CC BY
25
химия
Вестник Омского университета, 2000. N.4. С.28-30. © Омский государственный университет, 2000
УДК 541.124+378.141
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСЧЕТНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ
ПРОГРАММ
В.Ф. Борбат, O.A. Голованова, О.В. Глухова
Омский государственный университет, кафедра неорганической химии 6.{4077 Омск, пр. Мира, 55-А
Получена 26 июля 2000 г.
There is Chemical department dicipline "Elektrochemical calculations on the PC'1 for student-
electrochennsts. Computer programs are used for "ELECTROD", "POLAROGRAF" are used for calculation of of electrochemical reactions. They can are used for studing and discribing of electrochemical procesess.
Современная химия принадлежит к числу фундаментальных наук, а любая область науки не может обойтись без самого широкого использования математических подходов к обработке результатов измерений как с целью резкого увеличения степени их достоверности, так и с целью извлечения из них максимума информации об объекте, прогноза его свойств, выбора оптимального пути иследования и т.д. Работа по математизации химии ведется нарастающими темпами [1-3]. Поэтому содержание химии, преподаваемой в вузах, непрерывно меняется, пополняясь новыми разделами, отражающими, в частности, современные представления о природе химической связи, кинетике электродных процессов, закономерностях изменения электронной структуры и свойств химических элементов и их соединений.
Особое место среди химических наук и в химической технологии занимает современная электрохимия. В настоящее время электрохимические методы широко применяются не только в химии, но и в биологии, физике, электронике, медицине [4]. Кроме того, данные методы все чаще используются для изучения электродных процессов. Применение этих методов требует определенного уровня культуры электрохимического эксперимента и четкого представления о их возможностях и ограничениях.
На кафедре неорганической химии ведется подготовка студентов по специальности "Элек-
1 e-mail: vasilje@mail.ru
2e-mail: kiskiskis@ramblei-.ru
трохимия". К выпускающимся специалистам предъявляется ряд требований, среди которых не только знание теоретического материала химических дисциплин, но и умение применять полученные знания на практике, производить электрохимические измерения и вычислять параметры процессов.
Сотрудниками и студентами кафедры неорганической химии на основе анализа статей журнала "Электрохимия" и другой литературы разрабатывается курс "Электрохимические расчеты на ЭВМ" для студентов IV курса. Данный курс позволяет изучить такие темы, которые требуют логического мышления, умения производить точные расчеты по.данным, полученным в ходе проведения экспериментов. Наиболее удобно это делать при наличии специальных расчетных программ, которые позволяют производить множество таких вычислений и построений зависимостей за короткий промежуток времени.
В настоящее время развивающимся разделом электрохимии является учение о кинетике и механизме электрохимических процессов. В последние годы возрастает интерес электрохимиков к проблемам и методам электродиффузионной диагностики потоков. Весьма актуальная задача - разработка экспериментальных подходов к проведению исследований турбулентной гидродинамики и масс.опереноса. Большие преимущества имеет использование замкнутых электрохимических ячеек при проведении исследований кинетики электродных процессов в перемешива-
Изучение кинетики электродных процессов с использованием расчетных компьютерных программ
29
емых растворах [5].
Классический пример проведения электрохимических экспериментов в ячейке с перемешиваемым раствором и контролируемым массопе-реносом - измерения с помощью вращающегося дискового электрода. Важное достоинство такого электрода. - в равнодоступности его поверхности в диффузионном отношении, что в конечном счете и обеспечило широкое распространение метода. Благодаря точному математическому соотношению для плотности тока, вращающийся дисковый электрод широко применяется при решении разнообразных практических задач. При помощи вращающегося дискового электрода можно определить число электронов (п), участвующих в электродном процессе. Это особенно важно при установлении механизма электродных реакций, в которых участвуют органические вещества. При определении числа электронов обычно сравнивают предельные диффузионные токи для исследуемого вещества и для какого-либо другого близкого по строению (а следовательно, и по величине коэффициента диффузии) вещества, механизм электровосстановления которого известен. Если же величина п известна, то уравнение (1) может быть использовано для точного расчета, коэффициента диффузии реагирующего вещества:
/^о.бгт^дри'1^-1/6^, (1)
где 1С1 - плотность диффузионного тока, п -число электронов, участвующих в электродном процессе, Р - число Фарадея (96500 Кл); Б -коэффициент диффузии; \\ - угловая скорость вращения электрода; и - кинематическая вязкость;
Очень важным при исследовании кинетики сложных органических реакций является установление реакции, которая лимитирует весь процесс (непосредственно химическая реакция, стадия разряда, массопереноса). Так, если наиболее медленной стадией является стадия массопереноса, то ток прямо пропорционален . Бели же лимитирующая стадия не связана с. подводом или отводом реагирующего вещества, то ток не зависит от скорос ти вращения электрода. В ряде систем при увеличении угловой скорости вращения наблюдается переход от лимитирующей стадии массопереноса к замедленной стадии разряда или к замедленной гетерогенной химической реакции.
Подобные расчеты можно проводить с использованием программы ЕЬЕСТШЭО, в основе которой лежит метод вращающегося дискового электрода.
Расчет производится программой после заполнения окон ввода данных. По окончании рас-
чета па экран выводятся результаты в виде численных значений и графических зависимостей.
Например, в задаче на определение лимитирующей стадии электродного процесса исходными данными являются концентрация раствора, плотность тока, кинематическая вязкость, угловая скорость вращения электрода. После ввода данных строится график зависимости = (рис.,1).
