Теоретическая электрохимия - Ивановский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии электрохимических производств
Утверждаю: проректор по УР
_______________ В.В. Рыбкин
«
»
Рабочая учебная программа дисциплины
Теоретическая электрохимия
Направление подготовки
240100 Химическая технология
Профиль подготовки
Технология электрохимических производств
Квалификация (степень)
Бакалавр
Форма обучения
очная
Иваново, 2010
20 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются формирование представлений об
электрохимических системах и их составных частях, получение необходимых знаний об
электрохимических процессах и методах изучения их механизма, формирование навыков
управления электрохимическими процессами. Это одна из основных теоретических
дисциплин профиля, ибо без знания теоретической электрохимии невозможны сознательные
и эффективные подходы к разработке и организации технологических процессов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к профессиональным дисциплинам профиля, базируется на
результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла, в том числе математики,
физики, химических дисциплин. Для успешного усвоения дисциплины студент должен
знать:
- основные понятия и методы математического анализа, решения дифференциальных
уравнений; законы Ньютона и законы сохранения, элементы механики жидкостей, законы
термодинамики, законы электростатики, электронное строение атомов и молекул, основы
теории химической связи в соединениях разных типов,
строение вещества в
конденсированном состоянии,
- основные закономерности протекания химических процессов и характеристики
равновесного состояния, методы описания химических равновесий в растворах
электролитов, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и
их важнейших соединений, строение и свойства координационных соединений;
теоретические основы и принципы химических и физико-химических методов анализа;
- основные уравнения химической термодинамики; методы термодинамического описания
химических и фазовых равновесий в многокомпонентных системах; термодинамику
растворов электролитов и электрохимических систем; уравнения формальной кинетики и
кинетики сложных, цепных, гетерогенных реакций; основные понятия и соотношения
термодинамики поверхностных явлений, основные свойств дисперсных систем;
уметь:
- проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности и математической
статистики, решать уравнения и системы дифференциальных уравнений применительно к
реальным процессам, применять математические методы при решении типовых
профессиональных задач;
-определять термодинамические характеристики химических реакций и равновесные
концентрации веществ; прогнозировать влияние различных факторов на равновесие в
химических реакциях и определять направленность процесса в заданных начальных
условиях;
- использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и
количественные соотношения неорганической химии для решения профессиональных задач;
владеть:
- методами проведения физических измерений, методами корректной оценки погрешностей
при проведении эксперимента
- теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе
электронного строения их атомов и положения в Периодической системе химических
элементов, экспериментальными методами определения физико-химических неорганических
соединений.
Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении
следующих дисциплин:
- Электрохимические технологии;
- Коррозия и защита металлов;
- Технология химической металлизации и гальванопластика;
- Технология электролиза без выделения металлов;
2
-
Технология химических источников тока;
Функциональная гальванотехника;
Анодная электрохимическая обработка материалов.
3.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
-
владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации,
постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
стремится к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства, способен
приобретать новые знания в области техники и технологии, математики, естественных,
гуманитарных, социальных и экономических наук (ОК-7);
умеет критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать
средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-8);
осознает социальную значимость своей будущей профессии, обладает высокой
мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (ОК-9);
способен использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);
способен использовать знания о современной физической картине мира,
пространственно-временных закономерностях, строении вещества для понимания
окружающего мира и явлений природы (ПК-2);
способен использовать знания о строении вещества, природе химической связи в
различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и
механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире (ПК-3 );
способен планировать и проводить физические и химические эксперименты, проводить
обработку их результатов и оценивать погрешности, математически моделировать
физические и химические процессы и явления, выдвигать гипотезы и устанавливать
границы их применения (ПК-21)
способен использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов
на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-23);
способен использовать знания основных физических теорий для решения возникающих
физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания
принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы
компетентности конкретного направления (ПК-24);
готов изучать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по
тематике исследования (ПК-25).
-
-
-
-
-
-
-
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать: основные понятия и определения теоретической электрохимии; типы
электрохимических систем, их составные части и свойства; механизм электрохимических
реакций, их термодинамику и кинетику;
уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе, компьютерном
моделировании и экспериментальном исследовании электрохимических процессов, находить
взаимосвязь между природой электрохимической системы и процессами, которые могут в
ней протекать; правильно сформулировать задачу при постановке электрохимического
исследования и разработать путь ее решения;
владеть: техникой электрохимических измерений; методами анализа результатов
определения термодинамических и кинетических характеристик процессов, информацией об
областях применения и перспективах развития электрохимических технологий.
3
4. Структура дисциплины Теоретическая электрохимия
Общая трудоемкость дисциплины составляет 13 зачетных единиц, 468 часов.
Вид учебной работы
Всего
Семестры
часов
5
6
7
209
119 90
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Оформление отчетов по лабораторным работам
подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам
Подготовка к экзамену
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
81
32
96
259
51
17
51
169
56
48
50
46
59
468
32
48
28
26
35
з,э
288
24
22
20
24
з,э
180
13
8
5
8
30
15
45
90
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
Модуль 1. Введение. Законы Фарадея
Предмет и содержание электрохимии. Задачи
курса. Роль электрохимии в
современной науке и технике. Основные понятия. Классификация проводников и
прохождение постоянного электрического тока через цепь, включающую проводники I и II
рода. Катодные и анодные реакции. Основные типы электрохимических систем. Законы
Фарадея. Число Фарадея. Выход по току. Кулонометры.
