Интегрированный урок   (химия + физика) по теме: «Электролиз» : "Электрический ток в жидкостях, закон электролиза, применение"

10 класс.

 Цель:

1.        Способствовать формированию знаний учащихся о природе электрического тока в растворах электролитов. Понимать химизм процесса электролиза и суть законов Фарадея, их значимость в доказательстве существования электронного заряда в природе. Знать области практического применения электролиза.

2.        Способствовать формированию идеи познаваемости природы материи, окружающего мира, активности и информационной культуры обучаемых.

3.        Развитие логического мышления, самостоятельности, умение делать выводы, анализировать, обобщать. Обеспечение санитарно-гигиенических норм при проведении урока, предупреждение утомляемости через смену деятельности учащихся. 

•        Обучающие: отработка у учащихся приемов учебно-познавательной дея-тельности; формирование умений применять полученные знания по мате-матике и химии на уроках физики при решении стандартных задач и объ-яснении теоретического материала;

•        Развивающие: развитие самостоятельности учащихся в ходе решения при-кладных задач и в экспериментальном поиске;  развитие творческих спо-собностей учащихся и познавательного интереса;

        Методы обучения: частично-поисковый, проблемный, экспериментальный.

Методы контроля: устный, письменный, тесты.

Формы работы: индивидуальная, групповая, фронтальная, Т.С.О., Т.V, компьютерная поддержка.

«Химия – это физика плюс математика».

Оборудование: электронные весы, стаканы с раствором медного купороса и чи-стой водой, амперметры, источники тока, лампочка, секундомер, соединительные провода, листы с условиями типовых задач, листы с короткими сообщениями из истории развития и применения явления электролиза, мультимедийный проектор, экран, компьютерный системный блок.

        Опорные  конспекты:                                                           

Тема: Электрический ток в жидкостях. Электролиз. Законы электролиз

1. Электрический ток в жидкостях

Жидкости могут быть проводниками, диэлектриками и полупроводниками. Химически чистая (дистиллированная) вода является диэлектриком.

Проводниками электрического тока являются электролиты. Электролитами называют растворы кислот, щелочей и солей в воде, а также расплавленные соли. В электролитах носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Возникновение ионов в электролитах объясняется явлением электролитической диссоциации – распадом молекул растворяемого вещества на положительные и отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем (водой). Молекулы растворяемых веществ состоят из ионов противоположного знака (например, , , ,  и т. д.). Силы притяжения между этими ионами обеспечивают целостность таких молекул. В воде, вследствие ее большой диэлектрической проницаемости  кулоновские силы, удерживающие ионы в молекулах значительно уменьшаются. При тепловом, хаотическом движении молекул, происходят их столкновения, которые приводят к распаду молекул на ионы.

Ионами называются атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Положительные ионы называются катионами, отрицательные ионы – анионами.

При тепловом, хаотическом движении ионов в растворе может происходить процесс воссоединения ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией ионов. Между процессами электролитической диссоциации и рекомбинации ионов при неизменных условиях устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся на ионы в единицу времени, равно число пар ионов, которые за это время воссоединяются в нейтральные молекулы.

Для возникновения электрического тока в электролитах необходимо создать в них электрическое поле. Для этого в раствор опускают две металлические пластины (электроды), соединенные с полюсами источника тока. Положительно заряженный электрод называется анодом, отрицательно заряженный – катодом. В электрическом поле положительные ионы движутся к катоду, отрицательные – к аноду. Таким образом, электрический ток в жидкостях представляет собой направленное движение ионов под действием приложенного между электродами электрического поля.

• Электролиз.   Прохождение электрического тока через жидкости сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита. Это явление получило название электролиза. При электролизе на катоде выделяются металлы или водород, а на аноде – остаток химического соединения вещества электролита.

2. Законы электролиза

Изучение и применение электролиза началось в конце XVIII – начале XIX веков. Основные законы электролиза были установлены экспериментально М. Фарадеем в 1833 – 1834 годах.

