Документ 3953813

2
1 Цели и задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины является ознакомление с современными
приборами и методами исследования сложных электрохимических процессов,
овладение навыками экспериментального исследования, анализа и обработки
полученных результатов. Изучение курса направлено на формирование у студентов
навыков профессионального подхода к
выбору эффективного технологического
режима и условий электролиза, обеспечивающих максимально высокое качество
продукта при минимальных материальных и энергетических затратах.
Изучение курса базируется на знании студентами следующих дисциплин:
«Высшая математика», «Физическая химия», «Электротехника», «Теоретическая
электрохимия», «Введение в теорию растворов электролитов», «Применение ЭВМ в
химической технологии».
2 Требования к уровню освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны овладеть следующими
приемами научного исследования: понимать физический смысл основных
теоретических положений, лежащих в основе методов изучения электродных
процессов; знать основные уравнения электрохимической кинетики; владеть
методикой расчета параметров электрохимических реакций по экспериментальным
данным; уметь грамотно выбрать метод исследования того или иного электродного
процесса; уметь квалифицированно поставить и провести эксперимент по изучению
свойств электрохимической системы или кинетики электродных реакций; оценить
ошибку в определении измеряемой величины.
3 Объем дисциплины и виды учебной работы
Виды учебной работы с разбивкой объема работы по часам и семестрам
приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Виды учебной работы
Общая трудоемкость
153
Семестры
8
153
Аудиторные занятия
85
85
Лекции (Л)
34
34
Лабораторные занятия (ЛЗ)
51
51
Самостоятельная работа (СР)
68
68
Расчетно-графическая работа (РГР)
20
20
Домашнее задание (ДЗ)
12
12
Контрольная работа (КР)
2
2
Виды учебной работы
Всего часов
Вид итогового контроля
экзамен
3
4 Содержание дисциплины
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
Разделы дисциплины с разбивкой объема в часах по видам учебной работы
приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Разделы дисциплины
Раздел дисциплины
1 Введение.
2 Методы измерения электропроводимости
растворов электролитов
3
Методы
измерения
электродных
потенциалов и коэффициентов активности
4 Приборы и методы изучения кинетики
электродных процессов
5 Метод стационарных поляризационных
кривых
6 Метод вращающегося дискового
электрода
7 Определение параметров электродного
процесса методом полярографии
8 Релаксационные методы исследования
электрохимических систем.
Хроновольтамперометрия.
9
Метод
хронопотенциометрии
при
постоянном токе и при линейном изменении
тока.
10 Метод Фарадеевского импеданса
11 Циклические методы
Лекции
ЛР
СР
2
4
2
2
5
4
2
4
4
2
2
4
4
2
4
4
ДЗ
РГР
1
4
2
4
18
20
4
16
20
6
2
КР
4
2
1
1
1
4.2 Содержание разделов дисциплины
4.2.1 Введение
Классификация методов исследования электрохимических систем. Общие
вопросы
техники
измерений.
Основные
виды
ошибок
при
измерении:
инструментальные, случайные, систематические, ошибки косвенных измерений.
Расчет случайной ошибки и ошибки в случае косвенных измерений.
4.2.2 . Методы измерения электропроводимости
Классификация методов измерения электропроводимости электролитов. Метод
измерения электролитов на переменном токе (мостовой метод). Схема моста
переменного тока. Источники ошибок при измерении сопротивления раствора
мостовым методом. Способы уменьшения ошибок. Электрохимические ячейки для
измерения сопротивления растворов. Понятие о постоянной ячейки. Расчет ошибки
при определении постоянной ячейки и удельной электропроводимости электролита.
4
Определение эквивалентной электропроводимости и электропроводимости при
бесконечном разведении. Расчет ошибки при определении этих величин.
4.2.3 Методы измерения электродных потенциалов и коэффициентов
активности
Измерение равновесных потенциалов. Электрохимическая схема для измерения
равновесного потенциала. Основные требования при измерении равновесного
потенциала к изучаемому электроду, раствору и электроду сравнения. Расположение
электролитического ключа в ячейке при измерении потенциала электрода под током.
Измерение э.д.с. электрохимической ячейки. Отличие величины э.д.с. в
равновесии и под током. Основные методы измерения э.д.с. электрохимической
ячейки. Компенсационная схема измерения э.д.с. Преимущества компенсационного
метода измерения. Приборы для измерения э.д.с.: потенциометры, высокоомные
вольтметры.
Измерение э.д.с. ячейки доля определения стандартного потенциала и
коэффициента активности.
Определение состава комплексного соединения методом измерения
электропроводимости электролита.
4.2.4 Приборы и методы изучения кинетики электродных процессов
Классификация методов исследования кинетики электрохимических реакций.
Приборы и схемы, используемые для изучения кинетики электродных реакций.
