【授業概要】
・テーマ
電気化学は工業物理化学と言ってもよく、電池、表面処理、エネルギー変換・貯蔵、分析化学、金属精錬等の実用面への展開が深く広い。そのため、電子工学や機械工学などの分野との接点も多く、化学の初学者にとっては難しいという印象を持つようだ。本講義では、学問としての電気化学に関して、「知識」を「使いこなす学術」へとリンクを張り、スパイラルアップする。
・到達目標
前半は高校物理のおさらいとテスターの使い方、学生実験の学術的背景を中心とし、実際に物理量をどのように計測するのか、その原理と実際について座学だけではなく、演習や学生実験とのリンクを通して理解を深める。後半は、学問領域としての電気化学の理論と応用に関して、電解質溶液論、反応速度論、熱力学との関係も踏まえた電気化学の体系を概観し、その基礎理論を理解する。具体的には、 ◦ 電解質溶液の性質と電気二重層 純水は電気分解出来ないのに、食塩水はなぜ電気分解出来るのか?電気化学反応における電解質の役割、電極と電解液の界面に形成される電気二重層の概念について理解する。 ◦ 電気化学平衡と平衡電位の概念、参照電極 電気化学平衡とはどういう状態を言うのか、平衡電位を理解するとともに、それを記述するネルンスト式と電位差の求め方を学び、電気化学測定に用いられる参照電極について理解する。 ◦ 電荷移動反応と定電位電解 電極電位を平衡電位からずらすと、電極/電解液界面を横切る電荷移動反応が起こ る。その速度を記述するButler-Volmer式について学ぶ。拡散律速系の定電位電解反応、電流の時間応答計測(クロノアンペロメトリー)を記述するCotrell式を理解する。 ◦ サイクリックボルタンメトリー 電位スキャンに伴う電流応答を計測するサイクリックボルタンメトリーについて、その原理と計測法、解析法を理解する。 ◦ 回転ディスク電極を用いた電気化学測定 拡散律速系について物質輸送量を制御した条件下で電極反応を計測することを可能にする回転ディスク電極を用いた電気化学測定と、Levich式、Koutecky-Levich式を用いた解析法を理解する。
・キーワード
電気化学、電池、表面処理、エネルギー変換・貯蔵、電極反応、工業物理化学、電子工学、機械工学
【科目の位置付け】
この科目は、山形大学のディプロマ・ポリシーに則り、専門分野において中核となる学術上の成果を修得し、これを社会生活や職業生活の場で実践的に活用する能力を培う。また、工学部のディプロマ・ポリシーに則り、課題に対し、論理的な思考により、計画的にグループで物事を進めて解決を導く能力を身につける。さらに物質化学工学科の学習・教育目標(B)に則り、専門知識を習得する。
【授業計画】
・授業の方法
前半は高校物理のおさらいとテスターの使い方、学生実験の学術的背景を中心とし、実際に 物理量 をどのように計測するのか、その原理と実際について座学だけではなく、演習や学生実験とのリンクを通して理解を深める。 後半は、講義を中心とし、学問領域としての電気化学の理論と応用に関して、電解質溶液論、反応速度論、熱力学との関係も踏まえた電気化学の体系を概観し、その基礎理論を理解する。
・日程
講義は以下のテーマ番号順に進捗する。複数回の講義で実施するテーマもある。 前半7回 1. ガイダンス/ 電気と化学―電池と豆電球のつなぎ方と電流・電圧の測り方― 2. セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方― 3. 電気分解とファラデーの法則―銅クーロメーターと電気めっき― 4. 電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式― 5. 分解電圧―電力効率とターフェルの式― 6. 工業製品への応用―アルマイト・エッチング― 7. 工業製品への応用―電池・ディスプレイ― / 小論文作成と単位認定申請書の提出 後半8回 1. 電解質溶液の性質と電気二重層 2. 電気化学平衡とポテンシャルの概念、参照電極 3. 過電圧と電荷移動反応の関係 4. 拡散律速となる電解反応 5. サイクリックボルタンメトリー 6. 回転ディスク電極を用いた電気化学測定 7. 電解メッキ反応を例とした電気化学理論の復習 8. まとめと期末試験
【学習の方法】
