Đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng Nghiên cứu xây dựng chương trình môn học Điện hóa học (Electrochemistry) phục vụ dạy học tăng cường tiếng Anh tại Đại học Đà Nẵng

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Điện hóa học là một bộ phận của Hóa lý, trong đó nghiên cứu những tính chất vật lý của hệ ion, cũng như các quá trình và hiện tượng trên ranh giới phân chia ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Đại học đà nẵng 

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Điện hóa học là một bộ phận của Hóa lý, trong đó nghiên cứu những tính chất vật lý của hệ ion, cũng như các quá trình và hiện tượng trên ranh giới phân chia pha có sự tham gia của các phần tử tích điện (electron và ion) Bởi vậy, điện hóa bao gồm tất cả các dạng tương tác giữa các phần tử tích điện linh động trong các pha ngưng tụ ở trạng thái cân bằng, cũng như khi xảy ra phản ứng trên ranh giới phân chia và trong lòng pha Điện hóa được chia làm hai phần: Điện hóa học

lý thuyết và điện hóa học ứng dụng Điện hóa học ứng dụng có liên quan đến nhiều ngành khoa học khác như chế tạo nguồn điện hóa học (pin, ăc quy, pin nhiên liệu), tổng hợp các hợp chất hữu cơ-vô cơ bằng phương pháp điện hóa, nghiên cứu ăn mòn – bảo vệ kim loại, trong phân tích và xử lý môi trường, trong y – sinh, luyện kim,… Như vậy, lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của điện hóa rất rộng và có ảnh hưởng đến nhiều ngành khoa học, công nghiệp khác nhau Trong đào tạo, Điện hóa học là môn học bắt buộc của các ngành đào tạo Cử nhân Hóa học, cũng như là một môn học bắt buộc hay tự chọn của các ngành có liên quan (Công nghệ thực phẩm, vật liệu, công nghệ hóa học,…)

Hiện nay, trong xu thế hội nhập với các nền khoa học tiên tiến của thế giới, Đại học Đà Nẵng đẩy mạnh việc xây dựng các chương trình đào tạo theo hướng tiếp cận trình độ đào tạo quốc tế với việc sử dụng phổ biến tiếng Anh trong dạy học Do vậy, việc nghiên cứu xây dựng chương trình môn học Điện hóa học (Electrochemistry) theo hướng tăng cường tiếng Anh cho sinh viên là thực sự cần thiết và cấp bách

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Xây dựng nội dung chương trình và biên soạn tài liệu môn học Điện hóa học nhằm phục vụ dạy học tăng cường tiếng Anh tại Đại học Đà Nẵng

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu: Chương trình môn học Electrochemistry phục vụ dạy

học tăng cường tiếng Anh tại Đại học Đà Nẵng

3.2 Phạm vi nghiên cứu: Chương trình môn học Electrochemistry xây dựng theo hướng tích hợp, nội dung môn học được thể hiện bằng tiếng Anh Nội dung chương trình thuộc khối kiến thức đại cương, hướng đến phục vụ đa số sinh viên Đại học Đà Nẵng Hiện môn học này đang được giảng dạy tại các lớp Chương

trình tiên tiến Hóa dược, Cử nhân Hóa học thuộc trường ĐH Sư phạm – ĐHĐN

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

4.1 Nghiên cứu cơ sở lý luận về phát triển chương trình giáo dục/đào tạo

1.1 Khái niệm chương trình đào tạo

1.2 Các tiếp cận phát triển chương trình đào tạo

1.3 Các nội dung của phát triển chương trình đào tạo

1.4 Cấu trúc chương trình đào tạo

4.2 Xây dựng chương trình môn học Electrochemistry theo hướng tăng cường tiếng Anh cho sinh viên Đại học Đà Nẵng

2.1 Phân tích nhu cầu

2.2 Xác định mục đích và mục tiêu đào tạo

2.3 Thiết kế chương trình

4.3 Thẩm định chương trình đào tạo đề xuất

3.1 Các phương pháp đánh giá chương trình đào tạo

3.2 Đánh giá của chuyên gia

4.4 Viết báo cáo và nghiệm thu đề tài

5 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5.1 Cách tiếp cận: Tiếp cận tham khảo các chương trình môn học Electrochemistry của một số trường Đại học thuộc các nước phát triển trên thế giới và chương trình môn Điện hóa học của các trường Đại học trong nước

5.2 Phương pháp nghiên cứu: Đề tài sử dụng các phương pháp: phân tích, tổng hợp, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết trong tất cả các khâu của thiết kế chương trình đào tạo

