МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «СГУ имени Н.Г. Чернышевского»

Институт химии

УТВЕРЖДАЮ

Проректор

по учебно-методической работе

проф., д. филол. н. _________ Елина Е.Г.

"__" __________________20___ г.

Рабочая программа дисциплины

Химические источники тока

Направление подготовки

04.03.01 "Химия"

Профиль подготовки

Физическая химия

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

Форма обучения

очная

Саратов,

2016 г.

2

1. Цели освоения дисциплины «Химические источники тока»

Целью освоения дисциплины «Химические источники тока» является

формирование у студентов компетенций, связанных с пониманием теоретиче-

ских законов химии и физики в их практическом приложении к электрохими-

ческим процессам накопления и переноса заряда, энергии и вещества в акку-

мулирующих устройствах, а также выработка у обучающегося умения плани-

ровать и организовывать свою деятельность, самостоятельно приобретать зна-

ния, используя различные источники информации.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Химические источники тока» (Б1.В.ДВ.1.1) является

дисциплиной по выбору и относится к вариативной части блока Б1 «Дисци-

плины». Материал дисциплины базируется на ранее приобретенных знаниях

по химии, физике и высшей математике в объеме курсов ООП по направлению

04.03.01 "Химия", освоении предшествующих дисциплин «Методы математи-

ческой статистики в химии» (Б1.Б.6), «Физические методы исследования со-

става и структуры веществ» (Б1.В.ОД.5), «Физическая химия» (Б1.Б.13), (4 – 6

семестры).

Для успешного освоения дисциплины студент должен иметь знания по

физике, общей химии и физической химии, в том числе теории электричества

и электрохимии, владеть навыками работы с компьютером, уметь проводить

статистическую обработку результатов эксперимента. Эти знания и умения

приобретаются в ходе изучения предшествующих дисциплин.

Дисциплина «Химические источники тока является основой для после-

дующего изучения дисциплин «Электрохимические методы исследования.

Электроформование» (Б1.В.ДВ.2.1), «Электрохимия электролитов»

(Б1.В.ДВ.2.2), «Биоэлектрохимия» (Б1.В.ДВ.5.1). Освоение данной дисци-

плины необходимо для последующего применения полученных знаний, уме-

ний и навыков при выполнении задач в научно-исследовательской деятельно-

сти и выполнения ВКР.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения

дисциплины «Химические источники тока»

В результате освоения дисциплины «Химические источники тока» бака-

лавр формирует следующие компетенции:

- способность получать и обрабатывать результаты научных экспери-

ментов с помощью современных компьютерных технологий (ПК-5);

- способность к поиску и первичной обработке научной и научно техни-

ческой информации (ОПК-5).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать:

3

Основные законы электрохимии, основы теории химических источни-

ков тока;

Основные понятия и классификацию химических источников тока;

Основные электрохимические системы, применяемые в химических ис-

точниках тока.

•Уметь:

Детально охарактеризовать основные электрохимические системы (не

менее 10), нашедшие применение в жизни современного общества;

Использовать полученные знания в профессиональной, научно-исследо-

вательской и педагогической деятельности.

•Владеть:

методами физико-химического эксперимента;

методами отбора материала для теоретических занятий и лабораторных

работ;

методиками работы на серийной аналитической и электрохимической

аппаратуре, применяемой в физико-химических исследованиях;

4

4. Структура и содержание дисциплины «Химические источники

тока»

Вариативная дисциплина цикла дисциплин направления

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов).

Из них 36 лекций, 108 СРС, 36 часов – экзамен.

4.1. Структура лекционного курса №

п/п

Раздел дисциплины

Сем

естр

Нед

еля с

емес

тра

Виды учебной работы,

включая самостоятель-

ную работу студентов и

трудоемкость (в часах)

Формы текущего

контроля успева-

емости (по неде-

лям семестра)

Формы проме-

жуточной атте-

стации (по се-

местрам)

лекции сам.

раб.

всего

1

1.1

Введение

Раздел 1.

Введение в теорию ХИТ.

Общее устройство ХИТ.

6

1-3

1

6

2

36

42

1.2

Термодинамика ХИТ. 6 2 2

1.3 Общая характеристика пере-

заряжаемых ХИТ

3 2

2

2.1

Раздел 2.

Химические источники

тока с водным электроли-

том

Традиционные ХИТ с водным

электролитом

6 4-7

4

8

2

18 26

2.2 Перезаряжаемые ХИТ с вод-

ным электролитом.

