VІ Узагальнення
Уперше явище електролізу докладно дослідив англійський фізик Майкл Фарадей (1791—1867). У 1834 р. він експериментально встановив, що за певний час даний струм завжди виділяє з розчину електроліту ту саму кількість даного хімічного елемента. Таким чином, учений сформулював закони, які назвали законами електролізу або законами Фарадея.
Перший закон Фарадея. Кількість речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна електричному заряду, що пройшов через електроліт.
Маса т речовини, яка виділяється на електроді під час електролізу, пропорційна силі струму  та часу  його проходження:  (формула може бути ще такого вигляду  ), де k — коефіцієнт пропорційності, який одержав назву електрохімічний еквівалент речовини.
Електрохімічний еквівалент речовини чисельно дорівнює масі Цієї речовини, яка виділяється на електроді за 1 с під час проходження через електроліт струму силою 1 А: 
Маса речовини, що виділилася на електроді, дорівнює масі усіх іонів, що прийшли до електроду:
Тут  і  - маса і заряд одного іона,  - число іонів, що прийшли до електроду при проходженні через електроліт заряду  . Таким чином, електрохімічний еквівалент  дорівнює відношенню маси іона цієї речовини до його заряду .
Оскільки заряд іона дорівнює твору валентності речовини  на елементарний заряд   те вираження для електрохімічного еквіваленту можна записати у виді
Тут  - постійна Авогадро,  - молярна маса речовини,  - постійна Фарадея.
Постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через електроліт для виділення на електроді одного моля одновалентної речовини.
Закон Фарадея для електролізу придбаває вид:
Другий закон Фарадея. Електрохімічні еквіваленти речовин прямо пропорційні відношенням їхніх атомних мас до валентності.
У таблиці наведені електрохімічні еквіваленти деяких речовин (доповніть таблицю).
Речовина
|
Атомна маса
|
Валентність
|
Електрохімічний еквівалент k, мг/Кл
|
Водень (Н+)
|
1,008
|
1
|
1,008
|
Натрій (Na+)
|
23,07
|
1
|
23,07
|
Кисень (О2-)
|
16
|
2
|
8
|
Алюміній (Al3+)
|
27,1
|
3
|
9,03
|
Срібло
|
|
|
|
Хром
|
|
|
|
Нікель
|
|
|
|
Двовалентний атом несе подвійну, тривалентний — потрійну порцію зарядів порівняно з одновалентними іонами.
VІІ Закріплення
Демонстрація 4. Металевий чайник і алюмінієву посудину від калориметра з'єднуємо провідниками з гальванометром (рис. 66). У чайник наливаємо розчин кухонної солі. Переливаючи воду, спостерігаємо виникнення струму. Змінюючи довжину й товщину струменя, зазначаємо зміну сили струму. (Запитання до класу: Як можна пояснити спостережуване явище?)
Запитання для організації бесіди
Чи можуть при дисоціації утворитися іони одного знака? Чому?
Чому навколо електроліту немає електричного поля, хоча всередині нього є заряджені іони?
Чому не можна торкатися голими руками неізольованих проводів під напругою?
Чисту мідь одержують, пропускаючи струм через водний розчин купрум сульфату (CuS04). Який знак заряду в іонів Купруму? У якому напрямку вони переміщатимуться під дією електричного поля? На якому електроді виділятиметься чиста мідь?
З якою метою металеві вироби покривають тонким шаром іншого металу (нікелем, хромом, міддю, сріблом тощо)?
Розчин солі якого металу повинен бути електролітом для сріблення виробу? До якого полюса джерела струму потрібно приєднати цей виріб?
Що показує електрохімічний еквівалент міді?
Розв'язування задач
Задача. Під час сріблення виробу на катоді за 30 хв утворилося срібло масою 4,55 г. Визначте силу струму при електролізі.
Розрахуйте, який заряд пройшов через розчин хлориду калію при електролізі.