Угловая скорость, рад/с
Рис. 1. График зависимости 1 = /(И^/о)
Метод ВДЭ широко используется при исследовании процесса коррозии, гидродинамических процессов, в аналитической химии для установления механизма сложных органических реакций. Предел обнаружения составляет 10~5 —10""6 моль/л.
Кинетические закономерности, присущие электрохимическим реакциям, лежат в основе одного из наиболее совершенных и универсальных методов исследования и химического анализа полярографического. На практике очень часто электродный процесс осуществляется в нестационарных условиях, и данный метод в этом случае играет большую роль для определения параметров протекания изучаемого процесса.
Разработанная программа РОЬАШЭСКАР позволяет по экспериментальным данным производить построение полярограмм с использованием уравнения катодной полярографической волны Гейеровского-Ильковича (уравнение 2):
= б0б2Сг О1/'2т2/аг1 /(2)
где - плотность диффузионного тока; О - коэффициент диффузии; С'., - концентрация раствора; Z - заряд металла; т - масса ртутной капли; г - время капания. По полученной но-лярограмме мбжно определить потенциал полуволны и предельный диффузионный ток. Так как потенциал полуволны качественно характеризует исследуемую систему, а предельный диффузионный ток пропорционален объемной концентрации реагирующего вещества, то полярографический метод открывает широкие возможности для проведения качественного и количе-
30
В.Ф. Борбат, O.A. Голованова, О.В. Глухова
ственного анализа. Такая возможность реализуется в компьютерной программе РОЬАКОСЖАР.
Полученные в ходе расчета результаты выводятся на экран, например, в виде следующего графика (рис. 2).
6
Б
< Q
2 1
0 1 2 3 4 5 6
Ф,В
Рис. 2. График зависимости силы тока от потенциала
Анализируя полученную зависимость, студент по качественным (потенциал полуволны) и количественным (высота полярографической волны) характеристикам может определить анализируемое вещество и его концентрацию в растворе. Поскольку предельный диффузионный ток пропорционален массе ртутной капли т1//2, с помощью полярографического метода может быть установлена и природа лимитирующей стадии электродного процесса. Это важно при исследовании многостадийных систем.
Разработанные программы позволяют производить необходимые расчеты по данным, полученным в ходе экспериментов, и при решении теоретических задач студентами и аспирантами. Составлен пакет задач по перечисленным разделам электрохимии, для решения которых по определенному алгоритму студент использует знания, полученные в ходе изучения теоретического материала (15 вариантов индивидуальных заданий для каждого студента). Список всех задач помещен в приложениях к каждой из программ. Решение задач способствует развитию у студентов интереса и повышает усвоение учебного материала.
Для изучения закономерностей метода ВДЭ составлено 15 вариантов заданий, включающих по 3 задачи каждый. Условия задач основаны на реальных экспериментальных данных, взятых из научных статей. Их решение способствует выработке навыков быстрой работы с использованием возможностей ПК и знакомит студентов с современными исследованиями в области кинетики электродных процессов.
Названые программы работают в операционной среде Windows - 95, 98, имеют удобный пользовательский интерфейс (их размер не превышает 1,5 МВт) и не требуют глубоких начальных
знаний IIK. Они написаны на языке DELF1 3 (standart), который занимает ведущее место в современной практике программирования..
Программы курса. "Электрохимические расчеты на ЭВМ" могут быть использованы студентами в учебном процессе при выполнении лабораторных работ, для решения задач на семинарах по электрохимии. Пробная эксплуатация программ проведена на 4 курсе специализации "Электрохимия" . Студенты показали лучшие результаты при выполнении практических заданий по сравнению с обучающимися без применения компьютерных программ. Были выяснены следующие отличия от традиционного обучения:
1) повышение заинтересованности студентов в изучении предмета;
2) улучшение усвоения учебного материала;
3) увеличение скорости обучения.
Определенные трудности использования данных расчетных программ, которые, мы надеемся, в будущем будут устранены:
1) недостаточное количество ПК в химических лабораториях;
2) недостаточность системных возможностей и мощности имеющихся ПК;
3) отсутствие пользовательских навыков у некоторых студентов.
В дальнейшем планируется расширить круг прикладных программ, адаптированных к каждому из разделов электрохимии, что позволит усовершенствовать процесс подготовки специалистов в данной области.
[]] Волков А.И., Жарений И.М., Комшилова О.Н. Программированный контроль текущих знаний по общей химии. Минск: Университетское, 1988.
[2] Чернобельская Г.М. Методика обучения химии. Контроль результатов обучения. М.: МГПИ им. В. И. Ленина,'1982, 81. С. 3-7, 37-42.
[3] Концепция развития народного образования в России. (По материалам Всероссийского совещания работников образования). М., январь 2000 г.
[4] Антропова Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. школа, 1975.
[5] Некрасов Л.Н., Хомченко Т.Н., Ал-муала. X. Электродиффузионные исследования турбулентных потоков в замкнутой электрохимической ячейке с помощью неподвижного дискового электрода с кольцом // Электрохимия. 1996. Т.32. №11. С.1285-1291.
[6] Чернова H.A.,. Каменев А.И. Статистический подход к полярографическому определению состава смеси с неизвестным числом составляющих// Журнал аналитической химии. 1997. Т. 52. №10. С. 1082 - 1085.