Модуль 2. Равновесия в растворах электролитов
Механизм образования растворов электролитов. Термодинамические свойства
растворов электролитов. Активность и коэффициент активности.
Теория электролитической диссоциации Аррениуса. Ионные равновесия в растворах
электролитов. Теория Дебая-Гюккеля: основные предпосылки и допущения, представление о
ионной атмосфере, определение коэффициентов активности в теории Дебая-Гюккеля.
Границы ее применимости. Правило ионной силы. Ассоциация ионов в растворах. Теория
Бьеррума.
Модуль 3. Неравновесные явления в растворах электролитов
Диффузия и миграция ионов. Удельная и эквивалентные электропроводимости.
Подвижности ионов. Аномальная подвижность ионов водорода и гидроксила. Влияние
межионного взаимодействия на движение ионов. Теория Дебая-Гюккеля-Онзагера.
Электрофоретический и релаксационный эффекты. Электропроводность при высоких
частотах и больших напряженностях электрического поля.
Числа переноса и методы их определения. Зависимость чисел переноса от состава
электролита. Баланс катодного и анодного пространств электрохимической ячейки.
Электропроводность неводных растворов, расплавов и твердых электролитов.
4
Модуль 4. Термодинамика электрохимических систем
Электрохимический потенциал и электрохимическая свободная энергия Гиббса. Связь
равновесной ЭДС электрохимической цепи с максимальной работой и изменением энергии
Гиббса.
Уравнения Нернста и Гиббса-Гельмгольца. Водородная шкала электродных
потенциалов. Стандартные потенциалы. Классификация электродов. Электроды сравнения.
Химические и концентрационные цепи. Применение концентрационных цепей для
определения коэффициентов активности и чисел переноса. Диффузионный потенциал: его
оценка и устранение.
Модуль 5. Скачки потенциала на фазовых границах
Скачки потенциала на фазовых границах. Поверхностный, внешний и внутренний
потенциалы. Вольта- и гальвани-потенциалы. ЭДС как сумма гальвани-потенциалов и
вольта-потенциалов.
Условия равновесия между контактирующими фазами. Уравнение Нернста для
гальвани-потенциала.
Мембранное равновесие и мембранный потенциал. Ионселективные и ферментные
электроды. Стеклянный электрод. Биоэлектрохимия.
Модуль 6. Двойной электрический слой (ДЭС) на границе между электродом и
раствором электролита
Механизм возникновения и природа ДЭС в электрохимических системах:
возникновение ДЭС за счет переноса заряженных частиц через межфазную границу при
установлении электрохимического равновесия. Ионный скачок потенциала; нулевые
растворы и потенциал нулевого заряда; рациональная (приведенная) шкала электродных
потенциалов. Образование ДЭС за счет подведения зарядов от внешнего источника тока;
идеально поляризуемые и неполяризуемые электроды. Ток обмена.
Явления адсорбции при образовании ДЭС. Образование ДЭС за счет специфической
адсорбции ионов и предпочтительной ориентации полярных молекул растворителя и
растворенных веществ.
Электрокапиллярный метод изучения двойного электрического слоя. Поверхностная
фаза и относительные поверхностные избытки; связь поверхностных избытков ионов со
свободным зарядом контактирующих фаз. Основное уравнение электрокапиллярности;
адсорбционное уравнение Гиббса и 1-е уравнение Липпмана. Электрокапиллярные кривые в
растворах поверхностно-неактивных электролитов и в присутствии специфически
адсорбирующихся ионов и поверхностно-активных органических веществ. Распределение
потенциала в ДЭС.
Емкость межфазной границы раздела электрод  раствор электролита. Эквивалентные
электрические схемы. Влияние состава раствора и потенциала на дифференциальную
емкость. Определение потенциала нулевого заряда методом обратного интегрирования.
Теоретические представления о строении ДЭС. Модели Гельмгольца, Гуи-Чэпмена, Штерна и
Грэма.
Модуль 7. Неравновесные электродные процессы
Предмет электрохимической кинетики. Ее взаимосвязь с электрохимическими
процессами в промышленности.
Электродная поляризация и перенапряжение: знаки, методы определения.
Многостадийная природа электрохимических процессов. Лимитирующая стадия.
Стехиометрические числа отдельных стадий.
Модуль 8. Электрохимическое перенапряжение
Основные уравнения теории замедленного разряда для простых реакций с одной
электрохимической стадией: уравнение частной и полной поляризационной кривой.
Коэффициенты переноса. Ток обмена. Уравнение Фольмера. Частные случаи расчета
электрохимического перенапряжения. Уравнение Тафеля.
Влияние концентрации и специфической адсорбции участников реакции и строения
ДЭС на кинетику стадии разряда–ионизации. Уравнение Фрумкина. Кинетика
восстановления анионов.
5
Модуль 9. Диффузионная кинетика
Суммарный поток и его составляющие. Первый закон Фика и уравнение НернстаЭйнштейна. Распределение концентрации ионов в приэлектродном слое раствора при
стационарной диффузии. Эффективная толщина диффузионного слоя. Предельная плотность
тока. Влияние состава раствора и гидродинамического режима на предельный ток.
