C7280 Elektrodová kinetika

Přírodovědecká fakulta
podzim 2015
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
prof. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D. (přednášející)
prof. RNDr. Libuše Trnková, CSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Libuše Trnková, CSc.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Předpoklady
Fyzikální chemie I a II, především část: Kinetika
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
předmět má 9 mateřských oborů, zobrazit
Cíle předmětu
Cílem výuky pedmětu Elektrodová kinetika je seznámit studenty chemie: (a) s kinetikou elektrodových procesů na nabitém fázovém rozhraní, (b) s různými typy elektroaktivních systémů za rovnovážných a nerovnovážných podmínek, (c) s vlivem experimentálních podmínek na rychlost elektrodových reakcí a (d) s kvantifikací elektrochemických dat, jejímž výsledkem je výpočet kinetických parametrů. Absolvent tohoto kurzu bude vybaven znalostmi pro hodnocení elektrodové kinetiky a vlivu různých parametru na ni.
Osnova
  • 1. Podstata elektrodových reakcí. Fermiho energetická hladina. Vliv potenciálu na Fermiho hladinu elektronů v kovu. Hraniční orbitaly v redoxních reakcích.Termodynamika a kinetika. Metody studia elektrodových reakcí.

    2. Rovnovážná elektrochemie. Vnitřní a vnější potenciál, elektrochemický a elektrodový potenciál, galvanický článek a jeho termodynamika, Nernstova rovnice, elektrochemická řada napětí, klasifikace elektrod, standardní elektrodový potenciál.

    3. Pohyb iontů v roztoku (difúze a migrace), vodivost a pohyblivost, kapalinový potenciál, iontově selektivní elektrody a biomembrány. Chování roztoků elektrolytů při průchodu proudu.

    4. Struktura mezifází elektroda - elektrolyt. Elektrická dvojvrstva (ED) a její modely: Helmholtzův, Gouy- Chapmanův, Sternův, Grahamův model. Grahamova specifická adsorpce. Elektrokapilární maximum, diferenciální kapacita. Rozhraní kapalina-kapalina, rozhraní elektroda - elektrolyt. ED na monokrystalickém a polykrystalickém materiálu. Elektrokinetické jevy, zeta potenciál, elektroforéza a elektroosmóza.

    5. Mechanismus přenosu elektronu: v homogenním prostředí (roztok) a v heterogenním prostředí (na rozhraní elektroda/roztok), vyjádření heterogenní rychlostní konstanty, výměnný proud, mikroskopická interpretace přenosu elektronu - Marcusova teorie, přepětí, Butlerova-Volmerova rovnice, koeficient přenosu náboje.

    6. Transport látek k elektrodě. Migrace, difúze, konvekce. Difúze, Fickovy zákony, limitní difúzní proud (planární a sférická difúze), polarizační přepětí, Nernstova difúzní vrstva. Konvekce a difúze: hydrodynamický systém, rotační disková elektroda. Rychlost řídící děj (rate determining step rds).

    7. Reverzibilní a ireverzibilní reakce, velikost heterogenních rychlostních konstant, Tafelův zákon, vliv ED a specifické adsorpce na elektrodovou kinetiku, rychlost elektrodové reakce, elektrodový proces bez a s chemickou reakcí, předřazená, vřazená a následná chemická reakce. Stupňovitost elektrodových dějů.

    8. Hydrodynamické systémy a jejich význam při studiu elektrodových procesů, hydrodynamické elektrody s dvojím povrchem a jejich využití v nestacionárních technikách.

    9. Kinetický parametr v jednotlivých elektroanalytických metodách. Možnosti využití potenciostatických a galvanostatických metod ke zkoumání elektrodových procesů. Kriteria reverzibility elektrodového děje.

    10. Impedance, složky in phase a out of phase, sériový a paralelní RC obvod. Randlesův obvod, Warburgova impedance. Výpočet heterogenních rychlostních konstant z impedančních dat (elektrochemické impedanční spektrum EIS).

    11. Elektrodové reakce klasifikované podle typů chemické reakce. Elektrosyntéza. Elektrodepozice a underpotential deposition. Bockrisův mechanismus elektrodepozitního procesu kovů. Chemicky modifikované elektrody a polymerní elektrody. Koroze a její kinetika.

    12. Ne-elektrochemické zkoušky elektrod a elektrodových procesů. Charakterizace elektrodových povrchů. In situ a ex situ spektroskopické techniky, in situ a ex situ mikroskopické techniky, jiné in situ techniky. Fotoelektrochemie, elektrochemiluminiscence.
Literatura
  • ATKINS, P. W. Physical chemistry. 6th ed. Oxford: Oxford University Press, 1998, 1014 s. ISBN 0198501013. info
  • BRETT, Christopher M. A. a Ana Maria Oliviera BRETT. Electroanalysis. Oxford: Oxford University Press, 1998, 88 s. ISBN 0198548168. info
  • FISHER, A. C. Electrode dynamics. Oxford: Oxford University Press, 1996, 83 s. ISBN 0-19-855690-X. info
  • BARD, Allen J. a Larry R. FAULKNER. Electrochemical methods : fundamentals and applications. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 2001, xxi, 833. ISBN 0471043729. info
Výukové metody
Přednáška. Absolvent tohoto kurzu bude vybaven znalostmi pro hodnocení elektrodových procesů na fázovém rozhraní elektroda/roztok.
Metody hodnocení
Povinně volitelný předmět pro studenty odborné chemie. Dvouhodinová jednosemestrální přednáška. Zkouška je ústní, doplněná testem.
Navazující předměty
Informace učitele
Příprava ke zkoušce podle literatury a syllabu. Poznatky o elektroanalytických metodách, jako je diferenní pulzní polarografie, normální pulzní polarografie, cyklická voltametrie a voltametrie uplatní studenti jak ve cvičeních z fyzikálně chemických metod, tak i v bakalářských a diplomových pracech.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích podzim 2007 - akreditace, podzim 1999, podzim 2010 - akreditace, podzim 2000, podzim 2001, podzim 2002, podzim 2003, podzim 2004, podzim 2005, podzim 2006, podzim 2007, podzim 2008, podzim 2009, podzim 2010, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, podzim 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.