де  – валентність іона водню.
де – електрохімічний еквівалент речовини
(на катоді).
(на аноді)
Відповідь: через розчин електроліту пройшов
Розрахуйте, скільки часу триватиме електроліз при силі струму I = 1A, 2A, 4А.
З 1-го закону Фарадея :
При   , при  
Розрахуйте витрату електричної енергії.
Далі учням, об'єднаним в малі групи (4 чол), пропонується вирішити по вибору п'ять комбінованих завдань:
-
Скільки часу тривало нікелювання, якщо на виріб осів шар нікелю масою 1,8 г. Сила струму 2А. Складіть хімічне рівняння електролізу.
Послідовно з електролітичною ванною, заповненою сіллю нікелю, включена ванна, якою знаходиться сіль хрому. Після розмикання ланцюга в першій ванні виділилося 10 г нікелю. Скільки хрому виділилося в другій ванні. Напишіть рівняння електролізу.
Аеростат об'ємом 250 см3 заповнюють воднем при температурі 27 oС і тиску 2 атм. Який заряд потрібно пропустити при електролізі через слабкий розчин сірчаної кислоти, щоб отримати потрібну кількість водню? Напишіть хімічне рівняння електролізу.
Для сріблення ложок струм 1,8 А пропускався через розчин солі срібла протягом 5 год. Катодом служить 12 ложок, кожна з яких має площу поверхні 50 см3. Якої товщини шар срібла відкладеться на ложках? Яка витрата електричної енергії, якщо напруга на електролітичній ванні рівна 0,5 В?
При електролізі розчину сірчаної кислоти витрачається потужність 37 Вт. Визначите опір електроліту, якщо за час 50 хв виділяється 0,3 г водню. Напишіть хімічне рівняння електролізу.
При електролізі водного розчину гідроксиду калію з інертними електродами на катоді виділився молекулярний водень, об'єм якого за нормальних умов дорівнює 11,2 л. Який об'єм кисню виділиться при цьому на аноді?
При електролізі водного розчину сульфату нікелю (II) на катоді отримали нікель масою 177 г, вихід якого склав 75%. Який об'єм газу виділиться при цьому? Вихід газу вважати кількісним.
Електроліз видного розчину куховарської солі.
Отримання їдкого натру і хлору. Хлор і їдкий натр отримують в промисловості електролізом. Потреба народного господарства в них велика. Хлор у великих кількостях застосовують в органічному синтезі при отриманні хлорорганічних сполук : дихлоретану, хлороформу, хлорвінілу, перхлорвинилевой смоли, дустов, чотирихлористого вуглецю. Хлор потрібний для отримання синтетичної соляної кислоти, хлорного вапна, хлоридів алюмінію, цинку, заліза, кремнію, нікелю, кобальту. Велика кількість їдкого натру витрачається в нафтовій промисловості, а миловарінні, органічному синтезі.
Електроліз розчину хлористого натрію з метою отримання їдкого натру і хлору ведуть двома способами: на залізному катоді, па ртутному катоді. Анодом в обох випадках служить штучний графіт. При електролізі за першим способом на катоді виділяється водень, а в прикатодном просторі накопичується луг. На аноді виділяється хлор.
Запишіть електронні процеси і сумарне рівняння :
на катоді:
на аноді:
Сумарне рівняння:
При електролізі за другим способом на ртутному катоді відновлюється не водень, а натрій.
На електродах протікають наступні реакції:
па катоді: 
на аноді: 2
_______________________
Амальгаму натрію потім розкладають водою. Натрій вступає в реакцію з водою з утворенням лугу і водню, причому отриманий у такий спосіб їдкий натр відрізняється високою чистотою.
VІІІ Домашнє завдання
Вивчити теоретичний матеріал уроку.
П. П. Попель, Л. С. Криля «Хімія» 9 кл §7-8
Розв'язати задачі за посібником [1].