Вращающийся дисковый электрод и электрод с кольцом. Вклад миграции в перенос ионов.
Потенциал поляризованного электрода и диффузионное перенапряжение. Падение
потенциала в диффузионном слое. Уравнение поляризационной кривой для обратимых
электродов. Потенциал и ток полуволны.
Нестационарная диффузия. Уравнение второго закона Фика. Нестационарная
диффузия при потенцио– и гальваностатических условиях. Эффективная толщина
диффузионного слоя.
Модуль 10. Кинетика сложных электрохимических реакций
Электрохимические реакции с последовательным переносом нескольких электронов и
произвольным числом участников. Кажущиеся коэффициенты переноса. Уравнение частной
и полной поляризационной кривой. Полный ток обмена. Стехиометрическое число
лимитирующей стадии. Частные порядки реакций. Использование этих величин для
изучения механизма электрохимических процессов.
Химическое перенапряжение. Процессы, контролируемые гетерогенной или
гомогенной химической стадией. Кинетический предельный ток.
Перенапряжение, связанное с образованием и ростом зародышей новой фазы.
Явления пересыщения при образовании зародышей. Роль поверхностной диффузии. Эффект
Лошкарева. Адсорбционный предельный ток.
Смешанная
кинетика.
Электрохимические
процессы,
контролируемые
электрохимической и диффузионной стадией. Роль диффузионных процессов при
электроосаждении металлов. Выравнивающие агенты.
Модуль 11. Методы исследования кинетики и механизма электрохимических
процессов.
Потенцио- и гальваностатический методы. Потенцио- и гальванодинамический методы.
Циклическая вольтамперометрия. Вращающийся дисковый электрод и ВДЭ с кольцом.
Полярография. Анализ электродного импеданса.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ Наименование
п/п обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1. Коррозия и защита металлов
от коррозии
2. Электрохимические
технологии
3 Технология химической
металлизации и гальванопластика
4
5
6
7
Технология электролиза без
выделения металлов
Технология химических
источников тока
Функциональная
гальванотехника
Анодная электрохимическая
обработка материалов
№ разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
11
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
6
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Наименование раздела дисциплины
Лекц.
Практ.
зан.
4
2
4
СРС
Всего
4
4
8
Лаб.
зан.
6
6
12
Введение. Законы Фарадея
Равновесия в растворах электролитов
Неравновесные явления в растворах
электролитов
Термодинамика электрохимических
систем
Скачки потенциала на фазовых
границах
Двойной электрический слой на границе
раздела электрод-раствор электролита
Неравновесные электродные процессы
Электрохимическое перенапряжение
Диффузионная кинетика
Кинетика сложных электрохимических
реакций
Методы исследования кинетики и
механизма электрохимических
процессов
ИТОГО
20
24
24
34
36
48
8
12
4
24
48
6
6
2
24
38
10
9
2
24
45
4
10
10
11
3
12
12
12
2
4
4
2
20
24
24
30
29
50
50
55
6
6
2
21
35
81
96
32
259
468
6. Лабораторный практикум
Модуль 1. Лабораторные занятия: 6 час.
- определение выхода по току;
- сравнение показаний кулонометров различного типа;
- определение скорости электрохимической реакции с использованием законов Фарадея.
Модуль 2. Лабораторные занятия: 6 час.
- исследование ионных равновесий в растворах слабых кислот и оснований;
- исследование ионных равновесий при гидролизе;
- исследование ионных равновесий при гидратообразовании.
Модуль 3. Лабораторные занятия 12 часов.
- исследование электрической проводимости растворов электролитов;
- кондуктометрическое титрование;
- определение чисел переноса методом Гитторфа.
Модуль 4. Лабораторные занятия 12 часов.
- определение термодинамических функций обратимого гальванического элемента;
- определение ЭДС в электрохимических цепях с переносом и без переноса.
Модуль 5. Лабораторные занятия 6 часов.
- определение обратимого окислительно-восстановительного потенциала;
- изготовление хлорсеребряного электрода и потенциометрическое определение
произведения растворимости галогенидов серебра.
Модуль 6. Лабораторные занятия 9 часов.
- определение емкости двойного электрического слоя на твердом электроде;
- потенциодинамический метод изучения адсорбции водорода на Pt/Pt-электроде в
растворе H2SO4.
Модуль 7. Лабораторные занятия 3 часа.
- определение скорости электрохимических реакций методом снятия поляризационных
кривых.
Модуль 8. Лабораторные занятия 12 часов.
- исследование электрохимического перенапряжения методом стационарных
поляризационных кривых;
7
- исследование влияния природы металла на плотность тока обмена и коэффициент
переноса реакции электролитического выделения водорода;
- исследование влияния температуры на перенапряжение реакции электролитического
выделения водорода.
Модуль 9. Лабораторные занятия 12 часов.
- исследование диффузионной кинетики методом стационарных поляризационных
кривых;
- изучение зависимости предельного диффузионного тока от концентрации и
температуры;
- изучение зависимости предельного диффузионного тока от гидродинамических
условий.
Модуль 10. Лабораторные занятия 12 часов.
- определение частных порядков электрохимической реакции;
- исследование влияния природы металла на величину поляризации и структуру осадка
при электроосаждении металлов из растворов простых и комплексных солей.