Пассивные и активные регуляторы режима. Промышленные марки потенциостатов и
их
характеристики.
Приборы
для
электрохимических
исследований.
Электрохимические ячейки и электроды. Методы подготовки электродов. Методы
подготовки растворов. Подготовка посуды и электрохимической ячейки к проведению
эксперимента.
Методика изучения кинетики электрохимических процессов. Основные задачи
при исследовании кинетики электродных процессов. Виды перенапряжений. Основные
стадии электродного процесса. Скорость электрохимического превращения. Ток
обмена и константа скорости электродной реакции, стандартный ток обмена.
4.2.5 Метод стационарных поляризационных кривых
Условия, обеспечивающие стационарность поляризационных кривых. Общий вид
поляризационных кривых при различных типах лимитирующих стадий (замедленный
разряд, замедленная диффузия, смешанная кинетика, замедленная химическая
реакция, замедленное образование новой фазы). Уравнения электрохимической
кинетики для этих случаев. Обработка поляризационных кривых при малых, средних и
больших перенапряжениях. Выяснение природы замедленной стадии электродного
процесса.
Определение
кинетических
параметров
посредством
обработки
поляризационных кривых.
Вывод уравнений поляризационных кривых, учитывающих перенапряжение
диффузии и перехода. Определение тока обмена, коэффициента переноса и
равновесного потенциала методом анализа поляризационных кривых. Определение
стандартного тока обмена и константы скорости реакции. Определение коэффициента
переноса по зависимости тока обмена от концентрации компонентов раствора.
Уравнение поляризационной кривой в случае электродной реакции,
протекающей по механизму смешанной кинетики. Методика определения тока обмена
и коэффициента переноса в условиях смешанной кинетики.
5
Анализ поляризационных кривых в случае, когда скорость электродного
процесса контролируется замедленной гомогенной химической реакцией, замедленной
гетерогенной химической реакцией. Химическая реакция предшествует электродной
реакции и следует за ней.
Анализ электродных процессов комплексов металлов. Метод амальгамной
полярографии. Методика определения состава комплекса, разряжающегося на
электроде. Высшее координационное число комплекса, координационное число
комплекса, участвующего в электродной реакции.
4.2.6 Метод вращающегося дискового электрода
Физические основы метода. Уравнение предельной диффузионной плотности
тока ан вращающемся дисковом электроде. Определение коэффициента диффузии,
концентрации разряжающихся ионов, числа электронов, участвующих в электродной
реакции с помощью вращающегося дискового электрода. Использование методики
вращающегося дискового электрода для определения замедленной стадии.
Определение параметров электродных процессов и порядка реакции с помощью
вращающегося дискового электрода. Разделение двух процессов, одновременно
протекающих на электроде. Исследование электродных процессов с предшествующей
химической реакцией.
Вращающиеся электроды других форм. Вращающийся электрод с кольцом.
Изучение стадийных процессов с помощью вращающегося дискового электрода с
кольцом.
4.2.7 Определение параметров электродного процесса и методом
полярографии
Принцип метода. Принципиальная схема полярографа. Особенности ртутного
электрода. Съемка полярограмм. Требования к растворам. Уравнение Ильковича для
мгновенного тока, для среднего тока.
Уравнение полярографической волны для обратимого электрохимического
процесса. Анализ обратимых волн. Значение потенциалов полуволн и их определение.
Определение характеристик комплексных соединений (координационного числа
комплекса и константы нестойкости) методом анализа обратимых полярографических
волн.
Необратимые процессы. Анализ необратимых полярографических волн.
Значение потенциалов полуволн необратимых процессов. Методика проверки
обратимости процесса. Определение константы скорости электродной реакции,
коэффициента переноса и равновесного потенциала.
4.2.8 Релаксационные методы исследования электрохимических систем.
Хроновольтамперометрия
Принципы релаксационных методов исследования электродных процессов.
Приборы для проведения релаксационных методов исследования: осциллографы,
потенциостаты. Основной потенциостатический метод. Определение замедленной
стадии процесса и параметров электрохимической реакции.
Хроновольтамперометрия при линейном изменении потенциала. Уравнение
Рэндлса-Шевчика. Потенциал пика, ток пика. Сравнение поляризационных
зависимостей для обратимых и необратимых процессов. Зависимость тока пика от
6
скорости изменения потенциала. Другие формы изменения потенциала.
4.2.9 Хронопотенциометрия
Основной гальваностатический метод. Уравнение Фика с начальными и
граничными условиями. Частный случай решения задачи хронопотенциометрии
(область малых перенапряжений).
Хронопотенциометрия
при малых токах и отсутствии диффузионных
затруднений. Определение емкости двойного электрического слоя, тока обмена и
