РПУД междисц.итогового экз Электрохимия 1x (новое окно)

Санкт-Петербургский государственный университет
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ИТОГОВОГО ЭКЗАМЕНА
Междисциплинарный итоговый экзамен по направлению "Химические науки".
Электрохимия
Interdisciplinary Final Exam in Chemical Sciences. Electrochemistry
Язык(и) обучения
русский
Трудоемкость в зачетных единицах: 3
Регистрационный номер рабочей программы: 025441
Раздел 1.
Характеристики учебных занятий
1.1. Цели и задачи учебных занятий
Проверить сформированность компетенций, позволяющих присвоить квалификацию
«Преподаватель-исследователь»
1.2. Требования подготовленности обучающегося к освоению содержания учебных
занятий (пререквизиты)
Полностью завершенный курс теоретического и практического обучения по
образовательной программе по направлению подготовки "Химические науки".
1.3. Перечень результатов обучения (learning outcomes)
Присвоение квалификации «Преподаватель-исследователь»
1.4. Перечень и объём активных и интерактивных форм учебных занятий
Не предусмотрено
Раздел 2.
Организация, структура и содержание учебных занятий
2.1. Организация учебных занятий
2.1.1 Основной курс
Трудоёмкость
итоговая аттестация
(сам.раб.)
промежуточная аттестация
(сам.раб.)
текущий контроль (сам.раб.)
сам. раб. с использованием
методических материалов
в присутствии
преподавателя
Самостоятельная работа
под руководством
преподавателя
итоговая аттестация
промежуточная
аттестация
текущий контроль
коллоквиумы
контрольные работы
лабораторные работы
практические
занятия
консультации
семинары
лекции
Код модуля в составе
дисциплины,
практики и т.п.
Контактная работа обучающихся с преподавателем
Объём активных и интерактивных
форм учебных занятий
Трудоёмкость, объёмы учебной работы и наполняемость групп обучающихся
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
3й год
обучения
ИТОГО
2
106
1-8
2
1-1
106
0
3
Виды, формы и сроки текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Виды итоговой аттестации
Формы текущего контроля
Виды промежуточной
Код модуля в
(только для программ итоговой
аттестации и дополнительных
успеваемости
аттестации
составе
образовательных программ)
дисциплины,
Формы
Сроки
Виды
Сроки
Виды
Сроки
практики и т.п.
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
3й год обучения
итоговый
экзамен,
устно,
традиционн
ая форма
3
по графику
итоговой
аттестации
2.2. Структура и содержание учебных занятий
1. Общие вопросы
2. Равновесные и неравновесные свойства электролитов
3. Основы термодинамики гетерогенных электрохимических систем
4. Двойной электрический слой и явления адсорбции на межфазных границах
5. Кинетика электродных процессов
6. Электрохимические производства
Раздел 3.
Обеспечение учебных занятий
3.1. Методическое обеспечение
3.1.1 Методические указания по освоению дисциплины
Не предусмотрено
3.1.2 Методическое обеспечение самостоятельной работы
Литература из списка информационного обеспечения
3.1.3 Методика проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации и критерии оценивания
Экзамен проводится в форме защиты (доклад с использованием презентаций) по
материалу экзаменационного билета (включающего один вопрос), полученного за одну
неделю до защиты. В ходе собеседования с членами экзаменационной комиссии аспирант
должен быть способен продемонстрировать успешное овладение навыками
педагогической деятельности, в частности уметь подготовить и прочитать лекцию на
заданную тему.
Критерием оценивания доклада (30 мин) служит четырехбалльная система. По качеству
представленного презентационного материала, умению демонстрировать педагогические
навыки, степени чёткости и полноты ответов на вопросы аттестационной комиссии по
докладу ставятся следующие оценки: "отлично", "хорошо", "удовлетворительно" и
"неудовлетворительно".
3.1.4 Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости и
промежуточной аттестации (контрольно-измерительные материалы, оценочные
средства)
Список вопросов
1. Предмет и структура современной электрохимии. Место электрохимии среди
других наук. Основные исторические этапы развития электрохимии. Области
применения электрохимии и перспективы ее дальнейшего развития.
2. Ион-дипольное взаимодействие и причины устойчивости ионных систем.
Термодинамические и модельные методы расчета энергии сольватации.
Химическая и реальная энергии сольватации.
3. Энтропия сольватации ионов. Динамическая теория сольватации и понятие об
отрицательной гидратации.
4. Термодинамика растворов электролитов. Коэффициенты активности ионов и
методы их определения. Равновесия в растворах электролитов.
5. Методы определения констант равновесия. Теория кислот и оснований. Виды ионионного взаимодействия в растворах электролитов, ассоциация ионов.