- исследование влияния ПАВ на величину поляризации и структуру катодного осадка
металла;
- исследование анодного растворения и пассивации металлов;
- изучение влияния строения двойного электрического слоя на скорость
электрохимической реакции.
Модуль 11. Лабораторные занятия 6 часов.
- изучение механизма электродных процессов температурно-кинетическим методом;
- изучение кинетики электродных процессов методом электродного импеданса;
- изучение кинетики электрохимических процессов с использованием вращающегося
дискового электрода.
7. Практические занятия (семинары)
Тематика и трудоемкость практических занятий приведена в разделе 5.3.
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Курсовые проекты или работы данной дисциплине не планируются
9. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации
изучения дисциплины
Чтение лекций по данной дисциплине проводится с использованием
мультимедийных презентаций. Слайд-конспект курса лекций включает более 500 слайдов.
Презентация позволяет преподавателю четко структурировать материал лекции, экономить
время, затрачиваемое на рисование на доске схем, написание формул и других сложных
объектов, что дает возможность увеличить объем излагаемого материала. Кроме того,
презентация позволяет очень хорошо иллюстрировать лекцию не только схемами и
рисунками которые есть в учебном пособии, но и полноцветными фотографиями, рисунками,
портретами ученых и т.д. Электронная презентация позволяет отобразить физические и
химические процессы в динамике, что позволяет улучшить восприятие материала.
Студентам предоставляется возможность копирования презентаций для самоподготовки и
подготовки к экзамену.
Поскольку лекции читаются для одной группы студентов (20 – 25 чел.)
непосредственно в аудитории контролируется усвоение материала основной массой
студентов путем тестирования по отдельным модулям дисциплины.
При работе в малоконтингентной группе, сформированной из достаточно успешных
студентов, целесообразно использовать диалоговую форму ведения лекций с использованием
элементов практических занятий, постановкой и решением проблемных задач и т.д. В рамках
лекционных занятий можно заслушать и обсудить подготовленные студентами рефераты.
8
При проведении практических занятий преподавателю рекомендуется не менее 1
часа из двух (50% времени) отводить на самостоятельное решение задач. Практические
занятия целесообразно строить следующим образом:
1. Вводная часть (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
2. Беглый опрос.
3. Решение 1-2 типовых задач у доски.
4. Самостоятельное решение задач.
5. Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале
следующего).
Для проведения занятий необходимо иметь большой банк заданий и задач для
самостоятельного решения, причем эти задания могут быть дифференцированы по степени
сложности. В зависимости от дисциплины или от ее раздела можно использовать два пути:
1. Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по
трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
2. Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной
задачи.
По результатам самостоятельного решения задач следует выставлять по каждому
занятию оценку. Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию
может быть сделана путем экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в
течение 5, максимум - 10 минут. Таким образом, при интенсивной работе можно на каждом
занятии каждому студенту поставить по крайней мере две оценки.
По материалам модуля или раздела целесообразно выдавать студенту домашнее
задание и на последнем практическом занятии по разделу или модулю подвести итоги его
изучения (например, провести контрольную работу в целом по модулю), обсудить оценки
каждого студента, выдать дополнительные задания тем студентам, которые хотят повысить
оценку за текущую работу.
При проведении лабораторного практикума необходимо создать условия для
максимально самостоятельного выполнения лабораторных работ. Поэтому при проведении
лабораторного занятия преподавателю рекомендуется:
1. Провести экспресс-опрос (устно или в тестовой форме) по теоретическому материалу,
необходимому для выполнения работы (с оценкой).
2. Проверить план выполнения лабораторных работ, подготовленный студентом дома (с
оценкой).
3. Оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные (оценка).
4. Проверить и выставить оценку за отчет.
Любая лабораторная работа должна включать глубокую самостоятельную проработку
теоретического материала, изучение методик проведения и планирование эксперимента,
освоение измерительных средств, обработку и интерпретацию экспериментальных данных.
При этом часть работ может не носить обязательный характер, а выполняться в рамках
самостоятельной работы по курсу. В ряд работ целесообразно включить разделы с
дополнительными элементами научных исследований, которые потребуют углубленной
самостоятельной проработки теоретического материала.
При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине
преподавателю рекомендуется использовать следующие ее формы:
 подготовка и написание рефератов, докладов, очерков и других письменных работ на
заданные темы.
 выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - решение задач; подбор и
изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала
по отдельным разделам курса в сети Интернет.
 выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов
самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый
студент, так и часть студентов группы;
9
10. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
Всего по текущей работе в каждом семестре студент может набрать 50 баллов, в том числе:
- лабораторные работы – 25 баллов;
- практические занятия – 9 баллов;
- контрольные работы – всего 8 баллов;
- домашнее задание или реферат – 8 баллов.
Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26
баллов. Минимальное количество баллов по каждому из видов текущей работы составляет
половину от максимального.
Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в
перечисленных ниже учебных пособиях:
1. Сборник примеров и задач по теоретической электрохимии: Учебн. пособие /
А.В.Балмасов, В.Л.Киселева, О.И.Невский, В.Я.Омельченко. Иван.гос.хим.-технол.
ун-т. Иваново, 2004. - 80с.
2. Сборник задач по теоретической электрохимии: Учебн. пособие для вузов / Под ред
Ф.И.Кукоза. М.: Высш. школа. 1982. – 160 с.
