимической реакции по поляризационным кривым, снятым при различных температурах.
  2. Определение механизма образования зародышей при наличии стадии кристаллизации из потенциостатичнских кривых плотность тока-время, а также из гальваностатических кривых потенциал-время.

2.2. Студент должен уметь:

- правильно выбрать метод или комплекс методов для решения поставленной перед ним задачи или проблемы,

- пользоваться такими приборами как: потенциостат, мост переменного, са­мопишущий потенциометр, вращающийся дисковый электрод; правильно выбрать ячейку и электрод сравнения,

- правильно выбрать способ подготовки поверхности исследуемого электрода к эксперименту,

- провести измерения потенциала электрода, эд.с. электрохимической ячейки; - изготовить электрод сравнения и проверить его стабильность;

- собрать электрохимическую ячейку и подключить ее к источнику постоян­ного (или переменного тока);

- собрать измерительную и поляризующие цепи с исследуемой электрохими­ческой ячейкой;

- пользоваться кулонометром;

- по результатам измерений тока как функции потенциала и времени, и потен­циала как функции тока ( количество электричества) и времени, рассчитать коэффициент диффузии, адсорбцию, плотность тока обмена, энергию акти­вации; определить лимитирующую стадию процесса и сделать заключение о механизме процесса.

3. Распределение трудоемкости (час) дисциплины по темам и видам занятий



№модуля
№ недели
№ темы



ЧАСЫ

Всего
И 1=1
Лаб з.
Пр. з.
СРС

1
2
3
4
5
6
7
8
9

1
1
1
Современные проблемы элек­
9
3
-
-
6










трохимии















1
2-4
2
Современные направления в
16
8
-
-
8










функциональной гальванотех­-
























нике ( в теории и технологии
























химических источников тока)















2
4-5
3
Классификация методов иссле­
8
4
-



4










дования механизма электрохи­
























мических реакций, используе­
























мых или разрабатываемых в
























функциональной гальванотех­
























нике ( в химических источниках
























тока)


















6-7
4
Равновесные измерения
14
4
3



7




7
5
Формальная электрохимическая
5
2
-



j










кинетика


















8
6
Метод поляризационных кри­
12
2
4



6










вых


















8-9
7
Полярографический метод
4
2






2

2
9
9
Хроновольтамперометрия
10
2
3



6

2
10-
























11
9
Релаксационные методы. Ос­
12
6






6










новные гальваностатический и















2
12
10
Хронопотенциометрия
10
2
3



5

2
12-
11
Хроноамперометрия















2
13
























13
12
Метод вращающегося дискового
10
2
3



5










электрода (с кольцом)
12
2
4



6




2
14
13
Метод контактного электросо­
4
2






2










противления















2



14
Метод измерения температуры
8



4



4










на межфазной границе















3
14
15
Приборы для исследования
4
2






2




-15



электрохимических реакций.
























Общая характеристика, класси­
























фикация приборов по их назна­
























чению















3
15
16
Приборы и ячейки, используе­
2
1






1










мые при регистрации тока и по­
























тенциала















3
15
17
Специализированные приборы
2
1






1

3
16
18
Приборы и установки, исполь­
16
2
6



8










зуемые в импедансных методах















3
16-
19
Аппаратура, используемая в из­
4
2






2




17



мерениях, осуществляемых в
























режиме заданного тока















3



20
Аппаратура для измерений в
























режиме заданного потенциала















3
17
21
Направления развития методов
4
2






2










и совершенствования аппарату­
























ры
























Аппаратура, совместимая с
8



4



4










ЭВМ















4. Содержание лекционного курса






№ темы
Всего
№лек
Тема лекции.




часов
ции
Вопросы, отрабатываемые на лекции

1 #
2
3
4

1
2
1
Современные проблемы электрохимии. Механизм электрокаталитических процессов, в ча­










стности, восстановления кислорода. Установление связи между хемосорбционными свойствами по­верхности и направлением электродного процесса. Электрохимия и наука о поверхности

2
2
2
Органическая электрохимия и метод цифрового моделирования реакций. Элементарные химиче­ские реакции в конденсированной фазе. Фотоэлек­трохимические реакции. Электрохимические ас­пекты реакции.

3
2
3
Электрохимические аспекты реакции. Электрохи­мические аспекты водородного материаловедения.

