電化學(xué)在冶金工程專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)教學(xué)中的授課思路探討

何世偉 孔輝 華中勝 肖賽君

摘 要 物理化學(xué)是冶金工程專(zhuān)業(yè)整個(gè)知識(shí)體系中最早介紹電化學(xué)的課程，在電化學(xué)的授課過(guò)程中，按照電學(xué)回路構(gòu)建、電化學(xué)熱力學(xué)、電極電解液界面的模塊順序進(jìn)行講授，由宏觀到微觀，讓學(xué)生深入淺出的掌握電化學(xué)的概念和理論，同時(shí)結(jié)合電化學(xué)在冶金中的實(shí)例，達(dá)到最佳的教學(xué)效果，為后期專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 電化學(xué) 冶金 物理化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

物理化學(xué)是目前國(guó)內(nèi)冶金工程專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，一般在大學(xué)1～2年級(jí)開(kāi)課，授課時(shí)間多為一學(xué)年，是冶金工程專(zhuān)業(yè)理論的根基。在整個(gè)冶金工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)體系中，物理化學(xué)起到了承上啟下的作用，該課程需要部分基礎(chǔ)化學(xué)的知識(shí)作為鋪墊，同時(shí)學(xué)完后可以為冶金物理化學(xué)、冶金原理等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，鋼鐵冶金學(xué)、有色金屬冶金學(xué)等專(zhuān)業(yè)課打下良好的基礎(chǔ)。電化學(xué)是物理化學(xué)中的一個(gè)重要章節(jié)，一般在介紹完熱力學(xué)基本知識(shí)、多組分系統(tǒng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、相圖后進(jìn)行介紹，實(shí)際上屬于物理化學(xué)中的一個(gè)重要應(yīng)用。

1物理化學(xué)中電化學(xué)知識(shí)構(gòu)架

在物理化學(xué)中電化學(xué)一般包括：法拉第定律、離子的電遷移和遷移數(shù)、強(qiáng)電解質(zhì)活度、電極電勢(shì)、超電勢(shì)、原電池、原電池?zé)崃W(xué)、電解池等部分。其中原電池和電解池屬于電化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，其它的為電化學(xué)的基本概念和原理。物理化學(xué)中電化學(xué)章節(jié)的重點(diǎn)是原電池?zé)崃W(xué)，在介紹完電化學(xué)基本定律法拉第定律，以及電化學(xué)基本概念離子的電遷移、強(qiáng)電解質(zhì)活度、電極電勢(shì)后，進(jìn)行重點(diǎn)討論。該部分熱力學(xué)知識(shí)，屬于熱力學(xué)在電化學(xué)體系中的應(yīng)用，通過(guò)等溫方程推導(dǎo)能斯特方程。

2電化學(xué)在冶金專(zhuān)業(yè)中的知識(shí)需求

電化學(xué)在化工、冶金、材料制備、污水處理、有機(jī)合成等方面均有重要應(yīng)用，隨著能源危機(jī)和環(huán)保問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，電化學(xué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的廣度和深度必將進(jìn)一步擴(kuò)大。在冶金領(lǐng)域，電化學(xué)有諸多應(yīng)用。活潑金屬的冶煉，如Al和Mg的冶煉，常常使用熔鹽電解的方法，將活潑金屬的氧化物溶解于熔鹽中，通過(guò)電還原的方法，使金屬以單質(zhì)的形式在陰極析出。重金屬的精煉，如Cu、Zn、Ni等，一般使用水溶液電解的方法，將粗金屬作為陽(yáng)極，通過(guò)電解提純?cè)陉帢O析出純度高的金屬。

3電化學(xué)針對(duì)性授課內(nèi)容的探討

在冶金工程本科教學(xué)的培養(yǎng)方案中，涉及到電化學(xué)的課程十分有限，而物理化學(xué)是培養(yǎng)方案中最早介紹電化學(xué)基本理論的課程，因此，利用這門(mén)課程提高學(xué)生對(duì)電化學(xué)基本理論的理解，了解電化學(xué)在冶金中的應(yīng)用，顯得尤為重要。下面列舉了在電化學(xué)授課過(guò)程中，需要冶金專(zhuān)業(yè)的學(xué)生重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。

