C7280 Elektrodová kinetika

Přírodovědecká fakulta
podzim 2019
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)
RNDr. Romana Sokolová, Ph.D. (přednášející), prof. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D. (zástupce)
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.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:

-popsat fázové rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem, rovnováhu v elektrochemických soustavách;

-popsat teorii přenosu elektronů při elektrochemických reakcích a děje předcházející a návazné na přenos elektronu;

-popsat transportní jevy při elektrodových přeměnách;

-orientovat se v experimentálních technikách studia elektrodových dějů

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 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.