Дата:
Тема шкільного курсу: ______________________________________________
Урок № ___ (номер уроку в темі)
Тема: Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів.
Мета:
Навчальна – добитися засвоєння такими, що вчаться понять: гальваностегія, гальванопластика, рафінування, оксидування; пояснити природу електричного струму в розчинах і розплавах електролітів, показати практичне застосування електролізу, спостерігати явища, викликані електричним струмом у різних середовищах; сформулювати два закони Фарадея; формувати такі якості знань учнів як системність, глибина, усвідомленість, гнучкість міжпредметних зв'язків; формувати здатність розуміння хімічних понять, зв'язків між ними і загальними природничонауковими поняттями; учити дізнаватися фізичні і хімічні явища, застосовувати знання з різних тим по фізиці і хімії для вирішення завдань, вирішувати комбіновані завдання.
Виховна – виховати прагнення до самостійного вирішення поставлених завдань; реалізовувати комплексний підхід до виховання; підвищувати рівень політехнічної спрямованості навчання.
Розвивальна – розвивати системне і творче мислення учнів, формувати їх пізнавальну активність, самостійність і інтерес до пізнання природи; долати предметну інертність мислення і розширювати кругозір учнів.
Тип уроку: інтегрований урок із застосуванням повідомлень-презентацій учнів
Обладнання: фільтрувальний папір, скляна пластинка, водний розчин купрум сульфату, розчин двохромовокислого калію, батарейка (на 4,5 В), два шматки ізольованого мідного проводу, лампочка від ліхтарика, кілька склянок, дистильована вода, цукор, сіль, розчин фенолфталеїну (пургену) у спирті (одеколоні); апарат електролізер, гальванометр, джерело постійного електричного струму, сполучні дроти.
Хід уроку
І Організаційний момент
ІІІ Мотивація
IV Вивчення нового матеріалу
Демонстрація 1 електролізу водного розчину хлориду міді (проводить учитель хімії)
Учні спостерігають виділення чистої міді і газоподібного хлору на електродах при проходженні постійного струму через розчин.
Пояснення складання рівняння електролізу учителем хімії :
а) рівняння електролітичної дисоціації (утворення іонів в розчині) :
б) відновні процеси на катоді (К -):
в) окислювальні процеси на аноді (А+):
г) сумарне рівняння електролізу :
З описаного вище видно, що проходження електричного струму через електроліти супроводжується хімічними перетвореннями речовини і виділенням газоподібного хлору на аноді і чистій міді - на катоді.
Учень на дошці під керівництвом учителя хімії складає рівняння електролізу водного розчину сульфату міді.
К(–):
(відновлення) | 2
A(+):
або
(окислення) | 1
Ітого
Сумарне рівняння електролізу :
Учень на дошці складає рівняння електролізу водного розчину хлориду калію і вирішує наступну розрахункову задачу.
Дано 200 г 10% розчину хлориду калію. Визначити масу речовин, що виділяються на електродах. Оцінює і коментує рішення учитель хімії.
На катоді (–):  ,  Відновлення:
На аноді (+):  ,  Окислення:
Робимо розрахунок маси речовин, що виділяються на електродах.
 , так як концентрація 10%
З рівняння електролізу виходить, що
Відповідь: молекулярного водню на катоді виділяється 0,27 г, хлору на аноді - 9,45 г.
Демонстрація 2. На монети намотуємо кінці мідних проводів (два-три витки), які потім опускаємо в склянку з дистильованою водою. Складаємо електричне коло, як показано на рис. 65. Лампочка не світиться. Це означає, що в колі немає електричного струму. Додамо у воду цукор — ефект той самий. Візьмемо другу склянку з дистильованою водою й додамо в неї кілька крапель кислоти. Лампочка починає світитися, а навколо монет піднімаються бульбашки газів.
Висновок: рідини за своїми електричними властивостями також Діляться на провідники (розчин кислоти у воді) і діелектрики (дистильована вода, розчин цукру у воді). Є серед рідин і напівпровідники.
Запис у зошит. Речовини, водні розчини (або розплави) яких є провідниками, називають електролітами.
Носіями вільних зарядів в електролітах є позитивно і негативно заряджені іони. До електролітів відносяться багато з'єднань металів в розплавленому стані, а також деякі тверді речовини. Проте основними представниками електролітів, широко використовуваними в техніці, є водні розчини неорганічних кислот, солей і підстав.
Розберемося, чому розчин кислоти проводить електриний струм. Вода має властивість у 81 раз послабляти дію електричних зв'язків (сил притягання) у хімічній сполуці. Так, молекула кухонної солі (NaCl) у водному розчині розпадається (дисоціює) на позитивні іони Натрію Na+ і негативні іони Хлору Cl-, а молекула кислоти — на позитивно заряджені іони Гідрогену й негативно заряджені іони кислотного залишку. Цей процес починається без усякого впливу електричного струму! Називається він електролітичною дисоціацією. Безліч іонів рухаються безладно усередині розчину, то з'єднуючись один з одним (рекомбінуючи), то знову розпадаючись.