5-7 6

3

3.1 Раздел 3. Литиевые ХИТ

Первичные литиевые ХИТ

6 8-10

8 6 2

18 24

3.2 Перезаряжаемые литиевые

ХИТ

9,10 4

4

Раздел 4

Топливные элементы (ТЭ).

Водородная энергетика

6 11-17

11 14

2

18 32

4.1

.

Классификация топливных

элементов

12-15 8

4.2 Высокотемпературные топ-

ливные элементы

16 2

4.3 Электрохимические генера-

торы

17 2

5 Раздел 5.

Электрохимические кон-

денсаторы

6 18 1 18 19

6 Раздел 6. 6 18 1 1 Сдача рефера-

тов

5

Заключение

Проблемы и перспективы

развития ХИТ

Итого 1-18 36 108 180* Экзамен

* В том числе экзамен – 36 часов.

6

Содержание дисциплины

Введение.

Предмет курса. Его связь с курсом физической химии. Основные понятия.

Раздел 1. Введение в теорию ХИТ.

Тема 1.1 Общее устройство ХИТ.

Классификация ХИТ. Электрохимические процессы в ХИТ различных типов (на примере

электрохимических систем Zn/MnO2 и Zn/Ag2O). Токообразующие реакции.

Тема 1.2. Термодинамика ХИТ.

Расчет электродвижущей силы (ЭДС) и ее зависимость от температуры и концентрации ре-

агентов для электрохимических систем с цинковым анодом. Основные электрические пара-

метры ХИТ: напряжение, мощность, емкость, энергия. Понятие об удельных, номинальных

и предельных параметрах. Вольтамперная, разрядная и мощностная характеристики. Ин-

тенсивные и экстенсивные параметры.

Тема 1.3. Общая характеристика перезаряжаемых ХИТ.

Параметры, характеризующие перезаряжаемые ХИТ. Побочные процессы в ХИТ. Комму-

тация ХИТ. Общие требования к ХИТ. Выбор электродных материалов для ХИТ (удельные

параметры, электродные потенциалы, сохранность заряда, экономическая целесообраз-

ность и др.). Типовые конструкционные решения для ХИТ. Классификации типоразмеров.

Раздел 2. Химические источники тока с водным электролитом

Тема 2.1. Традиционные ХИТ с водным электролитом.

ХИТ с цинковым анодом. Система Zn/MnO2 (электрохимия, токообразующие реакции, ха-

рактеристики, конструкция, особенности эксплуатации, области применения) (Примеча-

ние: далее для каждой электрохимической системы предполагается рассмотрение анало-

гичных пунктов). Источники тока с хлоридным и щелочным электролитом. Система

Zn/CuO. Система Zn/HgO.

Тема 2.2. Перезаряжаемые ХИТ с водным электролитом.

Система Zn/AgO (Ag2O). Система Pb/PbO2 (свинцовый аккумулятор). Термодинамика вто-

ричных систем на примере Pb/PbO2. Расчет ЭДС и ее зависимость от температуры и кон-

центрации электролита. Режим работы свинцовых аккумуляторов и особенности их экс-

плуатации.

Система Cd/NiOOH (никель-кадмиевый аккумулятор). Система H2/NiOOH (никель-ме-

таллгидридный аккумулятор). Сравнение характеристики различных вторичных электро-

химических систем. Коммерческая динамика выпуска аккумуляторов различных систем.

Современное состояние отечественных разработок.

Раздел 3. Литиевые ХИТ

Тема 3.1. Первичные литиевые ХИТ

Система Li/H2O. Растворители и соли, используемые в литиевых ХИТ. Взаимодействие ли-

тия с растворителями (пропиленкарбонат, этиленкарбонат) и газами (O2, CO2, N2). Пасси-

вационная теория устойчивости лития в окружающей среде. Система Li/SO2. Система

Li/SOCl2.

Литиевые ХИТ с твердым катодом. Система Li/CuO. Система LiMnO2.

Безэлектролитные литиевые ХИТ. Система Li/I2.

Тема 3.2. Перезаряжаемые литиевые ХИТ

7

Проблема перезаряжаемых литиевых ХИТ. Интеркаляция лития в углерод и оксиды метал-

лов. Литий-ионный и литий-полимерный аккумуляторы. Система LiC6 / LiCoO2.

