2023年电化学在冶金工程专业物理化学教学中的授课思路探讨.doc

电化学在冶金工程专业物理化学教学中电化学在冶金工程专业物理化学教学中的授课思路探讨的授课思路探讨 何世伟 孔辉 华中胜 肖赛君 摘 要 物理化学是冶金工程专业整个知识体系中最早介绍电化学的课程，在电化学的授课过程中，按照电学回路构建、电化学热力学、电极电解液界面的模块顺序进行讲授，由宏观到微观，让学生深入浅出的掌握电化学的概念和理论，同时结合电化学在冶金中的实例，达到最佳的教学效果，为后期专业课的学习打下坚实的基础。关键词 电化學 冶金 物理化学 中图分类号：G642 文献标识码：A 物理化学是目前国内冶金工程专业普遍开设的专业基础课，一般在大学 12 年级开课，授课时间多为一学年，是冶金工程专业理论的根基。在整个冶金工程专业的培养体系中，物理化学起到了承上启下的作用，该课程需要部分基础化学的知识作为铺垫，同时学完后可以为冶金物理化学、冶金原理等专业基础课，钢铁冶金学、有色金属冶金学等专业课打下良好的基础。电化学是物理化学中的一个重要章节，一般在介绍完热力学基本知识、多组分系统热力学、动力学、相图后进行介绍，实际上属于物理化学中的一个重要应用。1 物理化学中电化学知识构架 在物理化学中电化学一般包括：法拉第定律、离子的电迁移和迁移数、强电解质活度、电极电势、超电势、原电池、原电池热力学、电解池等部分。其中原电池和电解池属于电化学知识的应用，其它的为电化学的基本概念和原理。物理化学中电化学章节的重点是原电池热力学，在介绍完电化学基本定律法拉第定律，以及电化学基本概念离子的电迁移、强电解质活度、电极电势后，进行重点讨论。该部分热力学知识，属于热力学在电化学体系中的应用，通过等温方程推导能斯特方程。2 电化学在冶金专业中的知识需求 电化学在化工、冶金、材料制备、污水处理、有机合成等方面均有重要应用，随着能源危机和环保问题的日趋严峻，电化学在工业领域的应用的广度和深度必将进一步扩大。在冶金领域，电化学有诸多应用。活泼金属的冶炼，如 Al 和Mg 的冶炼，常常使用熔盐电解的方法，将活泼金属的氧化物溶解于熔盐中，通过电还原的方法，使金属以单质的形式在阴极析出。重金属的精炼，如 Cu、Zn、Ni 等，一般使用水溶液电解的方法，将粗金属作为阳极，通过电解提纯在阴极析出纯度高的金属。3 电化学针对性授课内容的探讨 在冶金工程本科教学的培养方案中，涉及到电化学的课程十分有限，而物理化学是培养方案中最早介绍电化学基本理论的课程，因此，利用这门课程提高学生对电化学基本理论的理解，了解电化学在冶金中的应用，显得尤为重要。下面列举了在电化学授课过程中，需要冶金专业的学生重点掌握的内容。3.1 电学回路的构建 从电化学的基本定律出发，了解电学回路的构建非常重要。首先，能通电的地方一定已形成了回路，在电化学体系中，电学回路可分为两部分，一部分由电源和导线构成，主要由电子导电;另一部分由电化学体系中的电极和电解液构成，在该部分里，电解液中的导电行为由电解液中的阴阳离子承担，而在电极上导电仍然由电子承担。介绍法拉第定律，可以定量计算电极上析出物质与传递电量间的关系。离子的电迁移和迁移数以及电导和电导率部分的内容，可以帮助学生理解电解液中离子的传质方式，电解液中电流大小的影响因素。3.2 电化学热力学 物理化学关心的主要问题仍然是热力学，是化学反应的方向和限度的问题，而热力学知识在电化学体系中的应用，是电化学部分的学习重点。学习这部分内容的同时，可以结合冶金过程的实际问题进行拓展。例如，锌电积过程中，阴极反应有哪些，为什么锌电积过程，单质锌可以在阴极析出，而氢气基本不析出;铜电解过程中，优先发生哪些反应，这些反应是按照什么样的先后顺序发生的，其背后的理论基础是什么。3.3 电极电解液界面 对电化学系统中回路的构建以及热力学有了一定的初步理解后，学生对于电化学过程已经有了基本的宏观认识。这时介绍更加细致的电化学知识，把着眼点转到电极电解液界面微环境中，同时，结合一定的动力学知识对学生进行讲解。在电化学反应中，反应物吸附于电极表面、得失电子、离开电极表面或在电极表面生成新物质，都是在电极电解液界面微化学环境中完成的。使用热力学确定某电化学反应可以发生后，深入的理解电化学反应的机理，在脑中构建电化学反应的发生模型。4 结语 电化学在冶金工业中有着广泛的应用，物理化学是冶金工程专业整个知识体系中最早介绍电化学的课程，同时也是冶金专业最为重要的基础课程之一，在电化学的授课过程中，按照电学回路构建、电化学热力学、电极电解液界面的顺序进行讲授，可以让学生深入浅出的了解和掌握电化学的基本概念和理论，同时结合电化学在冶金中应用的实例，加深学生的印象，为后期专业课的学习打下坚实的基础。基金项目：安徽省重大教学改革研究项目（2016jyxm0147）;安徽省智慧课堂试点项目（2017zhkt089）;安徽工业大学教育教学研究重点项目（2018jy06）;安徽工业大学“课程思政”建设项目（2020 xkcsz005）。作者简介：何世伟（1988），男，安徽芜湖人，安徽工业大学冶金工程学院讲师，博士。参考文献 1 张荣良，杨志彬，焦丽娜，卓伟伟.冶金工程专业应用型人才培养与冶金物理化学教学实践J.中国冶金教育，2014（06）：1-4.2 蒙延双，朱福良，卜旭东.基于 OBE 模式的冶金电化学教学改革研究J.时代教育，2015（17）：204.3 崔萍，彭荣，石小鹏.应用电化学教学改革的探索J.科技创新导报，2013（27）：155.