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Chương trình môn học về Điện hóa học (Electrochemistry) theo hướng tăng cường tiếng Anh dành cho sinh viên và học viên Sau đại học của Đại học Đà Nẵng được thiết kế, triển khai sử dụng, qua đó nâng cao chất lượng giáo dục đào tạo nói chung của Đại học Đà Nẵng, đáp ứng yêu cầu đổi mới căn bản và toàn diện giáo dục đại học Việt Nam

Chương trình môn học Điện hóa học bằng tiếng Anh giúp cho sinh viên ngành Hóa học nâng cao năng lực tiếng Anh, từ đó góp phần thực hiện chiến lược quốc tế hóa của ngành GD&ĐT nói chung và ĐHĐN nói riêng

Dạy cho các ngành: Cử nhân Sư phạm Hoá học, Cử nhân Phân tích – Môi

trường, Cử nhân Hóa Dược, Cử nhân Quản lý môi trường

1 Mô tả học phần:

Học phần gồm 30 tiết trong đó có 23 tiết lý thuyết và 7 tiết thực hành bài tập Nội dung chính của học phần này trình bày về các quá trình điện hoá trên ranh giới pha, khái niệm về điện cực, quá thế, cơ chế và các qui luật của động học điện hoá Ngoài lĩnh vực lý thuyết, thì học phần còn đề cập một số lĩnh vực ứng dụng của

điện hoá học như: nguồn điện hoá học, tổng hợp các chất hữu cơ, vô cơ bằng phương pháp điện hoá, nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ kim loại

2 Điều kiện tiên quyết:

- Các học phần sinh viên phải học trước học phần này: các học phần hoá học cơ bản như: hoá đại cương, nhiệt động học, hữu cơ, vô cơ Các học phần khác như toán, vật lý

- Các học phần tiên quyết phải tích luỹ trước khi học học phần này (phải

đạt từ 5 điểm trở lên mới được học học phần này): các học phần hoá học cơ bản như: hoá đại cương, nhiệt động học; các học phần toán, vật lý

3 Mục tiêu của học phần:

Cung cấp những kiến thức cơ bản về dung dịch, các quá trình điện hoá và một số ứng dụng của điện hoá học như: nguồn điện hoá học, điện phân, phương pháp phân tích điện hoá, ăn mòn và bảo vệ kim loại

4 Nội dung chi tiết học phần và hình thức dạy học:

4.1 Nội dung cụ thể:

Chương 1: Dung dịch chất điện li (3t)

1.1 Khái niệm chất điện li

1.2 Những bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại các ion trong dung dịch chất

điện li

1.3 Thuyết điện li Arrhenius

Chương 2 Tương tác ion - lưỡng cực dung môi trong dung dịch chất điện ly (1t)

2.1 Nguyên nhân của sự điện ly và tương tác ion - lưỡng cực dung môi

2.2 Năng lượng mạng lưới tinh thể

2.3 Năng lượng solvat hóa

Chương 3 Tương tác ion - ion trong dung dịch chất điện ly (4t)

3.1 Hoạt độ và hệ số hoạt độ

3.2 Thuyết Debey - Huckel

3.3 Năng lương tương tác giữa ion trung tâm và khí quyển ion

3.4 Tính hệ số hoạt độ theo thuyết Debey - Huckel

3.5 Sự phát triển của thuyết Debey - Huckel

3.6 ứng dụng của thuyết Debey - Huckel cho chất điện ly yếu

3.7 ứng dụng thuyết Debey - Huckel để tính độ tan

3.8 Sự liên hợp ion trong các dung dịch điện ly

3.9 Các chất đa điện ly và chất điện ly nóng chảy

Chương 4: Sự dẫn điện của dung dịch điện li (4 t)

4.1 Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li

4.2 Một số trường hợp đặc biệt của độ dẫn điện các dung dịch chất điện li 4.3 Tính chất của dung dịch chứa electron solvat hoá

4.4 Tốc độ chuyển động tuyệt đối và linh độ ion

4.5 Mối liên hệ giữa linh độ ion và độ dẫn điện

4.6 Phương pháp đo độ dẫn điện và ứng dụng

4.7 Số vận tải

Chương 5: Nhiệt động học điện hóa (6t)

5.1 Sự xuất hiện thế trên ranh giới phân chia pha

5.2 Thế điện cực

5.3 Nhiệt động học về nguyên tố Galvani

5.4 Các loại pin

5.5 ứng dụng của phép đo sức điện động

Chương 6: Lớp điện kép trên ranh giới điện cực - dung dịch (2t)

6.1 Sự hình thành lớp điện kép

6.2 Các thuyết về cấu trúc lớp kép

6.3 Phương pháp nghiên cứu lớp kép

Chương 7: Động học các quá trình điện hoá (3t)

