電化學在冶金工程專業物理化學教學中的授課思路探討

何世偉 孔輝 華中勝 肖賽君

摘 要 物理化學是冶金工程專業整個知識體系中最早介紹電化學的課程，在電化學的授課過程中，按照電學回路構建、電化學熱力學、電極電解液界面的模塊順序進行講授，由宏觀到微觀，讓學生深入淺出的掌握電化學的概念和理論，同時結合電化學在冶金中的實例，達到最佳的教學效果，為后期專業課的學習打下堅實的基礎。

關鍵詞 電化學 冶金 物理化學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

物理化學是目前國內冶金工程專業普遍開設的專業基礎課，一般在大學1～2年級開課，授課時間多為一學年，是冶金工程專業理論的根基。在整個冶金工程專業的培養體系中，物理化學起到了承上啟下的作用，該課程需要部分基礎化學的知識作為鋪墊，同時學完后可以為冶金物理化學、冶金原理等專業基礎課，鋼鐵冶金學、有色金屬冶金學等專業課打下良好的基礎。電化學是物理化學中的一個重要章節，一般在介紹完熱力學基本知識、多組分系統熱力學、動力學、相圖后進行介紹，實際上屬于物理化學中的一個重要應用。

1物理化學中電化學知識構架

在物理化學中電化學一般包括：法拉第定律、離子的電遷移和遷移數、強電解質活度、電極電勢、超電勢、原電池、原電池熱力學、電解池等部分。其中原電池和電解池屬于電化學知識的應用，其它的為電化學的基本概念和原理。物理化學中電化學章節的重點是原電池熱力學，在介紹完電化學基本定律法拉第定律，以及電化學基本概念離子的電遷移、強電解質活度、電極電勢后，進行重點討論。該部分熱力學知識，屬于熱力學在電化學體系中的應用，通過等溫方程推導能斯特方程。

2電化學在冶金專業中的知識需求

電化學在化工、冶金、材料制備、污水處理、有機合成等方面均有重要應用，隨著能源危機和環保問題的日趨嚴峻，電化學在工業領域的應用的廣度和深度必將進一步擴大。在冶金領域，電化學有諸多應用?；顫娊饘俚囊睙?，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，通過電還原的方法，使金屬以單質的形式在陰極析出。重金屬的精煉，如Cu、Zn、Ni等，一般使用水溶液電解的方法，將粗金屬作為陽極，通過電解提純在陰極析出純度高的金屬。

3電化學針對性授課內容的探討

在冶金工程本科教學的培養方案中，涉及到電化學的課程十分有限，而物理化學是培養方案中最早介紹電化學基本理論的課程，因此，利用這門課程提高學生對電化學基本理論的理解，了解電化學在冶金中的應用，顯得尤為重要。下面列舉了在電化學授課過程中，需要冶金專業的學生重點掌握的內容。

3.1 電學回路的構建

從電化學的基本定律出發，了解電學回路的構建非常重要。首先，能通電的地方一定已形成了回路，在電化學體系中，電學回路可分為兩部分，一部分由電源和導線構成，主要由電子導電;另一部分由電化學體系中的電極和電解液構成，在該部分里，電解液中的導電行為由電解液中的陰陽離子承擔，而在電極上導電仍然由電子承擔。

介紹法拉第定律，可以定量計算電極上析出物質與傳遞電量間的關系。離子的電遷移和遷移數以及電導和電導率部分的內容，可以幫助學生理解電解液中離子的傳質方式，電解液中電流大小的影響因素。

3.2 電化學熱力學

物理化學關心的主要問題仍然是熱力學，是化學反應的方向和限度的問題，而熱力學知識在電化學體系中的應用，是電化學部分的學習重點。學習這部分內容的同時，可以結合冶金過程的實際問題進行拓展。例如，鋅電積過程中，陰極反應有哪些，為什么鋅電積過程，單質鋅可以在陰極析出，而氫氣基本不析出;銅電解過程中，優先發生哪些反應，這些反應是按照什么樣的先后順序發生的，其背后的理論基礎是什么。

3.3 電極電解液界面

對電化學系統中回路的構建以及熱力學有了一定的初步理解后，學生對于電化學過程已經有了基本的宏觀認識。這時介紹更加細致的電化學知識，把著眼點轉到電極電解液界面微環境中，同時，結合一定的動力學知識對學生進行講解。

在電化學反應中，反應物吸附于電極表面、得失電子、離開電極表面或在電極表面生成新物質，都是在電極電解液界面微化學環境中完成的。使用熱力學確定某電化學反應可以發生后，深入的理解電化學反應的機理，在腦中構建電化學反應的發生模型。

4結語

電化學在冶金工業中有著廣泛的應用，物理化學是冶金工程專業整個知識體系中最早介紹電化學的課程，同時也是冶金專業最為重要的基礎課程之一，在電化學的授課過程中，按照電學回路構建、電化學熱力學、電極電解液界面的順序進行講授，可以讓學生深入淺出的了解和掌握電化學的基本概念和理論，同時結合電化學在冶金中應用的實例，加深學生的印象，為后期專業課的學習打下堅實的基礎。

基金項目：安徽省重大教學改革研究項目（2016jyxm0147）;安徽省智慧課堂試點項目（2017zhkt089）;安徽工業大學教育教學研究重點項目（2018jy06）;安徽工業大學“課程思政”建設項目（2020xkcsz005）。

作者簡介：何世偉（1988—），男，安徽蕪湖人，安徽工業大學冶金工程學院講師，博士。

參考文獻

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