Примерные темы рефератов:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
1 ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ
Строение двойного электрического слоя при электростатической адсорбции
Строение двойного электрического слоя при специфической адсорбции
Роль адсорбции органических веществ при электроосаждении металлов
Роль адсорбции ПАВ при анодном растворении металлов
Анодно-анионная активация металлов
Анодное растворение металлов в гальванотехнике и при электрохимической размерной
обработке
Роль растворителя в электродных процессах
Электрохимические преобразователи информации
Электродные процессы в неводных средах
Явления деполяризации и сверхполяризации при электроосаждении сплавов
Современные теории пассивности металлов
Принципы расчета электрических полей в электролизерах
Применение импульсных и периодических токов при электроосаждении металлов
Наводороживание при электроосаждении металлов
Поляризационные явления при электролизе
Поляризационные явления в химических источниках тока
Влияние комплексообразования на кинетику электродных процессов
Энергетика образования кристаллических зародышей
Изменение шероховатости поверхности при анодной обработке металлов
Электрохимические процессы в биологических системах
Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и
итогового контроля
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем тестирования.
Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20 заданий по каждому
модулю. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно
задание. Примеры контрольных тестов приведены ниже.
10
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Варианты тестовых заданий для контроля учебных достижений студентов
Тест 1
Электрохимической системой называют…
В растворе NaCl электрический ток переносят:
а – электроны; б – ионы Na+; в – ионы Na+ и ClЭлектродом в электрохимических системах называют…
В электрохимических системах анодом считается электрод:
а – отрицательный; б – положительный;
в – электрод, на котором протекают процессы окисления
Первый закон Фарадея формулируется:
Количество электричества, необходимое для электрохимического превращения
1 моль-экв вещества составляет:
а) 1 Кулон; б) 1 Ампер·час; в) 1 Фарадей; г) 1 Фарада
Выход по току характеризует:
а) долю энергии электрического поля, идущую на ускорение реакции;
б) долю электричества, затраченную на основной процесс;
в) долю электричества, перенесенную данным видом ионов
Наибольшей точностью обладают кулонометры:
а – весовые; б – объемные; в – титрационные
На аноде иодного кулонометра протекает реакция:
При электролизе воды количество электричества, необходимое для получения 22,4 л
водорода составляет: а – 1 F; б – 26800 Кл; в – 53,6 А∙ч
Второй закон Фарадея формулируется:
Скорость электрохимической реакции пропорциональна:
а – напряжению; б – силе тока; в – количеству электричества
На катоде весового серебряного кулонометра протекает реакция:
a) Ag+ + ē → Ag;
б) Аg → Ag+ + ē;
в) Ag+ + SCN-→ AgSCN
Электрохимический эквивалент хлората натрия для реакции

15.
16.
17.
18.
19.
20.
Cl2 + 6 H2O → 2 ClO 3 + 12 H2O + 10ē можно рассчитать по формуле:
На катоде иодного титрационного кулонометра протекает реакция:
а) 2 I- → I2 + 2ē ;
б) I2 + S2O32- + H2O → 2 I- + 2 SO42- + 4 H+;
+
в) 2 H3O + 2ē → H2 + H2O; г) I2 + 2ē → 2 IПри пропускании 19300 Кл электричества на аноде газового кулонометра выделяется:
а) 1,12 л водорода; б) 1,12 л кислорода;
в) 2,24 л водорода; г) 3,36 л гремучего газа
При электрохимическом получении цинкового порошка количество осажденного
металла меньше рассчитанного по закону Фарадея. Причиной этого является:
а) механическая потеря продукта; б) протекание на аноде реакции выделения
кислорода; в) протекание на катоде реакции выделения водорода; г) химическое
растворение цинка в электролите
Плотность тока измеряется в:
а) А∙ч; б) А/м2; в) В/м; г) А/м
Серную кислоту в электролит медного кулонометра добавляют для:
а) предотвращения побочных реакций; б) повышения электропроводности раствора;
в) облегчения реакции выделения водорода
В качестве электролита в газовом кулонометре можно использовать водный раствор: а)
Na2SO4; б) ZnSO4; в) NaOH; г) CuSO4
Тест 2
1. С ростом концентрации слабого электролита степень диссоциации:
а) уменьшается; б) увеличивается; в) проходит через максимум
2. Раствор HCl с активностью 0,01 М имеет значение рН:
а) 0,01; б) 1; в) 2; г) 10
11
3. Сколько ионов образуется при полной диссоциации молекулы ортофосфорной кислоты?
а) 1; б) 2; в) 3; г) 4
4. рН раствора слабой кислоты можно рассчитать по формуле:
а) рН = -lgC; б) рН = 1/2рka – 1/2lgC; в) рН = pka – lgC
5. рН водного раствора AlCl3 имеет значение:
а) > 7; б) 7; в) < 7
6. Буферными растворами называют…
7. С ростом концентрации ZnSO4 рН образования Zn(OH)2:
а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется
8. Числом переноса ионов называют…
9. При электролизе раствора CuSO4 концентрация ионов меди вблизи катода:
а – уменьшится; б – увеличится; в – не изменится
10. Удельной электропроводностью раствора называют…
11. Молярной электропроводностью раствора называют…
12. С ростом концентрации электролита его молярная электропроводность:
а – уменьшается; б – увеличивается; в – проходит через максимум
13. Высокая электропроводность ионов Н3О+ обусловлена…
14. Какой из перечисленных ионов обладает наибольшей электропроводностью:
а – Cl-; б – SO42-; в – OH-; г – NO315. С ростом температуры электролита его электрическое сопротивление:
а – уменьшается; б – увеличивается; в – не меняется; г – проходит через максимум.