Якщо підвести до розчину електричний струм, опустивши в нього металеві пластини — електроди й з'єднавши їх з полюсами джерела струму, то під дією електричного поля іони починають рухатися упорядковано: позитивні іони (у нашому випадку Гідрогену) спрямовуються до негативного електрода (катода), а негативні іони — до позитивного електрода (анода). Коло замикається — електрична лампочка світиться. Оскільки напрямком струму в колі умовно вважається напрямок від «+» до «-», то позитивні іони рухаються у напрямку струму, їх називають катіонами («той, що йде вниз, за течією»), а негативні іони — аніонами («той, що йде проти течії»).
Що ж відбувається далі? Позитивно заряджені іони Гідрогену наближаються до катода, і на катод переходять електрони. Перейшов один електрон — утворився атом Гідрогену, потім два такі атоми об'єдналися в молекулу, ми бачимо бульбашки газу — водню. А негативні іони віддають свої електрони, аноду, також перетворюючись у нейтральні молекули.
Процес виділення речовини на електродах під час протікання електричного струму через розчин або розплав будемо називати електролізом. Яке його практичне застосування? Наприклад, електроліз дозволяє одержати чисту речовину з розплаву або розчину, наносити покриття на поверхню металів (цей процес називається гальваностегією). Предмет, що його покривають, завжди є катодом. Для покриття сріблом, золотом або іншими металами анод завжди виготовлюється з металу покриття, а електроліт являє собою розчин солі цього металу.
Демонстрація 3. У склянку наливаємо розчин кухонної солі й додаємо дві-три краплі розчину фенолфталеїну (пургену) у спирті (одеколоні). Опускаємо електроди-монети. Біля монет знову спостерігаємо бульбашки газів, а біля катода утворюється малинова пляма, що розширюється, заповнюючи весь розчин. Лампочка світиться.
Демонстрація 3. Фільтрувальний папір просочуємо розчином кухонної солі й закріплюємо на скляній пластині. Зверху на неї кладемо дві вузькі смужки такого самого паперу, просочені: одна — мідним купоросом (водним розчином купрум сульфату), друга — розчином двохромовокислого калію і з'єднані: перша — з позитивним електродом джерела струму, друга — з негативним. Спостерігаємо появу біля катода жовтої смуги, біля анода — синьої смуги, що розширюється у бік катода. Синє забарвлення «забезпечують» іони Купруму, а жовте — іони кислотного залишку.
Електричним струмом в електролітах є переміщення іонів обох знаків в протилежних напрямах. Позитивні іони рухаються до негативного електроду (катоду)негативні іони - до позитивного електроду (аноду). Іони обох знаків з'являються у водних розчинах солей, кислот і лугів в результаті розщеплювання частини нейтральних молекул. Це явище називається електролітичною дисоціацією. Наприклад, хлорид міді CuCl2 диссоціює у водному розчині на іони міді і хлору:
При підключенні електродів до джерела струму іони під дією електричного поля починають впорядкований рух: позитивні іони міді рухаються до катода, а негативно заряджені іони хлору - до анода.
Досягнувши катода, іони міді нейтралізуються надмірними електронами катода і перетворюються на нейтральні атоми, що осідають на катоді. Іони хлору, досягнувши анода, віддають по одному електрону. Після цього нейтральні атоми хлору з'єднуються попарно і утворюють молекули хлору  . Хлор виділяється на аноді у вигляді бульбашок.
У багатьох випадках електроліз супроводжується вторинними реакціями продуктів розкладання, що виділяються на електродах, з матеріалом електродів або розчинників. Прикладом може служити електроліз водного розчину сульфату міді  (мідний купорос) у тому випадку, коли електроди, опущені в електроліт, виготовлені з міді.
Дисоціація молекул сульфату міді відбувається за схемою
Нейтральні атоми міді відкладаються у вигляді твердого осаду на катоді. Таким шляхом можна отримати хімічно чисту мідь. Іон  віддає аноду два електрони і перетворюється на нейтральний радикал  вступає у вторинну реакцію з мідним анодом:
Молекула сульфату міді, що утворилася, переходить в розчин.
Таким чином, при проходженні електричного струму через водний розчин сульфату міді відбувається розчинення мідного анода і відкладення міді на катоді. Концентрація розчину сульфату міді при цьому не змінюється.
V Творчий етап
1. Самостійна робота, учнів за запропонованою інформацією (додаток 1, додаток 2, додаток 3, додаток 4, додаток 5, додаток 7).
2. Виступ учнів за підсумками творчого домашнього завдання (повідомлення-презентація по темі "Застосування електролізу").
Учень: повідомлення-презентація з питання "Електрометалургія, отримання алюмінію"
Хто з росіян учених вніс великий вклад до розвитку алюмінієвої промисловості?