Задача 11.7. Скільки срібла осіло на катоді електролізної установки, якщо процес електролізу тривав 10 хв при силі струму 25 А?
Задача 11.24. За який час на катоді електролітичної ванни виділиться 40 г хрому, якщо електроліз проходить при силі струму 25 А?
Додаток 1
Електрометалургія.
Електрометалургія - це способи отримання металів за допомогою електричного струму (електролізу). Цим способом отримують в основному легкі метали: алюміній, натрій та ін. лужні метали, кальцій і т. д. - з розплавів їх оксидів, гідроксидів або хлоридів.
Значення електролізу для отримання алюмінію.
На Паризькій виставці 1855 р. алюміній демонструвався як найрідкісніший метал. Він був тоді мало не вдесятеро дорожче за золото. Навіть після того, як французький хімік Анри Девиль (1818 -1881) розробив прийнятний хімічний спосіб отримання досить чистого алюмінію, вартість його залишалася досить високою. Досить сказати, що з алюмінію була зроблена і урочисто піднесено синові Наполеона III брязкальце і тільки дуже багаті люди могли дозволити собі є з алюмінієвих тарілок. У 1883 р. його вироблення у всьому світі не досягало і 3 т.
Між тим хімікам вже тоді було відомо, що алюміній - третій за поширеністю на Землі елемент і найпоширеніший метал: на його частку доводиться більше 8% земної кори. Проте в природних з'єднаннях - глиноземі (що містять оксиди алюмінію) він міцно пов'язаний з іншими елементами, і в порівнянні із залізом або міддю його витягання з мінералів зажадає дуже великих витрат енергії. У цьому виробництві без електроенергії не обійтися.
Сто років тому американський студент- хімік Чарльз Мартін Холл (1863-1914), почувши від свого учителя, з якими труднощами зв'язано відновлення оксиду алюмінію з глинозему і як, мабуть, розбагатіє і прославиться той, хто відкриє дешевий спосіб отримання алюмінію, вирішив зайнятися цим. У дров'яному сараї він обладнав лабораторію саморобними і узятими на прокат апаратами і досить скоро відкрив, що глинозем можна розчинити при 950° З в розплавленому мінералі кріоліті, а отримавши розчин оксиду, можна шляхом електролізу виділити і сам алюміній. Дивно, але в тому ж 1885 р. французький металург Поль Эру (1863-1914), якому у той час було стільки ж років, скільки і Холу, розробив той же метод отримання алюмінію. Окрім цих збігів, долі було угодне відпустити творцям нового способу відновлення алюмінію однакову кількість років життя.
Метод Холла-Эру зробив можливим промислове отримання алюмінію. Цей метал тепер відомий усім. Він широко поширений і коштує порівняно дешево. Працею мно-гих учених, серед яких видне місце займає Павло Павлович Федотьев (1864-1934), що розробив теорію електролітичного способу отримання алюмінію, була створена потужна індустрія.
Перший алюміній в СРСР був отриманий в 1921 році. У 1932 році пущений перший алюмінієвий завод на вітчизняних бокситах у Волхові, в 1933 році - Дніпропетровський, в 1939 году- Уральський завод.
У 1935-1936 рр. на Уралі пущені перші заводи по отриманню магнію.
Електролітичним способом з розплавів отримують 70% магнію, велика кількість калію, літію, кальцію, барії, стронцію, берилія, марганцю, а також тугоплавкі метали: титан, вольфрам, молібден, ванадій, цирконій, тантал, ніобій. Ці метали широко використовуються в авіації, космонавтиці, атомній промисловості, хімічній індустрії, на транспорті, в електротехніці, медицині.
З розплавів електролізом отримують і лантаноїди (вони застосовуються як присадки до сталям і чавуном, входять до складу лаків, фарб, люмінофорів, каталізаторів) і актиноїди (багато актиноїдів є паливом в ядерних реакторах).
Додаток 2
|