16. Какой из перечисленных растворов при равной концентрации имеет наибольшую
электропроводность?
а – KCl; б – HCl-; в – KOH-; г – H3PO4
17. Постоянную ячейки для измерения электропроводности определяют путем…
18. При кондуктометрическом титровании раствора уксусной кислоты гидроксидом натрия
электропроводность до точки эквивалентности:
а) увеличивается; б) уменьшается; в) не меняется
19. Экстремальный характер зависимости удельной электропроводности от концентрации
обусловлен…
20. При кондуктометрическом титровании раствора гидроксида калия раствором серной
кислоты электрическое сопротивление после точки эквивалентности:
а) увеличивается; б) уменьшается; в) не меняется
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Тест 3
Условиями обратимости гальванического элемента являются:…
Формула для расчета максимальной работы, которую можно получить от гальванического
элемента, имеет вид:...
При Т=298 К равновесный потенциал электрода Cu2+│Cu с увеличением концентрации
ионов меди в 10 раз становится:
а) положительнее на 59 мВ; б) отрицательнее на 59 мВ;
в) положительнее на 29 мВ; г) отрицательнее на 29 мВ
Равновесный потенциал водородного электрода (при н.у.) при увеличении рН на единицу
становится:
а) положительнее на 59 мВ; б) отрицательнее на 59 мВ;
в) положительнее на 29 мВ; г) отрицательнее на 29 мВ
В качестве индикаторного электрода для измерения рН можно использовать электрод:
а) серебряный; б) хлорсеребряный; в) стеклянный; г) хингидронный
Стандартный потенциал реакции Fe2+ + 2ē = Fe равен –0,44 В. В каких из ниже приведенных
водных растворов растворение железа с выделением водорода невозможно согласно
термодинамике:
а) 0,1 М HCl; б) 0,1 M NaOH; в) 0,1 M CH3COOH; г) 0,1 M CH3COONa
Уравнение для расчета равновесного потенциала реакции
NO3- + 2 H+ + 2ē = NO2 + H2O имеет вид:…
12
8. Причиной возникновения диффузионного потенциала является…
9. Уравнение для расчета ЭДС гальванического элемента Cr│Cr3+, CrO42-, H+│Pt имеет вид:…
10. По величине стандартного электродного потенциала определите, какой из элементов – медь,
олово, хром или железо – наиболее устойчив к окислению
а) Cu2+|Cu EO=+0,34 В; б) Sn2+|Sn EO=0,14 В; в) Cr2+|Cr EO=0,91 В; г) Fe2+|Fe EO=0,44 В
Тест № 3
1. Электродной поляризацией называют…
2. Скорость электрохимической реакции пропорциональна:
а) электродному потенциалу; б) напряжению на ячейке, в) плотности тока;
г)перенапряжению.
3. В чем разница между поляризацией и перенапряжением ?
4. Коэффициент переноса электрохимической реакции показывает: а) долю количества
электричества, переносимую определенным видом ионов; б) долю энергии
электрического поля, идущую на ускорение прямой реакции; в) долю тока, идущую на
протекание основного процесса.
5. Что такое поляризационная кривая (приведите пример).
6. Плотность тока обмена характеризует…
7. Запишите формулы для расчета электрохимического перенапряжения:
а) вблизи равновесия; б) при значительном отклонении от равновесия.
8. В чем состоит графический метод определения постоянных в уравнении Тафеля ?
9. При введении в раствор кислоты поверхностно-активных катионов перенапряжение
реакции восстановления катионов водорода:
а) увеличится;
б) не изменится;
в) уменьшится
10. Что из перечисленного не влияет на скорость процесса, протекающего с
электрохимическим перенапряжением:
а) потенциал электрода; б) температура
раствора; в) перемешивание раствора; г) присутствие катализаторов?
11. Какое минимальное количество электродов в ячейке необходимо для снятия
поляризационных кривых:
а) 1; б) 2; в) 3; г) 4 ?
12. Возникновение диффузионного перенапряжения обусловлено:
а) уменьшением концентрации участников реакции у поверхности электрода;
б) торможением электродного процесса в стадии транспорта участников реакции;
в) увеличением концентрации участников реакции у поверхности электрода
13. Что из перечисленного влияет на величину предельного диффузионного тока:
а)концентрация реагирующего вещества; б) температура; в) потенциал электрода; г)
перемешивание электролита.
14. Поляризационная кривая для процесса катодного осаждения металла, протекающего с
диффузионным контролем, имеет вид:
15. При анодном растворении металла, протекающем с диффузионным контролем,
концентрация ионов вблизи электрода по сравнению с объемной:
а) увеличится; б)
не изменится; в) уменьшится
16. Возникновение предельного диффузионного тока вызвано:
17. Предельный ток с учетом миграции для реакции разряда анионов на катоде можно
рассчитать по формуле:
18. Для катодной реакции уравнение расчета диффузионного перенапряжения имеет вид:
19. Можно ли использовать уравнение Тафеля для расчета перенапряжения химической
реакции?