Коли побудований перший завод по виробництву алюмінію в нашій країні?
Що вас уразило в інформації з питання "Електрометалургія"?
Учень: повідомлення-презентація "Застосування в металургії електрохімічного очищення металів. Електровідновлення олова, свинцю, міді"
Металообробна промисловість використовує для захисту вироби від корозії не лише електроосадження покриттів металами і сплавами, але і з успіхом застосовує електрохімічне оксидування.
Що таке оксидування?
Які процеси відбуваються при оксидуванні алюмінію?
Перерахуєте сфери застосування анодованих виробів.
Поясните значення терміну "вороніння" сплавів заліза. Які процеси протікають при цьому?
Учень: повідомлення-презентація "Гальванотехніка".
Які недоліки гальванотехніки ви виявили, працюючи над текстами інформації?
У чому полягає небезпека гальванічного виробництва для довкілля?
Чи є майбутнє у гальванотехніки?
Учень: повідомлення-презентація "Отримання неорганічних з'єднань".
Які сфери застосування електролізу ми ще не відбили на уроці?
Демонстрація електролізу як необхідна умова для підготовки до роботи акумулятора. Повідомлення про роботу хімічних джерел струму.
Хімічні джерела струму.
У 1895 році Планте побудував елемент з двома свинцевими електродами, зануреними в розчин сірчаної кислоти 15-20%. У такому вигляді елемент струму не дає.
Демонстрація - лампочка (у 1В), підключена до елементу, не горить.
Від'єднаємо лампочку від електродів і приєднаємо їх (електроди) до джерела струму. Підключаю електроди елементу до батареї акумуляторів на 1 хвилину.
За цей час пояснюю: Через електроліт йде струм - почався процес електролізу сірчаної кислоти і на одному з електродів виділятиметься водень, а на іншому - кисень, що виходить при вторинній реакції між групами SO4 і водою, що виділяються, :
Електрод з воднем заряджений тепер негативно, а електрод з киснем - позитивно. (Від'єдную дроти від батарей акумуляторів).
Якщо тепер полюси цих електродів з'єднати провідником, по ньому піде струм. Тобто елемент сам стає джерелом струму.
Демонстрація - підключення лампочки до полюсів елементу. Лампочка горить.
Таким чином, при електролізі сірчаної кислоти в елементі, йде накопичення різнойменних зарядів на його полюсах - елемент "заряджається".
Елемент Планте і йому подібні, називаються вторинними елементами або акумуляторами, оскільки в них можна запасати (акумулювати) енергію.
Після витрачення енергії, акумулятор можна знову зарядити пропусканням струму і повторити цей процес багато разів.
Сучасний свинцевий акумулятор складається з 2-х блоків позитивних і негативних пластинів, опущених в резервуар з пластмаси з водним розчином сірчаної кислоти 15-20%.
Негативні пластини складаються з чистого металевого свинцю, поверхня якого дрібнопориста (губчастий свинець).
Позитивні пластини є рамами зі свинцю, забезпеченими безліччю осередків, на кшталт бджолиних стільників, і в них упресовують спеціальну масу, що складається з оксидів свинцю і єднальних речовин. При замиканні зовнішнього електричного ланцюга (розрядці акумулятора) на його електродах протікають реакції відновлення свинцю  і окислення свинцю  , а концентрація кислоти в електроліті знижується:
При пропусканні електричного струму від зовнішнього джерела (наприклад, генератора автомобіля) в протилежному напрямі відбувається зарядка акумулятора, при якій на електродах протікають зворотні процеси. При цьому концентрація кислоти в електроліті збільшується. Таким чином, робота акумулятора наочно демонструє перетворення енергії електричного струму на внутрішню енергію речовини і зворотний процес - отримання електричної енергії в ході електродних реакцій.
VІІ Закріплення
Застосування акумулятора (дослід).
Мета досвіду: продемонструвати явище електролізу, як необхідну умову підготовці до роботи акумулятора.
Устаткування: склянка з 15% розчином H2SO4, лампа на підставці (1В), батарея акумуляторів, дроти, ключ, колодка з двома свинцевими електродами.
Схема досліду :
1) Лампа не горить
|
2) Йде зарядка електродів від акумулятора (електроліз).
|
3) Лампа горить (елемент розряджається).
|
VІІІ Домашнє завдання
Підготувати повідомлення на тему «Електроліз і його практичне застосування».
Для виготовлення имплантантов знадобилося 22 г нікелю. При якій силі струму необхідно проводити електроліз розчину нітрату нікелю, щоб протягом 1 год отримати необхідну масу нікелю?
При виробництві имплантантов в ортопедії як біосумісний матеріал знадобилося 50 г титану. Протягом якого часу слід проводити електроліз водного розчину сульфату титану (IV) при силі струму 200 А, щоб отримати необхідну масу чистого титану?
|