3.1 電學(xué)回路的構(gòu)建

從電化學(xué)的基本定律出發(fā)，了解電學(xué)回路的構(gòu)建非常重要。首先，能通電的地方一定已形成了回路，在電化學(xué)體系中，電學(xué)回路可分為兩部分，一部分由電源和導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，主要由電子導(dǎo)電;另一部分由電化學(xué)體系中的電極和電解液構(gòu)成，在該部分里，電解液中的導(dǎo)電行為由電解液中的陰陽(yáng)離子承擔(dān)，而在電極上導(dǎo)電仍然由電子承擔(dān)。

介紹法拉第定律，可以定量計(jì)算電極上析出物質(zhì)與傳遞電量間的關(guān)系。離子的電遷移和遷移數(shù)以及電導(dǎo)和電導(dǎo)率部分的內(nèi)容，可以幫助學(xué)生理解電解液中離子的傳質(zhì)方式，電解液中電流大小的影響因素。

3.2 電化學(xué)熱力學(xué)

物理化學(xué)關(guān)心的主要問(wèn)題仍然是熱力學(xué)，是化學(xué)反應(yīng)的方向和限度的問(wèn)題，而熱力學(xué)知識(shí)在電化學(xué)體系中的應(yīng)用，是電化學(xué)部分的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的同時(shí)，可以結(jié)合冶金過(guò)程的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行拓展。例如，鋅電積過(guò)程中，陰極反應(yīng)有哪些，為什么鋅電積過(guò)程，單質(zhì)鋅可以在陰極析出，而氫氣基本不析出;銅電解過(guò)程中，優(yōu)先發(fā)生哪些反應(yīng)，這些反應(yīng)是按照什么樣的先后順序發(fā)生的，其背后的理論基礎(chǔ)是什么。

3.3 電極電解液界面

對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)中回路的構(gòu)建以及熱力學(xué)有了一定的初步理解后，學(xué)生對(duì)于電化學(xué)過(guò)程已經(jīng)有了基本的宏觀認(rèn)識(shí)。這時(shí)介紹更加細(xì)致的電化學(xué)知識(shí)，把著眼點(diǎn)轉(zhuǎn)到電極電解液界面微環(huán)境中，同時(shí)，結(jié)合一定的動(dòng)力學(xué)知識(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解。

在電化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物吸附于電極表面、得失電子、離開(kāi)電極表面或在電極表面生成新物質(zhì)，都是在電極電解液界面微化學(xué)環(huán)境中完成的。使用熱力學(xué)確定某電化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)生后，深入的理解電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，在腦中構(gòu)建電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生模型。

4結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)在冶金工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，物理化學(xué)是冶金工程專(zhuān)業(yè)整個(gè)知識(shí)體系中最早介紹電化學(xué)的課程，同時(shí)也是冶金專(zhuān)業(yè)最為重要的基礎(chǔ)課程之一，在電化學(xué)的授課過(guò)程中，按照電學(xué)回路構(gòu)建、電化學(xué)熱力學(xué)、電極電解液界面的順序進(jìn)行講授，可以讓學(xué)生深入淺出的了解和掌握電化學(xué)的基本概念和理論，同時(shí)結(jié)合電化學(xué)在冶金中應(yīng)用的實(shí)例，加深學(xué)生的印象，為后期專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：安徽省重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2016jyxm0147）;安徽省智慧課堂試點(diǎn)項(xiàng)目（2017zhkt089）;安徽工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2018jy06）;安徽工業(yè)大學(xué)“課程思政”建設(shè)項(xiàng)目（2020xkcsz005）。

作者簡(jiǎn)介：何世偉（1988—），男，安徽蕪湖人，安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院講師，博士。

參考文獻(xiàn)

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