应用电化学.doc

应用电化学课程教学大纲一、课程编码及课程名称课程编码：3331204112课程名称：应用电化学(Applied Electrochemistry)二、学时及学分总学时数：36 学分：2 三、适用专业及开设学期适用专业：化学、应用化学（本科）开设学期：四、课程教学性质、目标和任务应用电化学是应用化学抓也或化学专业的一门专业任选课，是一门利用电化学基本原理，解决科学研究和生产实际中涉及电化学应用领域内有关金属腐蚀、金属电沉积及化学电源等方面的实际问题的课程。该课程与科学研究和生产实践有着密切联系，在化工、冶金、化学电源、金属腐蚀与保护、电化学加工以及电化学分析等工业部门中占有很重要的地位。同时在高新技术领域，如新能源、新材料、微电子技术、生物化学等方面有广泛应用。系统地电化学化学的基础知识和实验技术、技能，培养科学的素养和创新能力，是培养和造就高级化学、化工科技人才和化学教学工作者的要求。通过本课程的学习，使学生了解电化学基础知识及基本原理，初步学会分析和解决电化学应用领域中各种实际问题的能力。同时也是培养学生用应用电化学原理处理实际问题的兴趣和能力，为学生进一步深造补充必要的知识，打下良好基础。五、课程教学的基本要求学完本课程后，应达到以下基本要求：1、了解应用电化学在生产实际及科研工作中的重要意义2、掌握电化学的基本原理及其应用领域、电化学热力学掌握电动势形成的机理；电极电位及电池的构成与种类。2、双电层掌握界面电荷层定义；电毛细管曲线和双电层电容和双电层结构模型；了解半导体/电解质溶液界面双电层以及电极/溶液界面上的吸附现象。3、电极过程中的液相传质了解电极过程，不可逆电极过程中电极的极化，液相中的传质方式；掌握稳态扩散过程，浓差极化及极化曲线，非稳态扩散过程动力学。4、电化学步骤动力学掌握电化学极化的经验公式，电极电位对电极反应活化能的影响，电化学步骤的基本动力学参数，稳态极化的动力学参数；初步了解双电层结构对电化学步骤反应速度的影响，多电子的电极反应，浓差极化与活化极化共存时的动力学规律。5、气体电极过程了解氢电极过程，氧电极过程，电催化过程6、无机电解和有机电化学合成了解电解过程中的基本参数，典型无机化合物的电解合成，间接电化学有机合成，SPE法有机电化学合成，牺牲阳极有机电化学合成，电化学聚合和声电化学合成7、电化学能源与能源开发掌握一次电池，二次电池，燃料电池；了解光电化学电池，电化学与氢能开发8、电渗析掌握电渗析技术的基本原理及过程，离子交换膜，电渗析脱盐的原理和结构；了解电渗析工艺参数，电渗析技术的应用。9、电化学传感器和电化学变色显示了解电化学传感器，电化学变色显示。10、金属电化学了解金属的表面精饰，金属的电化学加工和金属的电化学冶炼。六、课程教学内容第一章 绪论（共2学时）（一）本章教学基本要求要求学生熟悉电动势形成的机理，掌握电极电位的概念，了解电池的构成与种类。（二）教学内容1.1 电化学基本概念（1学时）教学内容：电动势形成，电池、化学电源等1.2 电化学研究领域（0.5学时）教学内容：电化学涉及的研究领域1.3 电化学学习要求（0.5学时）（三）重点与难点重点：电化学基本概念。难点：电化学基本概念。第二章电化学理论基础（共6学时）（一）本章教学基本要求1、理解可逆和不可逆电化学过程的热力学函数关系，电极反应速度的影响因素和电极极化概念，物质稳态传递的特征2、熟悉电极、隔膜、电解质溶液等基本单元, 电极反应类型；电极的可逆性、不可逆电极及其电位、电化学反应和电极反应平衡条件, 物质传递的三大基本形式；3、了解电化学在生产实际、科研工作中的意义, Bulter-Volmer方程，交换电流密度i0及i-方程的几种处理方法，五种双电层理论模型, 常用的电化学研究方法；（二）教学内容2.1电化学体系的基本单元（1学时）教学内容：电极、隔膜、电解质溶液，工作电极、辅助电极、参比电极概念；2.2电化学过程热力学（1学时）教学内容：电化学状态函数相互转换关系2.3非法拉第过程及电极/溶液界面性能（1学时）教学内容：零电荷电势；电子迁移反应机理分析；电极极化；双电层模型2.4非法拉第过程和影响电极反应速度因素（1学时）教学内容：电极反应机理，Lippman公式的应用；动力学方程的推导及处理方法2.5物质传递控制反应（1学时）教学内容：物质传递的三大基本形式, 物质稳态传递的特征；极限电流i02.6电化学研究方法介绍（1学时）教学内容：极限电流、半波电位概念；循环伏安法和恒电流电解技术（三）重点与难点重点：1、工作电极、辅助电极、参比电极概念；电化学状态函数相互转换关系 