Первый закон Фарадея:

Масса вещества , выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду , прошедшему через электролит: .

Коэффициент пропорциональности  называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, которая выделяется при переносе ионами через электролит единичного заряда.

Второй закон Фарадея:

Электрохимический эквивалент вещества  прямо пропорционален химическому эквиваленту данного вещества: .

Здесь  – молярная масса вещества,  – валентность. Величина  называется постоянной Фарадея, а отношение  – химическим эквивалентом.

Законы Фарадея можно объединить выражением: , или .

Из объединенного закона Фарадея следует, что постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде массы любого вещества, равной в килограммах отношению  (химическому эквиваленту). Значение постоянной Фарадея в СИ: .

Из объединенного закона электролиза можно определить элементарный заряд.

Масса иона равна отношению молярной массы к числу Авогадро: . Тогда полная выделившаяся масса вещества равна произведению массы одного иона на число прошедших ионов: .

        План урока:

1.  Научно -исследовательский опыт:электролиз в жидкостях.
2. Диссоциация .
3. Законы  Фарадея.
4. Практическая часть.
5. Применение электролиза.

Учитель химии:

 Физика и химия относятся к естественным наукам, изучающим природу. Их законы универсальны. Они с успехом объясняют свойства кристаллов и живых клеток, помогают производить стыковку космических кораблей и выполнять сложнейшие операции.

 Сегодня мы рассмотрим связь между физикой и химией на примере одного процесса-электролиза. Под таким названием объединяются физико-химические процессы, происходящие на электродах, когда через растворы или расплавы электролитов проходит электрический ток.

Учитель физики:

 В ходе урока мы совершим экскурс в историю, познакомимся с практическим использованием электролиза, рассмотрим сущность процесса электролиза с точки зрения химии, выполним физический эксперимент по качественной проверке первого закона Фарадея, в тестовой форме проверим уровень  усвоения вами полученной информации. В нашей творческой мастерской мы будем щедро делиться друг с другом теми материалами, которые наработали по теме «Электролиз».

Учитель        : Здравствуйте, тема нашего  урока  :"Электрический ток в жидкостях, закон электролиза, применение". Конечно же  вы  знаете  ,  что  жидкости  могут быть ,как и  любые  другие  вещества ,  проводниками, полупроводниками ,  диэлектриками. Мы  с  вами  рассмотрим   жидкости  проводящие  электрический  ток. Мы  не  будем  с вами  рассматривать  жидкие  металлы  ,так как  проводимость  у металлов обеспечивают  электроны. Рассмотрим  другие  проводники  , их  называют  проводниками  второго  рода ,  где  при  протекании  электрического  тока  происходят  химические  превращения.

Электрический ток -  упорядоченное направленное движение заряженных  частиц.  Значит  ток  можно  создать  только  там,  где  есть  свободные  заряженные  частицы.

Должны сказать  с  вами  о  том , что  существуют  такие  жидкости  ,где  протекает   электрический  ток  за  счет  ионов. Обратите ваше  внимание , что  в  этом случае мы говорим об ионной  проводимости  в жидкостях. Эти  жидкости  ,   как правило  являются растворами   различных  веществ.  В  частности  кислот , щелочей, оснований ,  а  так же  можно  сказать  об  их  расплавах. Давайте  с  вами  обратимся  к  опыту.

ОПЫТ: Для  проведения  опыта  нам  потребуется :  ванна ,  в  которую мы  нальём воду. В  эту  воду  мы  с вами  поместим  два  проводника ,  которые  конечно  же подключим  к  источнику  тока. В  эту  цепь  мы  с   вами  включим  лампу и   обязательно  подключим  ключ  ,  который будет  размыкать  и замыкать. Обратимся  к  нашему  опыту . Посмотрите  пожалуйста , если мы  в ванну  поместим два  проводника и эти  проводники  соединим  с  источником  тока . Обратите ваше  внимание у нас в этой  цепи  есть  ключ и есть  лампа. Когда мы замкнем  ключ ,  то в этом  случае   никакого  электрического  тока  мы не  увидим.