коэффициента переноса по кривой включения. Анализ кривых выключения.
Хронопотенциометрия при больших токах и значительных диффузионных
ограничениях. Уравнение Караогланова-Санда. Переходное время. Обратимые
процессы. Методика проверки обратимости процесса. Смешанная кинетика.
Определение кинетических параметров электродного процесса в случае малых и
больших перенапряжений.
Последовательное
восстановление двух ионов.
Исследование электродных процессов с предшествующей реакцией первого порядка.
Хронопотенциометрия
при
линейном
изменении
тока.
Анализ
хронопотенциограмм в случае последовательного восстановления двух ионов.
4.2.10 Метод Фарадеевского импеданса
Комплексное сопротивление в цепях переменного тока. Моста переменного тока.
Принцип мостового метода измерения и понятие об эквивалентной схеме
электролитической
ячейки.
Импеданс
идеально
поляризуемого
электрода,
сопротивление переноса заряда, диффузионный импеданс Варбурга. Вывод
импеданса Эршлера-Рэндлса.
Расчет элементов эквивалентной схемы. Метод Эршлера-Рэндлса. Графоаналитический метод. Метод Слюйтерса (комплексной плоскости).
4.2.11 Циклические методы
Циклические методы изучения электрохимических систем. Разновидности
циклических
методов.
Циклическая
хроноамперометрия.
Циклическая
хроновольтамперометрия. Хронопотенциометрия с изменением направления тока.
5 Лабораторный практикум
Наименования лабораторных работ с указанием разделов дисциплины, к
которым они относятся, приведены в таблице 3.
Таблица 3 — Распределение лабораторных работ по разделам дисциплины
Номер раздела
дисциплины
4.2.1
4.2.2.
4.2.3.
4.2.6.
4.2.8.
4.2.9.
4.2.9.
Наименование лабораторных работ
Мытье посуды и ячейки. Приготовление растворов.
Подготовка электродов.
Определение характеристик комплексных соединений
методом измерения электропроводимости.
Исследование
состава
комплексного
соединения
методом потенциометрии.
Метод вращающегося дискового электрода
Хроновольтамперометрия при линейном изменении
потенциала
Хронопотенциометрия при задании постоянного тока
Хронопотенциометрия при линейном изменении тока
7
Тематика расчетно-графических работ:
Целью расчетно-графических работ является приобретение студентами навыков
постановки серии экспериментов и комплексного исследования транспортных свойств
и кинетики электродных процессов различных электрохимических систем.
Примерный перечень тем расчетно-графических работ:
1. Анализ электрохимических свойств системы: Cu│CuSO4+Na2SO4.
2. Влияние концентрации серной кислоты на свойства системы:
Cu│CuSO4+H2SO4.
3. Анализ электрохимических свойств системы: Zn│ZnO+NaOH (избыток).
4. Анализ электрохимических свойств системы: Sn│SnCl2+HCl.
5. Анализ электрохимических свойств системы, моделирующей процесс
пирофосфатного меднения.
6. Анализ электрохимических свойств системы, моделирующей процесс
никелирования: Ni│NiSO4+NaCl+NH4Cl.
6 Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1 Рекомендуемая литература
6.1.1 Основная литература
1. Стойнов З.Б., Графов Б.М., Савово-Стойнова Б., Елкин В.В. Электрохимический
импеданс. М.: Наука, 1991. – 336с.
2. Практикум по электрохимии /Под ред.Б.Б. Дамаскина: Учебное пособие. М.:
Высшая школа, 1991. - 288 с.
3. Г.К. Будников, В.Н. Майстренко, М.Р. Вяселев. Основы современного
электрохимического анализа. М.: Мир: Бином ЛЗ, 2003. - 592с.
4. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия: Учебное пособие. - М.: Высшая
школа, 1987. - 295 с.
5. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.,
Высшая школа, 1983. – 400с.
6. Кравцов В.И. Равновесие и кинетика электродных реакций комплексных
металлов. Л., Химия, 1985. – 235с.
6.1.2 Дополнительная литература
1. Попова С.С. Методические исследования электрохимических процессов:
Учебное пособие по курсу «Современные приборы и методы исследования в
электрохимии», Саратов, 1991. – 62с.
2. Мурашова И.Б., Останина Т.Н. Основы проведения поляризационных
исследований. / Методические указания к лабораторным работам по
дисциплине «Приборы и методы исследования электрохимических систем».
Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2002.21с.
3. Тарасевич М.Р., Хрущева Е.И., Филиновский В.Ю. Вращающийся дисковый
электрод с кольцом. М., Наука, 1987. - 248с.
4. Фрумкин А.Н. Двойной электрический слой и электродная кинетика. М., Наука,
1981. –376с.
5. Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические цепи переменного тока. М., Наука,
1973.
6. Галюс З. Теоретические основы электрохимического анализа. М., Мир, 1974.
8
7. Феттер К. Электрохимическая кинетика. М., Химия, 1967. – 846с.
8. Мурашова И.Б. Исследование состава комплексного соединения методом
потенциометрии. / Методические указания к лабораторной работе по
дисциплине «Приборы и методы электрохимических исследований».
Екатеринбург: УПИ, 1987. – 12с.
6.2 Средства обеспечения освоения дисциплины
В процессе изучения дисциплины используются:



два комплекта задач для домашнего контрольного задания;
учебный материал в электронном виде;
контрольные программы по курсу для подготовки к сдаче семестровой аттестации
и экзамена;
комплект задач для рубежного контроля;
методические указания по выполнению расчетно-графической работы,
предполагающей исследование электрохимической системы разными методами;
комплекты экспериментальных данных, полученных разными методами (метод
стационарных поляризационных кривых (замедленный разряд и смешанная
кинетика), хронопотенциометрия, метод вращающегося дискового электрода,
метод фарадеевского
импеданса) для отработки
методики расчета
электрохимических параметров.



7 Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционный материал должен
специализированным оборудованием:


изучаться
в
аудитории,
оснащенной
современным компьютером с подключенным к нему цветным сканером и
цветным принтером;
проектором с видеотерминала персонального компьютера на настенный экран.
Обучение навыкам экспериментальной исследовательской работы проводится в
специально оборудованных помещениях, а именно:
 специализированная электрохимическая лаборатория, в состав которой входят
потенциостаты, мост переменного тока, источники питания, измерительные
приборы, электрохимические ячейки, установки для очистки воды, средства
приготовления растворов и т.п.;
 компьютерный класс для обработки экспериментальных данных.
8 Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины
Рекомендации для преподавателя включают в себя следующее:

глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, ознакомление,
переработку литературных источников; составление списка литературы,
9
обязательной для изучения и дополнительной
собственных исследований в этой области;




литературы;
проведение
разработку контрольных задач и примеров этих задач, выдаваемых студентам
для их самостоятельной работы при подготовке к контрольным работам в
аудитории;
разработку методики изложения курса: структуры и последовательности
изложения материала; составление тестовых заданий, контрольных вопросов,
примеров задач, входящих в контрольные работы;
разработка методики самостоятельной работы студентов;
постоянную корректировку структуры, содержания курса.
Рекомендации для студента включают в себя следующее:


обязательное посещение лекций ведущего преподавателя; лекции – основное
методическое руководство при изучении дисциплины, оптимальным образом
структурированное и скорректированное на современный материал; в лекции
глубоко
и
подробно,
аргументировано
и
методологически
строго
рассматриваются главные проблемы темы; в лекции даются необходимые
разные подходы к исследуемым проблемам, излагаются основы решения задач,
входящих в контрольные работы;
подготовку и активную работу в самостоятельных занятиях; подготовка к
аудиторным занятиям и контрольным работам включает проработку материалов
лекций, рекомендованной учебной литературы, решение примеров задач по
курсу, предлагаемых преподавателем.
10
12
13
14
15
16
17
18