2、零电荷电势”概念；电子迁移反应机理分析；电极极化；双电层模型 3、极限电流i0的推导；难点：电毛细管曲线抛物线形状的分析, 电化学状态函数相互转换关系，极限电流、半波电位概念；第三章电催化过程（共4学时）（一）本章教学基本要求1、熟悉氧气的电催化还原；掌握有机小分子在金属催化剂、金属氧化物催化剂上的氧化特性；氧析出反应的电催化；2、理解H2氧化反应的电催化步骤；3、掌握影响电催化性能的因素；掌握电催化的两大类型及一般原理；H2在阴极析出的基本步骤；4、了解评价电催化性能的几种方法；利用Tafel公式区分电极材料对H2的催化活性；有机小分子氧化的反应机理。（二）教学内容3.1电催化原理（0.5学时）教学内容：氧化还原电催化的一般原理；电催化剂的性能及影响其活性的主要因素；3.2氢电极反应的电催化（1.5学时）教学内容：H2还原析出过程；H2在金属氧化物电极上析出机理3.3氧电极反应的电催化（1学时）教学内容：氧气的电催化还原；氧析出反应的电催化；3.4有机小分子的电催化（1学时）教学内容：有机小分子在金属催化剂、金属氧化物催化剂上的氧化特性，反应机理。（三）重点与难点重点：1、电催化剂的性能及影响其活性的主要因素；H2还原析出过程 2、氧气还原的机理；氧析出反应的电催化；有机小分子在单金属、二元或多元金属电催化剂上的氧化。难点：电催化性能评价所用方法；有机小分子电催化氧化的表征及机理分析。第四章 化学电源（共4学时）（一）本章教学基本要求1、熟悉电池的性能指标、了解选择电池的标准; 可溶正极锂电池、Li/MnO2电池、Li-聚氟化碳电池的电池反应和作用原理、性质和特点2、掌握电动势、开路电压、工作电压、内阻、电池容量、比能量、比功率、电池寿命、自放电等概念；盐类电解液的锌锰电池、碱性MnO2电池、锌-氧化汞电池、锌空气电池、锌-氧化银电池的作用原理及成流反应、性质、特点3、了解化学电源的有关概念；一次电池的通性及其分类4、熟悉碱性Ni/Cd电池、锂电池和锂离子电池的性质及作用机理，质子交换膜燃料电池5、掌握二次电池的一般性质；铅酸蓄电池的性质及作用机理；燃料电池特点、构成、原理6、了解氢镍电池、Na/NiCl2电池、锌二次电池的性质及作用机理；磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池的作用原理（二）教学内容4.1 概述（0.5学时）教学内容：电动势、开路电压、工作电压、内阻、电池容量、比能量、比功率、电池寿命、自放电等概念；4.2 一次电池（1.5学时）教学内容：盐类电解液的锌锰电池、碱性MnO2电池、锌-氧化汞电池、锌空气电池、锌-氧化银电池的作用原理4.3 二次电池（1 学时）教学内容：二次电池的一般性质；酸蓄电池、碱性Ni/Cd电池、氢镍电池、锂电池和锂离子电池、Na/NiCl2电池、锌二次电池的性质及作用机理4.4 燃料电池（1学时）教学内容：燃料电池的特征、基本构成、作用原理。磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池的作用原理。（二）重点与难点重点：1、化学电源的主要性能；碱性锌锰电池、锂电池的性质、特征、反应原理 2、次电池性能评价指标；铅酸蓄电池的性质及作用机理；燃料电池的特征、基本构成、作用原理。难点：1、化学电源的性能参数；电池的正极反应、负极反应、电池反应 2、铅酸蓄电池的性质及作用机理；燃料电池的成流原理。第五章 无机物的电解工业（共4学时）（一）本章教学基本要求1、理解水的电解原理、以及能量计算；氯碱工业的三种电解方法；2、掌握电解的基本概念；用电解法制备氯酸盐和高氯酸盐的原理；电解法生产H2O2的原理和方法；水的电解原理、以及能量计算。3、了解MnO2和KMnO4的电解合成方法；水的电解原理、以及能量计算。（二）教学内容5.1 概述（0.5学时）教学内容：电解过程、阴极和阳极反应，电解池反应；5.2 氯碱工业（0.5学时）教学内容：氯碱工业的三种电解方法；电5.3 无机电合成（1学时）教学内容：电解法制备氯酸盐和高氯酸盐的原理；MnO2和KMnO4的电解合成方法；5.4 过氧化氢（1学时）教学内容：电解法生产H2O2的原理和方法；5.5 水电解（1学时）教学内容：水的电解原理、以及能量计算；（三）重点与难点重点：1、氯碱隔膜槽电解法；电解制备NaClO3、NaClO4、MnO2和KMnO4的原理 2、H2O2的电解法生产难点：电解中电极过程及电解槽结构；电解过程、阴极和阳极反应，电解池反应；H2O2的电解合成原理及应用。