20. Предельный ток на вращающемся дисковом электроде линейно зависит от:
а) температуры; б) вязкости раствора); в) скорости вращения; г) концентрации реагента.
21. Значение потенциала полуволны полярографической кривой зависит от: а) тока,
протекающего в ячейке; б) природы электродной реакции; в) концентрации реагента; г)
скорости вытекания ртути.
22. Двухмерным зародышем называют…
13
23. Какой процесс требует большей затраты энергии: а) образование центров
кристаллизации; б) рост имеющихся кристаллов.
24. При введении в раствор NiSO4 избытка серной кислоты скорость доставки к электроду
ионов Ni2+ при прочих равных условиях:
а) увеличится; б) не изменится; в)
уменьшится
25. При замедленной стадии химической реакции на угол наклона поляризационной кривой
влияет:
а) температура; б) перемешивание электролита; в) порядок реакции; г) концентрация
электролита
26. Как отличить предельный кинетический ток химической реакции от предельного тока
диффузии?
27. Возникновение перенапряжения химической реакции обусловлено…
28. Массоперенос в растворе осуществляется за счет явлений…
29. При замедленности стадии химической реакции, предшествующей электрохимической
стадии процесса, концентрация реагирующих частиц на поверхности электрода по
сравнению с равновесной:
а) увеличится;
б) не изменится;
в) уменьшится
30. Что подразумевают под равнодоступностью поверхности вращающегося дискового
электрода?
Итоговый экзамен по дисциплине проводится в две ступени:
- тестовый экзамен (32 закрытых задания, каждое задание оценивается в 1 балл), на
котором студент должен набрать не менее 26 баллов – оценка «удовлетворительно»;
- письменный экзамен, который проводится по вопросам, приводимым ниже.
Экзаменационный билет включает шесть вопросов из приводимого ниже перечня. Ответ на
каждый вопрос оценивается из 3 баллов. Студент на письменном экзамене может набрать до
18 баллов.
Результат экзамена (максимум 50 баллов) определяется как сумма тестовой и
письменной частей.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ по дисциплине
Теоретическая электрохимия
Электрохимические системы. Особенности электрохимических реакций
Законы Фарадея и кажущиеся отклонения от них
Скорость электрохимических процессов. Выход по току
Кулонометрия. Виды кулонометров
Обратимые и необратимые электрохимические системы
Теория электролитической диссоциации
Ион-ионные и ион-дипольные взаимодействия
Основы теории Дебая-Гюккеля
Шкала рН. Расчет рН в растворах кислот и оснований
Расчет ионных равновесий при гидролизе
Буферные свойства растворов
Гидратообразование в электрохимических системах
Числа переноса ионов и методы их определения. Материальный баланс у электродов
Удельная и молярная электропроводность электролитов
Гидродинамическая, электростатическая и прототропная теории электропроводности
Влияние природы, концентрации и температуры электролита на электропроводность
Аномальная подвижность ионов водорода и гидроксила
Электропроводность расплавленных электролитов
Электропроводность твердых электролитов
Кондуктометрическое титрование
Условия обратимости и ЭДС обратимого гальванического элемента
Превращение энергии и энергетический баланс обратимого гальванического элемента
Равновесие в обратимом гальваническом элементе. Формула Нернста
14
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
Электродные потенциалы. Условия равновесия зарядов на границе электрод-электролит
Относительная шкала потенциалов. Уравнение Нернста для стандартного электродного
потенциала
Классификация обратимых электродов
Мембранные потенциалы
Диффузионный потенциал, его расчет и устранение
Электрохимические цепи
Термодинамические и кинетические условия обратимости электродов
Потенциометрия. Индикаторные электроды
Ионселективные электроды
Потенциометрическое титрование
Электрокапиллярный метод изучения двойного электрического слоя
Модели двойного электрического слоя Гельмгольца, Гуи-Чэпмена, Штерна и Грэма
Образование и строение двойного электрического слоя при электростатической
адсорбции
Образование и строение двойного электрического слоя при специфической адсорбции
Закономерности адсорбции ПАВ на электродах
Неравновесные электродные процессы. Скорость электрохимических реакций
Электродная поляризация и перенапряжение
Классификация поляризационных явлений
Виды перенапряжения
Основы теории электрохимического перенапряжения
Коэффициенты переноса. Ток обмена
Общее уравнение для расчета электрохимического перенапряжения
Частные случаи расчета электрохимического перенапряжения. Уравнение Тафеля
Влияние строения двойного электрического слоя на электрохимическое
перенапряжение
Безбарьерный и безактивационный разряд
Диффузионное перенапряжение и причины его возникновения
Распределение концентрации ионов в приэлектродном слое раствора при стационарной
диффузии
Причины возникновения и расчет предельной плотности тока при замедленном
массопереносе
Влияние состава раствора и гидродинамического режима на предельный ток
Расчет диффузионного перенапряжения для молекулярной диффузии
Расчет диффузионного перенапряжения с учетом миграции
Конвективная диффузия и метод вращающегося дискового электрода
Основы полярографии
Капающий ртутный электрод.
Потенциал и ток полуволны
Количественный и качественный полярографический анализ
Перенапряжение и причины его возникновения
Расчет перенапряжения химической реакции
Фазовое перенапряжение
Механизмы электрокристаллизации
Кинетика параллельных электродных реакций
Порядок электродной реакции
Кинетика электролитического выделения водорода – общая характеристика процесса.