6. Вывод уравнений теории Дебая—Хюккеля для потенциала ионной атмосферы и
для коэффициента активности. Применение теории Дебая—Хюккеля к растворам
сильных и слабых электролитов.
7. Современное состояние теории растворов электролитов. Типы растворителей и их
свойства. Корреляционные подходы к сравнению свойств растворителей.
Спектроскопические методы исследования растворов электролитов. Состояние
ионов в растворе.
8. Неравновесные явления в растворах электролитов: диффузия, миграция и ионные
реакции. Уравнения Нернста—Эйнштейна и Нернста—Планка. Диффузионный
потенциал. Понятие удельной и эквивалентной электропроводности. Закон
Кольрауша.
9. Числа переноса и методы их определения. Подвижности отдельных ионов, их
определение и зависимость от ионного радиуса, концентрации электролита и от
температуры раствора. Аномальная подвижность. Влияние вязкости среды на
транспортные явления в растворах. Интерпретация явлений электропроводности с
точки зрения теории Дебая—Хюккеля (электрофоретический и релаксационный
эффекты; уравнение Онсагера; эффекты Вина и Дебая—Фалькенгагена).
10. Представление о структуре и электропроводности неводных растворов, расплавов
и твердых электролитов. Полимерные электролиты. Растворы, содержащие
сольватированные электроны.
11. Понятие об электрохимическом потенциале. Условие электрохимического
равновесия на отдельной межфазной границе и в электрохимической цепи. Скачки
потенциала на границах раздела фаз; разности потенциалов Гальвани и Вольта.
Понятие электродного потенциала; стандартный электродный потенциал.
12. Уравнение Нернста. Концепция электронного равновесия на границе электрод—
раствор. Взаимные превращения химической и электрической энергии в
электрохимической системе.
13. Термодинамика гальванического элемента; уравнение Гиббса—Гельмгольца.
Методы определения коэффициентов активности, констант равновесия ионных
реакций и чисел переноса на основе измерений электродвижущих сил.
14. Электрохимическое равновесие на границе двух несмешивающихся жидкостей, на
мембранах и ион-селективных электродах. Принцип работы стеклянного
электрода. Электрохимические сенсоры.
15. Механизм образования и принципы экспериментальных методов изучения
двойного электрического слоя. Электрокапиллярные явления на жидких и твердых
электродах. Поверхностный избыток, адсорбционное уравнение Гиббса. Вывод и
проверка общего уравнения электрокапиллярности. Зависимость пограничного
натяжения от потенциала, состава раствора, температуры и природы металла.
16. Понятие о полном и свободном заряде электрода. Потенциалы нулевого
свободного и нулевого плного заряда; методы их определения.
17. Термодинамическая теория поверхностных явлений на металлах, адсорбирующих
водород и кислород. Проблемы Вольта и абсолютного скачка потенциала.
Импеданс электрода и эквивалентные электрохимические схемы.
18. Емкость двойного электрического слоя; ее зависимость от потенциала электрода,
состава раствора и его концентрации. Роль металлической обкладки в строении
двойного электрического слоя.
19. Методы изучения двойного слоя на металлах группы платины: адсорбционный
метод, методы кривых заряжения, вольтамперометрии, изоэлектрических сдвигов
потенциала, радиоактивных индикаторов.
20. Оптические и рентгеновские методы изучения границы раздела электрод-раствор.
Физические методы ex situ. Сканирующая туннельная микроскопия и
спектроскопия и другие зондовые методы.
21. Сканирующая электрохимическая микроскопия. Двойной слой на границе
раствор—воздух. Модельные теории двойного слоя. Вывод уравнений для заряда
электрода в теориях Гуи-Чапмена, Штерна и Грэма. Эффект Есина-Маркова.
22. Явление частичного переноса заряда при адсорбции ионов. Гидрофильность
поверхности. Методы изучения и теория обратимой адсорбции органических
соединений на электродах.
23. Двумерные фазовые слои и фазовые переходы в поверхностных слоях. Методы
изучения и характерные особенности адсорбции органических веществ на металлах
платиновой группы.
24. Строение двойного слоя на оксидных и полупроводниковых электродах. Двойной
электрический слой на границе электрод/расплав и электрод/твердый электролит.
25. Кристаллографическая структура поверхности и ее роль в строении двойного
электрического слоя. Понятие о фрактальных поверхностях. Методы определения
величины истинной поверхности электродов.
26. Общая характеристика электродных процессов и понятие лимитирующей стадии.
Механизмы массопереноса: диффузия, миграция и конвекция.