Это  значит мы  не  увидим того  , что  лампочка загорится.

То  есть лампочка является  индикатором  того  ,  что  в  цепи  существует  электрический  ток. Если  же  мы  с  вами  в эту же  ванну  поместим  поваренную  соль ,  как  вы  все хорошо  знаете  формула  поваренной  соли  NaCl , то  в этот   момент  у  нас образуются носители  электрического  заряда ,  и  в  результате после  замыкания цепи,уже  в этой  ванне  под  действием электрического  поля будет  протекать электрический  ток. Лампочка  конечно  же  загорится. Что же  произошло ,  когда  в  ванну мы  поместили  поваренную  соль? ( Слайд)  Дело  всё в том , что  молекулы  воды -  полярные  молекулы.  Молекулы  воды будут  вести  себя ,  как частицы  которые  разрывают   нейтральные  молекулы  на  составные  части. Как  это  все  выглядит,  посмотрите  пожалуйста   на  рисунке( слайд).Мы  можем представить  молекулу воды  ,как  диполь.  Одна  часть молекулы  воды заряжена  положительно , а другая  часть отрицательно.Если   воду  попадает молекула    NaCl(  поваренной  соли ) , то  мы  можем сказать  следующее,  что  эту  молекулу окружают   со  всех  сторон частицы таким образом, что  возле  натрия  молекулы   воды располагаются своими  отрицательными  зарядами ,  а вокруг  части  хлора  собираются молекулы  воды  своими  положительно  заряженными концами.  В  результате под действием   кулоновских  сил  молекула NaCl  распадается  расщепляется  на  составные  части. В  результате  образуется   два  иона. Ион   натрия  , обратите внимание  ,  он  несет  положительный  заряд. Ион  хлора ,  который  несет  заряд  отрицательный. Эти  ионы   и определяют  электрический  ток в  жидкостях.Под  действием  электрического  поля   эти  ионы продолжают  свое  движение по  жидкости. Обращаю  ваше  внимание  на  то  что ,когда  положительно  заряженный  ион  натрия  подходит  к отрицательно заряженному  электроду, то  он  получает  свои  недостающие  электроны. А  хлор  когда  подходит  к другому  электроду   отдает электроны.

 На катоде источника тока происходит процесс передачи электронов катионам из раствора или расплава, поэтому катод является "восстановителем".

На аноде происходит отдача электронов анионами, поэтому анод является "окислителем".

При электролизе, как на аноде, так и на катоде могут происходить конкурирующие процессы.

Теперь можем  сказать  следующее , что  те  вещества  , которые в  результате  расщепления  обеспечивают  проводимость ионную  ,  называются  электролитами.  Это  название  впервые было  предложено  английским  ученым  М.Фарадеем.  Именно  Фарадей  предложил  называть  электроды своими  названиями.  Тот  электрод  , который подключен  к  отрицательному полюсу  источника  тока –катодом,  а к  положительному-анодом. А  ионы которые  движутся  к катоду ,  положительно  заряженный  ион называются   катионами.  Отрицательные  ионы  ,которые  движутся к  аноду  анионами. Процесс  ,  о  котором  мы  с вами  говорили  процесс распада  нейтральных  молекул под  действием  полярных  молекул  воды  называется электролитической диссоциацией. В  переводе Расщепление.

Процесс  выделения  на  электродах  веществ, связанных  с окислительно-восстановительной реакцией, называют  электролизом

.

 Продукты  разложения электролитов выделяются на  электродах  все  время  пока  течет  ток. Особенно  легко  определить  количество  выделяющегося  вещества ,  если  подобрать  такой  раствор , в  котором  выделяющееся  вещество  оседает  в виде  твердого  осадка  на  электроде      Количество  вещества  в  электроде  можно  определить  взвешиванием.  Измерения  показывают , что  масса  вещества , выделившегося  на  электроде  пропорциональна  заряду ,  прошедшему  через  электролит.   m=kq=kIt ,  где  m- масса  выделившегося   вещества, I- сила  тока ,  протекающего  через  электролит , t-время  электролиза, q-полный  заряд , прошедший  через  ванну за  время t , k- коэффициент  пропорциональности.