Современное состояние рынка литиевых ХИТ.

Раздел 4. Топливные элементы. Водородная энергетика

Принцип работы и история развития. Водородная энергетика.

Тема 4.1. Классификация топливных элементов

Система H2 / O2.(воздух). Система H2, CO / O2. Система метанол / кислород. Система бо-

рогидрид / кислород. Система муравьиная кислота / кислород. Другие электрохимиические

системы топливных элементов. Проблемы и перспективы.

Тема 4.2. Высокотемпературные топливные элементы

Системы с твердыми, жидкими и расплавленными элетролитами. Проблемы и перспек-

тивы.

Тема 4.3. Электрохимические генераторы

Электрохимические генераторы. Гибридные энергетические установки.

Раздел 5. Электрохимические конденсаторы

Принцип работы и история развития. Классификация электрохимических конденсаторов.

Варианты электрохимических систем. Место электрохимических конденсаторов в ряду хи-

мических источников тока.

Раздел 6. Заключение

Сравнение состояния отечественных разработок ХИТ с мировым уровнем. Перспективы

развития ХИТ.

5. Образовательные технологии

При освоении дисциплины «Химические источники тока» наряду с традиционными

образовательными технологиями широко используются технологии, основанные на компь-

ютерных симуляциях, разборе конкретных ситуаций в сочетании с внеаудиторной работой

с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. В рамках

учебного курса предусмотрены встречи с представителями российских и зарубежных ком-

паний, занятых в разработке и производстве химических источников тока, мастер-классы

экспертов и специалистов. Наличие достаточного лабораторного оборудования и широкий

спектр объектов исследования позволяют сделать лабораторный практикум многовариант-

ным и индивидуальным для каждого студента. Всего интерактивные формы составляют 25

ч (более 30 % аудиторных часов).

При обучении инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья

необходимо создание комфортного психологического климата в студенческой группе; про-

ведение индивидуальных консультаций с применением как электронной почты с примене-

нием как электронной почты, при необходимости предоставляется дополнительное время

для подготовки ответа на экзамене.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы сту-

дентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, про-

межуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Самостоятельная работа студентов предполагает освоение теоретиче-

ского материала, подготовку к текущему и итоговому контролю. Форма ито-

гового контроля – экзамен (билеты в приложении 2).

7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС

8

Таблица 1.1 Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Семестр Лек-

ции

Лабора-

торные

занятия

Практиче-

ские заня-

тия

Самостоя-

тельная ра-

бота

Автоматизи-

рованное те-

стирование

Другие

виды

учебной

деятельно-

сти

Промежу-

точная ат-

тестация

(экзамен)

Итого

6 30 30 40 100

Лекции – 30 баллов, оцениваются посещаемость (максимально 5 баллов), актив-

ность в аудитории (максимально 5 баллов), баллы начисляются в конце семестра.

За посещаемость начисляются баллы в соответствии со следующими критериями:

студент присутствовал на всех (18-ти) лекционных занятиях — 15 баллов;

студент присутствовал на 16-17 лекционных занятиях — 8 баллов;

студент присутствовал на 14-15 лекционных занятиях — 6 баллов;

студент присутствовал на 12-13 лекционных занятиях — 4 балла;

студент присутствовал на 10-11 лекционных занятиях — 2 балла;

студент присутствовал менее чем на 10 лекционных занятиях — 0 баллов.

За активность в аудитории могут быть начислены баллы в случае, если студент по-

сетил не менее 10 лекционных занятий и в соответствии с нижеприведёнными кри-

териями:

студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов более

чем на 80% посещённых им лекционных занятий — 15 баллов;

студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 60–

80% посещённых им лекционных занятиях — 8 баллов;

студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 40–

60% посеsщённых им лекционных занятиях — 6 баллов;

студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 20-

40% посещённых им лекционных занятиях — 4 балла;

студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов, но не

более чем на 20% посещённых им лекционных занятиях — 2 балла;

студент не проявлял активности в обсуждении затрагиваемых вопросов ни

на одной из лекций — 0 баллов.

Самостоятельная работа – 30 баллов, оценивается качество подготовки ре-

ферата: грамотность в оформлении реферата (10 баллов), актуальность (10

баллов), отсутствие плагиата (10 баллов).

Другие виды учебной деятельности - нет.