27. Стационарная диффузия при разряде ионов на одноименном металле, на ртути и на
амальгаме и роль явлений миграции в этих процессах. Теория конвективной
диффузии.
28. Вращающийся дисковый электрод и его использование для изучения
электрохимической кинетики. Вращающийся дисковый электрод с кольцом.
29. Нестационарная диффузия к плоскому и сферическому электродам при постоянном
потенциале. Теория полярографического метода. Полярографические максимумы и
их теоретическая интерпретация.
30. Вольтамперометрия.
Осциллографическая
полярография.
Диффузионный
импеданс. Различные виды полярографии на переменном токе.
31. Хронопотенциометрия. Основные принципы и блок-схемы релаксационных
методов
изучения
электрохимической
кинетики
(импульсный
потенциостатический метод, импульсный и двухимпульсный гальваностатические
методы, кулоностатический метод, методы фарадеевского импеданса и
фарадеевского выпрямления).
32. Электрохимическая импедансная спектроскопия. Тонкослойные методы.
Ультрамикроэлектроды. Метод кварцевого микровзвешивания. Представления о
работе пористого электрода, суспензионных и флюидизированных электродов.
33. Основные положения теории замедленного разряда. Ток обмена. Зависимость
скорости реакции от температуры. Идеальная и реальная энергии активации.
Влияние структуры двойного электрического слоя и природы электрода на
скорость стадии разряда.
34. Процессы электровосстановления ионов гидроксония и анионов на электродах с
высоким перенапряжением выделения водорода. Роль работы выхода электрона в
кинетике электродных процессов.
35. Фотоэмиссия электронов из металла в раствор. Электрохимическая генерация
сольватированных электронов.
36. Особенности электрохимической кинетики на полупроводниковых электродах.
Теория и методы изучения электрохимических процессов, включающих
гомогенные или гетерогенные химические стадии.
37. Кинетические и каталитические токи. Влияние комплексообразования на кинетику
электродных реакций.
38. Стадийный перенос электронов в электрохимических реакциях. Механизм реакции
выделения водорода и электровосстановления кислорода на различных электродах.
39. Роль адсорбции поверхностно-активных веществ в электрохимической кинетике.
Кинетика электрохимических реакций с участием органических веществ.
40. Общие методы установления механизма сложной электрохимической реакции.
Методы определения природы интермедиатов электродных процессов. Кинетика
разложения амальгам и ее связь с перенапряжением водорода на ртути в кислых и
щелочных растворах.
41. Электрокатализ. Сорбция и адсорбция водорода электродными материалами.
Важнейшие типы электродных материалов.
42. Термодинамика и кинетика электрохимической нуклеации. Механизм реакций,
протекающих с образованием новой фазы. Методы изучения начальных стадий
электрокристаллизации. Перенапряжение при образовании двумерных и
трехмерных
зародышей.
Теория
поверхностной
диффузии
адатомов.
Электроосаждение металлов.
43. Электрохимическая теория коррозии металлов. Сопряженные реакции в процессе
растворения металлов. Стационарные потенциалы. Пассивация металлов и
полупроводников. Механизмы роста оксидных пленок. Типы локальной коррозии.
Методы защиты металлов от коррозии и методы коррозионного контроля.
44. Теоретические представления об элементарном акте переноса электрона в
гомогенных и гетерогенных редокс-процессах. Типы гомогенных ионных реакций.
45. Методы изучения ионных реакций в растворах электролитов. Сходство и различие
гомогенных и электродных реакций переноса электрона. Соотношение Бренстеда.
46. Трактовка элементарного акта на основе теории Гориучи-Поляни и теории
реорганизации растворителя.
47. Квантово-механическая
теория
Левича—Догонадзе—Кузнецова.
Экспериментальные подходы к проверке этой теории. Обычный, безбарьерный и
безактивационный разряд. Физический смысл коэффициента переноса в рамках
современной квантово-механической теории элементарного акта электродных
реакций. Квантово-химические подходы к расчету скоростей реакций переноса
электрона.
48. Фундаментальные аспекты электрохимии проводящих полимеров.
49. Явление электрохимической интеркаляции. Электрохимические свойства
интеркалированных материалов.
50. Фотоэлектрохимия. Лазерная электрохимия.
51. Периодические и хаотические явления в электрохимических системах.
52. Проблемы биоэлектрохимии. Редокс-процессы в биосистемах; электрохимия
биомембран и их моделей.
53. Химические источники тока. Топливные элементы. Свинцовые аккумуляторы.
Серебряно-цинковые аккумуляторы. Кадмий-никелевые аккумуляторы и их
аналоги.
Металл-воздушные
системы.
Литиевые
источники
тока.
Суперконденсаторы.