Исследования   Фарадея  показали  , что коэффициент  пропорциональности –это  величина  характерная  для  каждого  вещества . Величина k называется электрохимическим  эквивалентом. Электрохимический эквивалент  какого -либо вещества  численно  равен массе этого  вещества выделяемым  при электролизе  зарядом  в 1 Кл, протекшем через  раствор. Электрохимический  эквивалент  различных  веществ пропорционален их  атомным  массам и  обратно  пропорционален  их  химическим  валентностям. (СЛАЙД   )

k=1/F *M/Z  , где F  называется  числом  Фарадея. F=9,65*104Кл/моль

Слайд  с формулами.

Общую  формулу можно  вывести   следующим  образом. При  электролизе  на  электродах  происходит  выделение   вещества , очевидно , что  это  масса вещества  равна произведению массы одного иона  на  число  ионов: m=m0i N. moi-масса  одного  иона , N- число  ионов , достигших электрода  за  время t.

moi=M/Na; N=q/qoi=It/Ze,  q=It  и  представляет собой  заряд  протекающий  через электролит за  время t. qoi=Ze  - заряд иона  который определяется  валентностью  атома Z . При  диссоциации молекул состоящих  из  одновалентных  атомов , Z=1. Для  двухвалентных  атомов Z=2. И т.д . Если  подставить  все эти  выражения  в  выражение  для  массы , то мы  получим: m=MIt/ZeNa- Второй закон  электролиза : При одинаковом количестве  электричества ( электрическом  заряде,прошедшем  через  электролит ) масса вещества , выделившегося  при  электролизе , пропорциональна  отношению молярной массы вещества к валентности.Слайд

;m/It=M/ZeNa

 Так как m=kIt, то  коэффициент  пропорциональности равен  отношению :k=M/ZeNa.  Видим  по  формуле ,  что k- это  коэффициент , зависящий от природы вещества. Масса вещества, выделившегося   на  электроде ,  при  прохождении эл.тока за  время   пропорциональна  силе   тока и  времени. Электрохимический  эквивалент носит  простой  физический  смысл ,  т.к. moi=M/Na

                                                                        qoi=Ze  , то  k можно  представить  в виде k=moi/qoi, т.е.  электрохимический  эквивалент  данного вещества  -это отношение массы одного  иона к заряду иона. Кстати , имея  все эти  формулы  мы   можем  определить  заряд электрона : e=MIt/ZmNa.

Именно  благодаря  электролизу и  был  найден  элементарный  заряд  , который оказался  равным 1,6*10-19 Кл.

мы предлагаем подборку разноуровневых  заданий по теме «Электролиз», решение которых поможет вам в подготовке к итоговой аттестации в форме ЕГЭ                

Учитель физики: А сейчас решим задачу на данный закон Фарадея. .

Рассчитайте массу серебра которая образуется при электролизе  водного раствора нитрата серебра с графитовыми электродами на аноде, если выделился кислород массой 6 г.

Учитель физики: Как будем решать поставленную перед нами задачу? (составим химические схемы процесса и из уравнения найдём массу серебра.

На дом:

Задача:  Для серебрения ложек ток 1,8А пропускался через раствор соли серебра в течении 5ч. Катодом служит 12 ложек, каждая из которых имеет площадь поверхности 50 см^2. Какой толщины слой серебра отложился на ложках?

I=1,8A                           m=kIt=MIt/ZF              d=V/S n= m/pSn=MIt/ZFpSn

n=12                            k=M/ZF

t=5ч=18000с              

 S=50cм2= 0,005м3         d=0,1079кг/моль * 1,8А*18000с/1*

p=10500кг/м3                96 500  Кл/моль *10500кг/м3 *0,005м3 *12=

d=?                                0,0000575м               

3.посмотрите, на каком из трёх электродов К, К 1 или  К 2 выделится больше меди и почему?      

