电化学在冶金工程专业物理化学教学中的授课思路探讨

2020-08-10 09:25:42 科教导刊·电子版 2020年15期

何世伟 孔辉 华中胜 肖赛君

摘 要 物理化学是冶金工程专业整个知识体系中最早介绍电化学的课程,在电化学的授课过程中,按照电学回路构建、电化学热力学、电极电解液界面的模块顺序进行讲授,由宏观到微观,让学生深入浅出的掌握电化学的概念和理论,同时结合电化学在冶金中的实例,达到最佳的教学效果,为后期专业课的学习打下坚实的基础。

关键词 电化學 冶金 物理化学

中图分类号:G642文献标识码:A

物理化学是目前国内冶金工程专业普遍开设的专业基础课,一般在大学1~2年级开课,授课时间多为一学年,是冶金工程专业理论的根基。在整个冶金工程专业的培养体系中,物理化学起到了承上启下的作用,该课程需要部分基础化学的知识作为铺垫,同时学完后可以为冶金物理化学、冶金原理等专业基础课,钢铁冶金学、有色金属冶金学等专业课打下良好的基础。电化学是物理化学中的一个重要章节,一般在介绍完热力学基本知识、多组分系统热力学、动力学、相图后进行介绍,实际上属于物理化学中的一个重要应用。

1物理化学中电化学知识构架

在物理化学中电化学一般包括:法拉第定律、离子的电迁移和迁移数、强电解质活度、电极电势、超电势、原电池、原电池热力学、电解池等部分。其中原电池和电解池属于电化学知识的应用,其它的为电化学的基本概念和原理。物理化学中电化学章节的重点是原电池热力学,在介绍完电化学基本定律法拉第定律,以及电化学基本概念离子的电迁移、强电解质活度、电极电势后,进行重点讨论。该部分热力学知识,属于热力学在电化学体系中的应用,通过等温方程推导能斯特方程。

2电化学在冶金专业中的知识需求

电化学在化工、冶金、材料制备、污水处理、有机合成等方面均有重要应用,随着能源危机和环保问题的日趋严峻,电化学在工业领域的应用的广度和深度必将进一步扩大。在冶金领域,电化学有诸多应用。活泼金属的冶炼,如Al和Mg的冶炼,常常使用熔盐电解的方法,将活泼金属的氧化物溶解于熔盐中,通过电还原的方法,使金属以单质的形式在阴极析出。重金属的精炼,如Cu、Zn、Ni等,一般使用水溶液电解的方法,将粗金属作为阳极,通过电解提纯在阴极析出纯度高的金属。

3电化学针对性授课内容的探讨

在冶金工程本科教学的培养方案中,涉及到电化学的课程十分有限,而物理化学是培养方案中最早介绍电化学基本理论的课程,因此,利用这门课程提高学生对电化学基本理论的理解,了解电化学在冶金中的应用,显得尤为重要。下面列举了在电化学授课过程中,需要冶金专业的学生重点掌握的内容。

3.1 电学回路的构建

从电化学的基本定律出发,了解电学回路的构建非常重要。首先,能通电的地方一定已形成了回路,在电化学体系中,电学回路可分为两部分,一部分由电源和导线构成,主要由电子导电;另一部分由电化学体系中的电极和电解液构成,在该部分里,电解液中的导电行为由电解液中的阴阳离子承担,而在电极上导电仍然由电子承担。

介绍法拉第定律,可以定量计算电极上析出物质与传递电量间的关系。离子的电迁移和迁移数以及电导和电导率部分的内容,可以帮助学生理解电解液中离子的传质方式,电解液中电流大小的影响因素。

3.2 电化学热力学

物理化学关心的主要问题仍然是热力学,是化学反应的方向和限度的问题,而热力学知识在电化学体系中的应用,是电化学部分的学习重点。学习这部分内容的同时,可以结合冶金过程的实际问题进行拓展。例如,锌电积过程中,阴极反应有哪些,为什么锌电积过程,单质锌可以在阴极析出,而氢气基本不析出;铜电解过程中,优先发生哪些反应,这些反应是按照什么样的先后顺序发生的,其背后的理论基础是什么。

3.3 电极电解液界面

对电化学系统中回路的构建以及热力学有了一定的初步理解后,学生对于电化学过程已经有了基本的宏观认识。这时介绍更加细致的电化学知识,把着眼点转到电极电解液界面微环境中,同时,结合一定的动力学知识对学生进行讲解。

在电化学反应中,反应物吸附于电极表面、得失电子、离开电极表面或在电极表面生成新物质,都是在电极电解液界面微化学环境中完成的。使用热力学确定某电化学反应可以发生后,深入的理解电化学反应的机理,在脑中构建电化学反应的发生模型。

4结语

电化学在冶金工业中有着广泛的应用,物理化学是冶金工程专业整个知识体系中最早介绍电化学的课程,同时也是冶金专业最为重要的基础课程之一,在电化学的授课过程中,按照电学回路构建、电化学热力学、电极电解液界面的顺序进行讲授,可以让学生深入浅出的了解和掌握电化学的基本概念和理论,同时结合电化学在冶金中应用的实例,加深学生的印象,为后期专业课的学习打下坚实的基础。

基金项目:安徽省重大教学改革研究项目(2016jyxm0147);安徽省智慧课堂试点项目(2017zhkt089);安徽工业大学教育教学研究重点项目(2018jy06);安徽工业大学“课程思政”建设项目(2020xkcsz005)。

作者简介:何世伟(1988—),男,安徽芜湖人,安徽工业大学冶金工程学院讲师,博士。

参考文献

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