Промежуточная аттестация – экзамен (40 баллов). экзамен проходит в виде

устного опроса: знание основных определений и законов (10 баллов), умение

9

записать итоговые уравнения (10 баллов), анализ основных уравнений, пре-

делы их применимости, практическая значимость (20 баллов).

при проведении промежуточной аттестации

ответ на «отлично» оценивается от 35 до 40 баллов;

ответ на «хорошо» оценивается от 28 до 34 баллов;

ответ на «удовлетворительно» оценивается от 20 до 27 баллов;

ответ на «неудовлетворительно» не оценивается.

Таким образом, максимально возможная сумма баллов за все виды учебной

деятельности студента за 6 семестр по дисциплине «Химические источники

тока» составляет 100 баллов.

Таблица 2.2 Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по дис-

циплине «Химические источники тока» в оценку (экзамен):

85-100 баллов «отлично»

_70-84 балла «хорошо»

_55-_69_ бал-

лов

«удовлетворительно»

_0-_54 баллов «неудовлетворительно»

10

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисци-

плины

а) основная литература:

1. .Тазетдинов Р.Г. Химические источники тока с реакционно формирую-

щимся элеткролитом [Текст]. – М.: Изд-во МАИ. 2013. - 172 с. - ISBN

978-5-4316-0115-6 : Б. ц. (ЭБС «ИНФРА-М»).

2. Суворин А.В. «Электротехнологические установки [Текст]. - Красно-

ярск, Сибирский федеральный университет, 2011. ISBN 978-5-7638-

2226-7 : Б. ц. (ЭБС «ИНФРА-М»).

3. Химические источники тока: лабораторный практикум [Текст] : прак-

тикум / Ершова . - Иваново : Ивановский государственный химико-тех-

нологический университет, Б. г.. - 34 с. - Б. ц. (ЭБС «РУКОНТ»)

б) дополнительная литература:

1. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия – М.: Химия,

2006. – 624 с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

1. Чуриков А.В. Электронный вариант курса лекций "Современные хими-

ческие источники тока" // 1 файл; 1,7 Мб; 2012 год; размещено на сайте

НБ СГУ в рубрике "ЭБ учебно-методической литературы" –

http://library.sgu.ru/uch_lit/657.pdf

2. Электронное учебное пособие Казаринов И.А., Чуриков А.В., Степанов

А.Н., Иванищев А.В. «Специальный практикум по теоретической и при-

кладной электрохимии» (размещено на компьютерах в учебной лабора-

тории № 6)

9. Материально-техническое обеспечение дисциплины

учебная лаборатория для выполнения практических работ, оснащен-

ную необходимым оборудованием;

- лаборатории для проведения научно-исследовательской работы.

Выполнение лабораторных работ обеспечивается химическими реакти-

вами, лабораторной посудой и учебным (учебно-научным) оборудованием в

соответствии с программой: трехэлектродные ячейки, электронные потен-

циостаты, лабораторные исследовательские комплексы, сочетающие испол-

нительные устройства: потенциостаты/гальваностаты серии IPC, частотные

анализаторы FRA, модуль ЕМ-04 (установка вращающийся дисковый элек-

трод), цифровые мультиметры, амперметры и вольтметры

Обработка экспериментальных данных и решение задач проводится в

кафедральном дисплейном классе на персональных компьютерах с соответ-

11

ствующим лицензионным программным обеспечением (Microsoft Offis 2003,

2007, Mathcad ). При использовании электронных изданий каждый обучаю-

щийся обеспечен во время самостоятельной подготовки рабочим местом в

компьютерном классе с выходом в Интернет.

Использование технических средств является доступным для широкого

круга пользователей с ограниченными возможностями здоровья и позволяет

осуществлять прием-передачу информации в доступной форме.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направле-

нию 04.03.01 "Химия" и профилю подготовки «Физическая химия».

Автор: доцент, кандидат химических наук Иванищев А.В.

Программа разработана в 2011 г. (одобрена на заседании кафедры физической

химии от 28 февраля 2011 года, протокол № __10_).

Программа актуализирована в 2014 г. (одобрена на заседании кафедры физи-

ческой химии от 18 сентября 2014 года, протокол № __2_).

Программа актуализирована в 2016 г. (одобрена на заседании кафедры физи-

ческой химии от 29 августа 2016 года, протокол № 1).

Подписи:

Зав. кафедрой физической химии

д.х.н., проф. Казаринов И.А.

Директор Института химии СГУ

д.х.н., проф. Федотова О.В.