Вывод учащихся:

 «Для данной цепи справедлив закон параллельного соединения проводников, большая часть меди выделится на катоде К, так как в этом случае через электролит проходит больший по величине ток, а, следовательно, больший заряд».

Учитель химии

 Проверим результативность нашей совместной работы, выполним задания кодированного теста. Ответы проставляем на специальном бланке, подписав на нём свою фамилию.

 ОТВЕТЫ:

 Вариант__

 Фамилия, имя______________ №

 №вопроса         1        2        3        4        5

Ответ                 В          Б         В         А          В  

 Практическая  часть (физика)

II уровень.   Вспомним основные положения теории

1. Что такое электролит? Какова физическая природа электрического тока в электролитах?
2. Что называют электролитической диссоциацией? Объясните механизм диссоциации в растворах электролитов.
3. Что называют электролизом?
4. Сформулируйте законы электролиза Фарадея.
5. Что называется электрохимическим эквивалентом вещества?

                      Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

1. Чистая вода не проводит электрического тока. Почему она становится проводником при растворении в ней солей, кислот или щелочей?
2. От чего зависит электрохимический эквивалент вещества?
3. Каков физический смысл постоянной Фарадея для электролиза? Каково ее значение?
4. Почему сопротивление растворов электролитов зависит от температуры?
5. Справедлив ли закон Ома для растворов электролитов?

III уровень.   Попробуйте выполнить задания

1. Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в растворах или расплавах электролитов?

A. Только электронами;

Б. Электронами и дырками;

B. Только ионами;

Г. Электронами и ионами.

2. Как изменится масса вещества, выделившегося на катоде, при прохождении электрического тока через раствор электролита при увеличении силы тока в  раза?

A. Не изменится;

Б. Увеличится в  раза;

B. Увеличится в  раза.

3. В процессе электролиза положительные ионы перенесли на катод за  положительный заряд , отрицательные ионы перенесли на анод такой же по модулю отрицательный заряд. Чему равна сила тока в цепи?

А. ;     Б. ;     В. .

4. Какой минимальный заряд может быть перенесен электрическим полем через раствор или расплав электролита?

A. ;     Б. ;     B. Сколь угодно малый.

5. При измерении электрохимического эквивалента  некоторого вещества получили график зависимости массы этого вещества, выделяющегося на электроде, от времени . Определите, чему он равен, если при этом сила тока в цепи электролитической ванны была равна .

А. ;  

Б. ;  

В. ;  

Г. .

Сверяемся  с ответами!

1/В;2/Б;3/В;4/А;5/В

Учитель :

 О практическом применении электролиза мы узнаем из презентаций, подготовленных учащимися (3 учащихся)

Области использования  электролиза (слайды

 Получение металлов из расплавов их оксидов, гидроксидов или хлоридов.

Электрохимическое оксидирование.

Гальванотехника.

Гальванопластика.

Рафинирование (очистка) металлов.

Электровосстановление металлов.

Гальванизация и электрофорез в медицине.

Учитель химии: Любое научное открытие интересно только тогда, когда находит практическое применение.

1. Электролиз широко используется для получения наиболее активных металлов (щелочных, щелочно-земельных, алюминия, магния), некоторых активных неметаллов (фтор, хлор) и сложных веществ (гидроксида натрия и калия).
2. Для очистки металлов от примесей (рафинирование). Так полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода будет растворяться, примеси выпадают на дно, на катоде, сделанном из особо чистой меди будет оседать чистая медь.Дорого обходится такая рафинированная медь с примесью всего 0,1% и менее, но все затраты покрываются стоимостью извлеченных из нее серебра, золота, селена, теллура.
3. Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого ( никелем, хромом, оловом, золотом и т.д) для защиты поверхности от коррозии.

Если на поверхность металла нанести слой графита, то электролизом можно получить точную копию с рельефной поверхности. Это гальфанопластика, открыт русским ученым Б.Якоби, который в 1836 г применил этот способ для изготовления полых фигур в Исааковском соборе в Санк-Петербурге