4
2
4
Синтез и области практического применения ве­ществ со структурой с свойствами высокотемпера­турных сверхпроводников.

5
2
5
Биоэлектрохимия и медицина. Размерная электрохимическая обработка металлов



6


7


8


9


10


11
2


2


2


2


2


2
6


7


8


9


10


11
в растворах электролитов. Экологические пробле­мы электрохимической технологии.

Развитие представлений о процессах массопере- носа в турбулентном диффузионном слое.

Развитие и применение методов для изучения ки­нетики и механизма сложных электрохимических реакций: последовательно-параллельные реакции; массоперенос к неоднородной поверхности; кине­тика и механизм электрохимических превращений различных неорганических веществ; решение задач аналитической химии.

Классификация методов исследований механизма электрохимических реакций.

Ток обмена, константа скорости. Основные соот­ношения скорости. Равновесные измерения

Равновесный и компромиссный потенциал, их из­мерение. Определение равновесных потенциалов из кинетических исследований. Изучение зависимости равновесного потенциала от концентрации компо­нентов раствора.

Комплексообразование в растворах, расчет кон­стант устойчивости комплексных соединений. Ус­тановление состава исходных веществ и продуктов электрохимической реакции. Интерпретация ре­зультатов равновесных измерений и составление уравнения суммарной электродной реакции.

/Метод поляризационных кривых Измерения потенциала электрода при пропускании тока.

Способы измерения и учета омической составляю­щей поляризации. Способы получения поляризаци­онных кривых, форма кривых, предельные токи. Виды предельных токов. Способы определения ви­да предельного тока. Основные характеристики предельных токов, обусловленных замедленной диффузией и химической реакцией. Обработка по­ляризационных кривых при малых, средних и вы­соких перенапряжениях с учетом омической поля­ризации, обратной составляющей плотности тока и диффузии. Вывод уравнений поляризационных кривых, учитывающих обратную составляющую плотности тока и диффузию.

Определение тока обмена и коэффициентов пере­носа из поляризационных кривых. Исследование зависимости скорости электрохимического пре­вращения от концентрации компонентов раствора. Определение порядков по зависимости тока обмена






12


13


14


2


2


2


12


13


14
от концентрации компонентов раствора и тока об­мена от равновесного потенциала. Составление уравнений замедленной стадии по порядкам реак­ций. Выяснение механизма реакции по суммарной электродной реакции и уравнению замедленной стадии..

Построение поляризационных кривых при использовании методов потенциостатического и гальваностатического включения. Формальная электрохимическая кинетика Стадийные электродные реакции. Вывод уравнений для скоростей катодного и анодного процессов. Ко­эффициенты переноса при протекании стадийной электрохимической реакции. Стадийные реакции с соизмеримыми скоростями переноса электронов. Электрохимические реакции с предшествующими или последующими химическими стадиями. Ката­литические реакции. Замедленные гетерогенные и гомогенные химические стадии. Реакции с учетом адсорбированных частиц. Установление механизма реакции по порядкам электрохимических реакций.

Полярографический метод

Принцип метода. Съемка полярограмм. Диффузионные токи. Критерии диффузионного то­ка. Уравнение полярографической кривой обрати­мого электродного процесса Анодно- катодные волны. Анализ обратимых волн. Значение потен­циалов полуволн и их определение. Обратимое вос­становление комплексов, преобладающих в раство­ре. Ступенчатое комплексообразование и опреде­ление констант устойчивости комплексов по зави­симости потенциала полуволны от концентрации лиганда / метод Де Форда и Хьюмса/

Необратимые электродные процессы. Ана­лиз необратимых полярографических волн. Опре­деление коэффициента переноса и константы ско­рости электродной реакции. Определение кинети­ческих параметров из квазиобратимой полярогра­фической волны. Определение состава заряжающе­гося комплекса из необратимых полярографиче­ских волн.

Хроновольтамперометрия

Принцип метода. Обратимые электродные процессы, уравнение Рэндлса-Шевчика. Критерии обратимости электродного процесса. Необратимые процессы. Потенциалы пика и полупика, величина тока пика. Определение кинетических параметров. Вольтамперометрия с треугольной разверткой на- пряжения. Признаки необратимости процесса. Ин-











версионная вольтамперометрия.