第六章 有机电解合成（共4学时）（一）本章教学基本要求1、理解常见有机电化学合成的基本原理，2、了解有机电化学合成的发展方向及国外有机电合成的研究动向（二）教学内容6.1概述（0.5学时）教学内容：有机电合成的简要发展史，优势6.2有机电合成（1.5学时）教学内容：典型有机化合物的电解合成实例6.3 电化学氧化（1学时）教学内容：有机化合物的电化学氟化方法及原理6.4 有机电合成研究进展（1学时）教学内容：有机电化学合成的若干发展方向，国外有机电合成的研究动向（三）重点与难点重点：1、典型有机电化学合成的实例 2、有机电化学氟化的方法及原理难点：常见有机电合成的基本原理。第七章 金属表面精饰（共4学时）（一）本章教学基本要求1、掌握金属电沉积和电镀的原理。2、理解镀层的主要性能与影响因素，金属阳极氧化的原理3、了解金属电结晶动力学、电沉积过程中表面活性剂的作用；几种典型的电镀过程；铝和钛等金属的阳极氧化；及电泳涂装技术（二）教学内容7.1 金属电沉积和电镀原理（1学时）教学内容：简单金属离子、金属络离子的还原，金属共沉积原理及结晶动力学7.2 电镀过程（1学时）教学内容：镀层的主要性能、影响因素，生产工艺，典型电镀过程，塑料金属化涂装7.3 金属的阳极氧化（1学时）教学内容：阳极氧化原理、铝和钛的阳极氧化7.4 电泳涂装技术（1学时）教学内容：殃及与阴极电泳涂装（三）重点与难点重点：金属电沉积和电镀的基本原理；镀层的主要性能及影响因素难点：金属电结晶动力学；表面活性剂的作用第八章 电化学腐蚀（共6学时）（一）本章教学基本要求1、掌握腐蚀电池及电化学腐蚀的基本原理2、理解Fe-H2O体系的电势-pH图及其在金属防护上的应用3、了解金属腐蚀及防护的意义（二）教学内容8.1 概述（0.5学时）教学内容：金属腐蚀及金属防护的意义8.2 金属的电化学腐蚀（1.5学时）教学内容：电化学腐蚀的基本原理8.3 电势-pH图及其在金属防护中似的应用（2学时）教学内容：Fe-H2O体系的电势-pH图的构作及其在金属防护上的应用8.4 腐蚀电池（1学时）教学内容：腐蚀电池的基本原理8.5 金属的电化学防腐蚀（1学时）教学内容：金属电化学防腐的基本手段与方法（三）重点与难点重点：腐蚀电池及电化学腐蚀的基本原理 难点：Fe-H2O体系的电势-pH图的构作及其在金属防护上的应用第九章 电化学传感器（共4学时）（一）本章教学基本要求1、了解电化学传感器的种类、原理及特点2、了解生物电化学传感器的基本原理，发展现状及相关应用（二）主要内容9.1 概述（0.5学时）教学内容：电化学传感器基本原理与简要发展历程9.2 控制电位气体传感器（1.5学时）教学内容：控制电化学传感器的基本原理及相关实例9.3 生物电化学传感器（2学时）教学内容：生物电化学传感器的基本原理、相关应用（三）重点与难点重点：电化学传感器的种类、原理及特点难点：电化学传感器的原理七、本课程与其它课程的关系本课程主要是在无机化学和物理化学等课程的基础上，进一步研究电化学平衡和电化学反应速度的科学。在学习此课程之前，必须具备相应的基础知识，建议先学习无机化学，有机化学，分析化学和物理化学，除此之外，最好应选修过表面物理化学、电化学原理，同时建议多阅读相关外文专业文献。本课程所涉及知识虽然早已体系化，但是内容却日新月异，建议在学习本课程的同时，阅读大量参考文献，尤其是外文前沿研究文献。八、教学时数分配应用电化学课程教学时数分配表总学时：36 学分：2章次各章标题名称讲授学时实验学时辅导学时备注第一章绪论2第二章电化学理论基础62第三章电催化过程42第四章化学电源42第五章无机物的电解工业2第六章有机电化学合成42第七章金属表面精饰42第八章电化学腐蚀62第九章电化学传感器4合计3612九、实验内容与学时分配：十、本课程的实践环节：十一、推荐教材及参考书（一）推荐教材：杨辉等编，应用电化学，科学出版社，2004。Brett, C. M. A. ElectrochemistryPrinciples, Methods, and Applications，Oxford University Press, Walton Street, Oxford OX2 6DP, 1993（二）参考书：1. 邝生鲁等编，应用电化学，华中理工大学出版社，1994。2吴辉煌主编，电化学，化学工业出版社，2004。3张祖训、汪尔康