・受講のあり方
欠席することは、自らの権利を「放棄」することを意味する。工学を志す以上、簡単な工具やテスターなどの測定器は持っていて当たり前、計測器を使いこなせないエンジニアなんてありえない。これを正しく認知すること。
・授業時間外学習へのアドバイス
予習・復習を勧める。学術は考える時間と実施した経験がものをいう。知識は使いこなせて初めて価値を生む。これを「実学」という。夏休みなどの長期休業と称されるものは「休業」ではない。諸君が自ら考え、経験するための時間である。
【成績の評価】
・基準
前半: 正しく計測器を接続できるか、測定値の再現性はあるか、物理量を物性値から正しく計算できるか、工具を正しく使いこなせるかなどを考慮の上、以下の基準で評価する。 山形大学学部規則に基づき 平常の成績をもって合格の基準とし、平常の成績と報告書によって成績を審査します。工学部のディプロマ・ポリシーにあるグループワーク能力、発表と討議の能力、コミュニケーション能力を育てるため試験は実施しません。 ◦ 出欠情報収集システムでの出席率が67%以上、WebClassでの出席・課題提出が67%以上、Google+での課題公開が67%以上。あるいは担当教員が代替相当と認める受講エビデンスをもって単位認定(60点)します。 ◦ 初回時の指定のテキスト(自署の署名があり他者の署名のない指定テキスト)・教材の準備を加点対象とします。 ◦ 積極的な授業への参加(発表、討論、質問、実技)を加点対象とします。 ◦ 保護者への受講報告書(保護者の署名つき)、工場見学報告書(訪問先の担当者の署名つき)、重要文化財見学報告書(米沢工業会担当者の署名つき)開講期間でのヒヤリハット報告書(工学部担当者の署名つき)提出した場合、加点対象とします。 ◦ 授業内容のホームページを作成し、その確認報告書(学友の署名つき)を提出した場合、加点対象とします。
後半: 授業概要(到達目標)に記載した目標を達成できたかを毎回授業中に行う小テストおよび期末テストにより評価する。
・方法
前半: 山形大学学部規則に基づき 平常の成績をもって合格の基準とし、 平常の成績と報告書によって成績を審査します。工学部のディプロマ・ポリシーにあるグループワーク能力、発表と討議の能力、コミュニケーション能力を優先するため筆記試験は実施しません。 ◦ 講義最終回の履修者本人による単位認定申請書(連帯保証人の署名つき)の提出で単位認定(合格=60点)します。 ◦ 授業時間内の加点対象の受講エビデンスの確認で加点します。 ◦ 加点対象となる報告書の提出で加点します。
後半: 毎回授業中に行う小テストおよび期末テストの総合点数により成績を評価する。
【テキスト・参考書】
テキスト:野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて―, 講談社サイエンティフィク (2004). テキスト:小沢昭弥、現代の電気化学,丸善(2012).※電子書籍、生協にて取り扱い テキスト:小林一也,工業技術基礎、実教出版 (2002). 参考書:中村英二、吉沢康和, 新訂物理図解, 第一学習社, (1984). 参考書:数研出版編集部, 視覚でとらえるフォトサイエンス物理図録, 数研出版, (2006). 参考書:実教出版,サイエンスビュー化学総合資料(新課程),実教出版,(2013). 参考書:木村優、中島理一郎, 分析化学の基礎, 裳華房 (1996). 参考書:P. W. Atkins [著]/千原秀昭, 稲葉章訳, アトキンス物理化学要論第5版, 東京化学同人 (1998). 参考書:鵜沼英郎・尾形健明, 無機化学, 化学同人 (2007). 参考書:A. J. Bard, L.R. Faulkner, “Electrochemical Methods”, 2nd Ed., John Wiley & Sons. (2001) 参考書:渡辺 正、金村聖志、増田秀樹、渡辺正義、電気化学、丸善 参考書:渡辺 正、中林誠一郎、電子移動の化学-電気化学入門、朝倉書店 参考書:逢坂哲彌[編著]、直井勝彦、門間聰之[著]、実力がつく電気化学 基礎と応用、朝倉書店
【その他】
・学生へのメッセージ
知識は使いこなせてこそ意味がある。
・オフィス・アワー
各担当教員のオフィスアワーを確認のこと。
|