15
2
15
Релаксационные методы










Основной потенциостатический метод. Ос­










новы метода. Определение коэффициентов перено­










са и тока обмена по этому методу. Метод ступенча­










того изменения напряжения.

16
2
16
Основной гальваностатический метод. Определе­










ние кинетических параметров электрохимической










реакции. Хронопотенциометрия. Уравнение Санда










и Караогланова. Обратимые процессы. Переходное










время. Необратимые электродные процессы. Опре­










деление кинетических параметров хроноиотенцио-










метрическим методом. Импедансная спектро­










скопия.

17
2
17
Метод вращающегося дискового электрода. (ВДЭ)










Движение жидкости вблизи вращающегося










диска. Диффузионный поток при ламинарном и










турбулентном режиме движения жидкости. Изме­










рение коэффициента диффузии. Основные уравне­










ния смешанной кинетики. Определение порядка и










константы скорости реакции. Применение ВДЭ для










решения различных электрохимических задач.

18
2
18
Вращающийся дисковый электрод с кольцом.

19
2
19
Приборы для исследования электрохимических ре­










акций.










Введение. Общая характеристика и особенности










приборов для исследования электрохимических ре­










акций. Классификация приборов но назначению:










Задающие , регулирующие и регистрирующие.










Регистрация потенциала и тока. Особенности изме­










рения потенциала исследуемого электрода. Основ­










ные источники погрешности. Компенсационные










схемы измерения потенциала.

20
2
20
Специализированные приборы.










Источники сигналов специальной формы, регуля­










торы электрического режима исследуемого элек­










трода-потенциала и тока, измерительные и функ­










циональные преобразователи.

21
2
21
Приборы и установки.










Классификация методов исследования по виду воз­










действия электрических сигналов на исследуемый










объект.

22
2
22
Приборы для реализации импедансных методов:










Фарадеевского импеданса, фарадеевских искаже-










нпй и выпрямления. Измерение емкости двойного










слоя. Мосты постоянного тока.

23
2
23
["Аппаратура для реализации методов с режимом










данного тока: основного, циклического и двухим-










пульсного гальваностатического, кулоностатиче-










ского. Хронопотенциометры. Циклическая хроно-










потенциометрия.

24
2
24
Аппаратура для реализации методов с режимом за­










данного потенциала: основного потенциостатиче-










ского, кулонометрии с заданным потенциалом,










циклической хроноамперометрии.

25
3
25
Заключение. Перспективы развития аппаратуры для










электрохимических исследований. Применение










цифровых приборов и ЭВМ для обработки резуль­










татов измерений и управления экспериментом.



5. Перечень тем практических занятий

Учебным планом не предусмотрен


6. Перечень лабораторных работ

№ те­
Всего ча­
№за
Тема лабораторной работы

мы
сов
ня-









тия



1
2
3
4

1
6
1
Определение коэффициентов диффузии из электро­










химических измерений

1



1.1.
Потенциостатическим методом







1.2.
Гальваностатическим методом

1
5
2
Определение адсорбции







2.1.
С помощью основного потенциостатического мето-

да







2.2.
Определение адсорбции с помощью метода хроно-










потенциометрии

1
4
4
Нанесение слоев сплавов методом катодного вне­










дрения в потенциосгатическом режиме

1
4
5
Определение степени восстановленное™ соедине­










ний переходных металлов путем измерения равно­










весного потенциала

1
4
6
Определение энергии активации электрохимиче­










ской реакции

2
4
7
Метод инверсионной вольтамперометрии

3
4
8
Исследование кинетики электрохимической реак­










ции методом переменного тока

3
4
9
Исследование емкости двойного электрического










слоя методом переменного тока

4
4
10
Определение температуры приэлектродного слоя




4
11
Циклирование электрода в гальваностатическом

















режиме




4
12
Циклирование электрода в потенциодинамическом










режиме. Метод циклической хроновольтамперо-










метрии




4
13
Знакомство с работой цифрового потенциостата в










комплекте с ЭВМ



7. Задания для самостоятельной работы студентов
  1. Методы описания электрохимической кинетики в рамках теории замед­ленного разряда Red-Ox систем. Константы скорости ке и к в электрохи­мии, их размерность. Описание кинетики в симметричном виде через ks. Связь