54. Гальванотехника. Типы гальванических покрытий. Рассеивающая способность
электролитов. Электрохимическое оксидирование металлов и сплавов.
Электрохимическая размерная обработка. Наводороживание и водородная
хрупкость. Функциональная гальванотехника.
55. Гидроэлектрометаллургия.
56. Электрохимическое
производство
хлора,
щелочей,
окислителей.
Электрохимический синтез органических веществ.
57. Электролиз расплавленных соединений. Производство алюминия. Производство
щелочных и щелочно-земельных металлов. Электрорафинирование.
58. Электрохимические преобразователи информации и электрохимические
электронные устройства. Электрохромные устройства.
59. Электрохимические технологии для микроэлектроники. Наноэлектрохимия и
нанотехнология.
60. Теория электрохимических реакторов.
61. Экологические аспекты электрохимических технологий. Электрохимические
методы очистки воды.
3.1.5 Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества
учебного процесса
Не предусмотрено
3.2. Кадровое обеспечение
3.2.1 Образование и (или) квалификация штатных преподавателей и иных лиц,
допущенных к проведению учебных занятий
Экзамен принимает государственная экзаменационная комиссия, утвержденная в
установленном порядке
3.2.2 Обеспечение учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
Инженер для обеспечения работоспособности демонстрационного оборудования
3.3. Материально-техническое обеспечение
3.3.1 Характеристики аудиторий (помещений, мест) для проведения занятий
Стандартно оборудованная лекционная аудитория, оборудованная для показа презентаций
3.3.2 Характеристики аудиторного оборудования, в том числе
неспециализированного компьютерного оборудования и программного обеспечения
общего пользования
Оборудование для показа презентаций
3.3.3 Характеристики специализированного оборудования
Не предусмотрено
3.3.4 Характеристики специализированного программного обеспечения
Не предусмотрено
3.3.5 Перечень и объёмы требуемых расходных материалов
Не предусмотрено
3.4. Информационное обеспечение
3.4.1 Список обязательной литературы
Электрохимия : учебник / Б. Б. Дамаскин ; О. А. Петрий, Г. А. Цирлина . - М. : Лань, 2015.
Электрохимия : учебник / Б. Б. Дамаскин ; О. А. Петрий, Г. А. Цирлина . - М. : Химия :
КолосС, 2008.
Миомандр Ф., Садки С. Электрохимия. М. Техносфера. 2008.
Полимер-модифицированные электроды : монография / В. В. Малев, В. В. Кондратьев, А.
М. Тимонов ; Санкт-Петербургский государственный университет. - СПб. : НесторИстория, 2012.
Плит В. Электрохимия в материаловедении. М.: БИНОМ. 2014.
Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов / Под ред. А.Н. Фрумкина.
М.: Мир, 1967.
Корыта И., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия. М.: Мир, 1977.
Кришталик Л.И. Электродные процессы. Механизм элементарного акта. М.: Наука, 1979.
Прикладная электрохимия / Под ред. А.Л. Ротиняна. 3-е изд. Л.: Химия, 1974.
Прикладная электрохимия / Под ред. Н.Т. Кудрявцева. 2-е изд. М.: Химия, 1975.
Робинсон Р., Стокс Р. Растворы электролитов. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.
Феттер К. Электрохимическая кинетика. М.: Химия, 1967.
Фрумкин А.Н. Потенциалы нулевого заряда. М.: Наука, 1982.
Основы физической химии: учебное пособие: Ч.1: Теория / В.В. Ерёмин и др. – 2-е изд.,
перераб. и доп. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 320 с.
Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высш. шк.,
1983.
Денисов Е. Т., Саркисов О. М., Лихтенштейн Г. И. Химическая кинетика. М.: Химия,
2000.
3.4.2 Список дополнительной литературы
Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Цирлина Г. А. Электрохимия. М.: Химия, 2001.
Эткинс Н. Физическая химия. Т. 1, 2. М.: Мир, 1980.
Панченков Г. М., Лебедев В. П. Химическая кинетика и катализ. М.: Химия, 1985.
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981.
Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. 2-е изд. М.: Высш.
шк., 1983.
Гамбург Ю.Д. Электрохимическая кристаллизация металлов и сплавов. М.: Янус-К, 1997.
Мямлин В.А., Плесков Ю.В. Электрохимия полупроводников. М.: Наука, 1965.
Укше Е.А., Букун Н.Г. Твердые электролиты. М.: Наука
3.4.3 Перечень иных информационных источников
www.elibrary.ru и др.
Раздел 4. Разработчики программы
Приходько Игорь Владимирович, к.х.н., доцент каф. Физической химии, тел.4286739