7.1 Đặc trưng chung của các quá trình điện hoá

Chương 8: Một số ứng dụng của lĩnh vực điện hoá (3t)

8.1 Một số khái niệm cơ sở

8.2 Điện kết tinh kim loại

8.3 Một số ứng dụng trong phân tích điện hoá

8.4 Nguồn điện hoá học

8.5 Tổng hợp các hợp chất hữu cơ - vô cơ bằng phương pháp điện hoá

Chương 9: ăn mòn và bảo vệ kim loại (4t)

9.1 ăn mòn kim loại

9.2 Sự thụ động kim loại

9.3 Bảo vệ kim loại

4.2 Hình thức tổ chức dạy học:

Tên chương Số tiết lý

thuyết

Số tiết thực hành

Số tiết thảo luận

Số tiết bài tập

Tài liệu học tập, tham khảo cần thiết Chương 1: Dung dịch

5 Tài liệu tham khảo:

L.I Antropov, Theoretical Electrochemistry, Mir Publishers, Moscow, 1977

Peter Atkins, Julio de Paula, Physical Chemistry - Eight Edition, W.H Freeman

and Company, New York, 2006

R.Gaboriaud, Physico - Chimie des Solutions, Masson, Paris, 1996

Carl H Hamann, Andrew Hamnett, Wolf Vielstich, Electrochemistry, New York -

10 Robert Cottis, Electrochemical Impedance and Noise, NACE - 2000

11 Donald T Sawyer, Electrochemistry for Chemists, Willey InterScience

Người biên soạn

Duyệt của Khoa hoặc Bộ môn

PGS TS Lê Tự Hải

CHAPTER 1 ELECTROLYTES, ELECTROLYTIC DISSOCIATION AND ARRHENIUS

THEORY OF ELECTROLYTIC DISSOCIATION

1.1 Electrolytes

Chemical compounds that are dissociated into ions in solid, liquid or

dissolved forms are termed electrolytes

1.2 The Arrhenius theory of electrolytic dissociation

1.3 Applications of the theory of electrolytic dissociation

1.3.1 The osmotic properties of electrolytes

1.3.2 Thermochemical effects in electrolytic solutions

1.3.3 Chemical equilibrium in electrolytic solutions

1.3.3.1 Electrolytic dissociation of water

1.3.3.2 Buffer capacity of solutions

1.4 Shortcomings of the theory of electrolytic dissociation

EXERCISES

1- The dissociation constant of butyric acid C3H7COOH is 1.5 x 10-5 Calculate the degree of its dissociation in a 0.005 M solution

2- The degree of dissociation of formic acid HCOOH in a 0.2 N solution is

0.03 Determine the dissociation constant of the acid and the value of pK

3- How much water must be added to 300 mL of 0.2 M solution of acetic

acid for the degree of dissociation of the acid to double?

4- Calculate the concentration of CH3COO- ions in a solution, one litre of which contains one mole of CH3COOH and 0.1 mole of HCl, assuming the dissociation of the latter to be complete

5- How will the hydrogen ion concentration lower if 0.05 mole of sodium

acetate is added to one litre of a 0.005 M acetic acid solution?

6- Calculate the pH of a 0.1 N solution of acetic acid containing, in addition,

0.1 mol/l of CH3COONa Assume that the activity coefficients of the ions equal unity

7- How will the pH change if we double the amount of water in (a) a 0.2 M

solution of HCl, (b) a 0.2 M solution of CH3COOH, (c) a solution containing 0.1 mol/l of CH3COOH and 0.1 mol/l of CH3COONa

8- What is the concentration of an acetic acid solution whose pH is 5.2? 9- How many times is the hydrogen ion concentration in the blood (pH =

7.36) greater than in the spinal fluid (pH = 7.53)?

10- How will the acidity of a 0.2 N solution of HCN change when 0.5 mol/l

of potassium cyanide KCN is added to it? (a) It will grow; (b) it will diminish; (c) it will not change

CHAPTER 2 THE INTERACTION OF ION – DIPOLE IN THE ELECTROLYTIC

SOLUTIONS

2.1 The dissociation process

2.2 Lattice energy of ion crystals

2.3 Hydration energy

CHAPTER 3 THEORY OF IONIC INTERACTION 3.1 Ionic activity and activity coefficient

3.2 The Debye-Hückel theory

3.2.1 The assumptions of Debye-Hückel theory

3.2.2 The Debye-Hückel model of electrolytic solutions

3.3 The energy of ionic interaction

3.4 Calculation of activity coefficients

3.5 Further development of the Debye- Hückel theory

3.6 Applications of the Debye-Huckel equation

3.6.1 Determination of thermodynamic equilibrium constants

3.6.2 Effect of ionic strength on ion reaction rates in solution

3.7 Ion association

3.8 Polyelectrolytes

EXERCISES 1- Calculate the approximate values of the activity of the K+ and SO42- ions in a 0.01 M solution of K2SO4