Влияние природы катода на перенапряжение при электролитическом выделении
водорода
Влияние условий электролиза на электрохимическое выделение водорода
Влияние состава раствора на перенапряжение при электролитическом выделении
водорода
15
Кинетика катодного осаждения металлов. Влияние перенапряжения на структуру
катодного осадка
71. Зависимость перенапряжения при катодном осаждении от природы металла
72. Роль диффузионных процессов при электроосаждении металлов.
73. Перенапряжение при электроосаждении металлов из растворов комплексных солей
74. Влияние ПАВ на электроосаждение металлов
75. Параллельные процессы при катодном выделении металлов
76. Электроосаждение сплавов
77. Кинетика анодного растворения металлов. Общие закономерности анодного поведения
металлов
78. Анодная пассивность металлов
79. Фазовая и адсорбционная теории пассивности
80. Влияние анионного состава раствора на анодное поведение металлов
81. Транспассивное растворение металлов
82. Диаграммы Пурбе для металлов в водных растворах
83. Кинетика электролитического выделения кислорода
84. Кинетика электровосстановления кислорода
85. Электрохимическое выделение галогенов
86. Кинетика электроорганических реакций
87. Влияние природы электрода на состав продуктов реакций электровосстановления
органических веществ
88. Особенности измерения потенциалов поляризованных электродов. Причины
возникновения омической ошибки измерения потенциала
89. Методы устранения омической ошибки измерения потенциала
90. Особенности измерения потенциалов поляризованных электродов. Краевой эффект
91. Коммутаторный метод измерения потенциала
92. Потенциостатический и гальваностатический методы поляризационных измерений
93. Нестационарные поляризационные зависимости при медленном изменении потенциала
94. Нестационарные поляризационные зависимости при быстром изменении потенциала
95. Импульсный потенциостатический метод
96. Определение лимитирующей стадии с использованием вращающегося дискового
электрода
97. Вращающийся дисковый электрод с кольцом
98. Метод электродного импеданса. Аналитический способ определения кинетических
параметров электрохимической системы
99. Метод электродного импеданса. Графический способ определения кинетических
параметров электрохимической системы
100. Изучение механизма электродных процессов температурно-кинетическим методом
70.
11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия: учебник для вузов. – М.:
Химия, 2006. – 672 с.
2. Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Физико-химические основы электрохимии. –
Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. – 424 с.
3. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия: учебник для хим. и хим. -технол. спец.
вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1984. - 520 с.
4. Ротинян А. Л., Тихонов К. И., Шошина И. А. Теоретическая электрохимия / под ред.
А. Л. Ротиняна. - Л.: Химия, 1981. - 423 с.
5. Балмасов А.В., Лукомский Ю.Я. Лабораторный практикум по теоретической
электрохимии. – Иваново: Изд-во ИГХТУ. 2008. – 84 с.
6. Сборник примеров и задач по теоретической электрохимии / А.В. Балмасов, В.Л.
Киселева, О.И. Невский, В.Я.Омельченко.- Иваново: Изд. ИГХТУ, 2004. – 80 с.
16
б) дополнительная литература
1. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику.  М.: Высш.
школа, 1983. – 400 с.
2. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая
школа, 1987. - 295 с.
3. Багоцкий В. С. Основы электрохимии. – М.: Химия, 1988. – 400 с.
4. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Подловченко Б. И. и др. Практикум по электрохимии:
учеб. пособие для хим. спец. вузов. – М.: Высш. школа, 1991. – 228 с.
5. Практикум по физической химии/ Под ред. В.В. Буданова, Н.К. Воробьева: Учебное
пособие для вузов,- 5-е изд.- М.: Химия, 1986. - 347 с.
6. Шаталов А.Я., Маршаков И.К. Практикум по физической химии.- М.: Высшая школа,
1975.- 228 с.
7. Левин А.И., Помосов А.В. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии.
Учебное пособие для вузов.  М.: Металлургия, 1979.  312 с
в) программное обеспечение
- СИСТЕМНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Windows XP, Microsoft Vista
- ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА: Microsoft Office 2007
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
- база данных по учебной и технической литературе http://www.galvanicrus.ru/.
12.
Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Лекции по дисциплине проводятся в аудитории, оснащенной видеопроектором.
При проведении лабораторного практикума используется лаборатория теоретической
электрохимии, оснащенная установками для исследования электрохимических процессов,
кулонометрами, источниками постоянного тока, рН-метрами и иономерами, амперметрами и
вольтметрами, мостами переменного тока, генераторами звуковой частоты, потенциостатами
ПИ-50-1 с комплектующим оборудованием.
Перечень оборудования для каждой лабораторной работы приводится в учебном
пособии: Балмасов А.В., Лукомский Ю.Я. Лабораторный практикум по теоретической
электрохимии. Иваново: Изд-во ИГХТУ. 2008. – 84 с.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и
ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки .
Автор _________________________
(Балмасов А.В.)
Заведующий кафедрой___ ________
(Балмасов А.В.)
Рецензент (ы) ___________________
(подпись, ФИО)
Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической
химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 201__ года, протокол № ____.
Председатель НМС
_______________ (ФИО)
17