2- Calculate the ionic strength and the activity of the ions in a solution containing

0.01 mol/l of Ca(NO3)2 and 0.01 mol/l of CaCl2

3- Determine the molar activity coefficient of Ca2+ at 25oC using relevant Debye Huckel Equation in the following solution:

a) 0.0004 mole of HCl and 0.0002 mole of CaCl2 in one liter solution b) 0.004 mole of HCl and 0.002 mole of CaCl2 in one liter solution

4- The stoichiometric mean activity coefficient at 25 oC of the sulphuric acid in a mixture of 1.5 molal sodium sulphate (Na2SO4) + 2 molal H2SO4 is 0.1041 If the

second dissociation constant, K2, for sulphuric acid is 0.0102 and the pH of the solution is - 0.671, calculate:

a) the molal activity of H2SO4

b) the molal activity of SO4

2-

c) the molal activity of HSO4

-

d) the mean activityof H2SO4

5- a) What is the value of ionic strength of HCl solution with molality 0.010?

b) The ionic strength of 0.10 molal Na2SO4

6- Calculate I for a solution that is 0.3 molal in KCl and 0.5 molal in K2Cr2O7

7- The general formula for ionic strength I (mol dm-3) of the strong electrolyte solution is I = 1/2CiZi2 where Ci and Zi are the respective concentrations and change numbers of all ions in the solution Derive simplified formulae for the calculation of the ionic strength of the following electrolytes from their respective concentration C:

g) Three salts are dissolved in one solution: Mg(NO3)2 0.003, MgSO4 0.005,

K2SO4 0.007 mol dm-3 Calculate the ionic strength of the solution

8- By means of the Debye-Huckel limiting law calculate the mean activity

coefficient of the solutions of strong electrolytes in Exercise 5 a), b) at concentration c = 0.001 mol dm-3

9- Consider solutions of hydrochloric acid HCl, strong acid) with the respective

concentrations a) 0.0001, b) 0.001, and c) 0.01 mol dm-3 By the same way in Exercise 6., calculate the respective log of HCl and pH values of the solutions with regard to the mean activities of HCl

10- The solubility product of silver chloride (AgCl) in water is Ks = 1.56x10-10(25oC) Calculate the respective solubilities s (mol dm-3) of AgCl:

a) In pure water Is the activity coefficient important in this case?

b) In the aqueous solution of MgSO4 0.001 mol dm-3, using the mean activity coefficient calculated after the Debye-Huckel limiting law

c) In the solution of NaCl 0.02 mol dm-3, neglecting the activity coefficient d) In the same solution of NaCl, more precisely, using the mean activity coefficient, calculated as in b)

e) Convert the solubilities (mol dm-3) calculated in a)-d) into mg of silver in 1

dm3 of solution

CHAPTER 4 ELECTRICAL CONDUCTANCE OF ELECTROLYTIC SOLUTION

4.1 Basic concepts

4.1.1 The specific conductance

4.1.2 The equivalent conductance

4.1.3 Effect of factors on the conductance of electrolyte solutions

4.1.3.1 Effect of concentration

4.1.3.2 Effect of temperature

4.2 Anomalies in electrical conductance Some special cases of conduction

4.2.1 The abnormal mobility of hydrogen and hydroxyl ions

4.2.2 The anomalous conductance of nonaqueous electrolyte solutions

4.2.3 The character of solvated electrons

4.3 The absolute velocities and mobilities of ions

4.4 The relationship between ion mobility and conductance

4.5 Measurement of conductivity

4.6 Application of conductivity measurements

4.6.1 Determination of molar conductivities at infinite dilution

4.6.2 Solubilities of sparingly soluble salts

4.6.3 The ionic product of self-ionizing solvents

4.6.4 Dissociation constants of weak electrolytes, e.g weak acids

1- The conductivity and molar conductivity of a saturated aqueous solution of

silver chloride are 3.41×10-4S·m-1 and 138.26×10-4S·m2·mol-1 respectively at 25℃ The conductivity of the water used to make the solution is 1.60×10-4S·m-1 at the same temperature Calculate the solubility of silver chloride in water at 25℃

2- At 25℃，

(NaAc) = 91.0×10-4 S·m2·mol–1，

(HCl) = 426.2×10-4 S·m2·mol–1，

(NaCl) =126.5×10-4 S·m2·mol–1，