Методическая разработка урока химии по теме "Электролиз"
план-конспект урока по химии (11 класс) по теме

Министерство образования и науки Хабаровского края

КГБОУ СПО «Комсомольский–на–Амуре

авиационно-технический техникум»

ЭЛЕКТРОЛИЗ

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА

Преподаватель: Стонога Ю.В.

Комсомольск – на – Амуре

 2014

Тема урока. Электролиз.

Тип урока: изучение нового материала.

Вид урока: урок сотрудничества.

Цель: изучить процесс электролиза, его сущность, виды электролиза и области  применения.

Задачи урока:

        образовательные – познакомить с процессом электролиза, его видами, выявить закономерности протекания электролиза; определить области его применения, научить применять знания для решения задач;

        развивающие – научить проводить аналогии, определять  и объяснять понятия, обобщать, развитие коммуникации и самооценки;

воспитательные – развитие дисциплинированности, ответственности,         наблюдательности, внимательности и аккуратности при работе с опасными веществами.

Методическое обеспечение:

1. Формирование познавательного интереса с использованием активных методов обучения – дидактическая игра, создание презентаций, взаимоконтроль.

2. Реализация регионального компонента.

3. Создание атмосферы эмоционального подъема.

Методы обучения: репродуктивный, практический, частично-поисковый, контроль и взаимоконтроль.

Оборудование: проектор, ПЭВМ, раздаточный материал (сборник задач и упражнений по общей и неорганической химии, проверочная работа), коллекция минералов и сплавов алюминия, плакаты с кроссвордами; прибор для электролиза – 2 шт.

Реактивы: вода, 10 %-ный раствор хлорида натрия NaCl,  3 %-ный раствор нитрата серебра AgNO3, 10%-ный раствор сульфат меди CuSO4∙5H2O.

Технологическая карта урока

Ход урока

1. Организационный момент.

Нам всем хорошо известны такие металлы как алюминий, железо, цинк, хром и многие другие. Они нашли свое широкое применение во многих отраслях промышленности. Например, железо – служит основой многих металлических сплавов; алюминий – широко используется в самолето- и автомобилестроении, в электротехнике; расплав натрия и калия являются теплоносителями в ядерных реакторах. Множество неметаллов также играют не последнюю роль в развитии промышленности. Например, хлор – один из важнейших продуктов химической промышленности. Его мировое производство составляет десятки миллионов тонн в год. Хлор используют для получения дезинфицирующих и отбеливающих средств, соляной кислоты, многих пластмасс, растворителей и многого другого. Еще один хорошо знакомый неметалл - кислород – основная его часть, получаемая в промышленности, находит свое применение в металлургии. Кроме того кислород используют при резке и сварке металлов. Жидкий кислород используют как компонент ракетного топлива.  

 Но подавляющее большинство химических элементов на Земле находятся в виде соединений. Как же выделить элементы в свободном виде из их соединений? Их необходимо восстановить.

Сегодня на уроке мы познакомимся с одним из способов разделения (выделения) веществ – электролизом. Итак, тема урока – электролиз. Запишите тему сегодняшнего урока.

В ходе изучения новой темы мы с вами, во-первых, разберем понятие электролиза. Во-вторых, познакомимся с видами электролиза – электролизом расплавов и электролизом растворов. Рассмотрим особенности каждого из них. И, в-третьих, познакомимся с основными областями применения электролиза. Итак, запишите план изучения новой темы в тетрадь.

План урока:

1. Понятие электролиза.

2. Электролиз растворов.

3. Электролиз расплавов.

4. Практическое применение электролиза.

2. Изучение нового материала.

1. Вводная беседа.

Понятие электролиза.

Мы знаем, что окислителями и восстановителями могут быть ионы или атомы химических элементов. Но самым сильным окислителем и восстановителем является электрический ток.

Нам известно, что при растворении в воде электролитов происходит их диссоциация.

Вспомните, какие вещества называют электролитами?

Что называют диссоциацией?

Вспомним, как в растворах диссоциируют кислоты, основания, соли?

Например:   КCl → К+ + Cl–

                                                      катион      анион

Какой элемент в хлориде калия будет катионом, а какой анионом?

Вспомните, как движутся катионы и как движутся анионы под действием электрического тока?

При пропускании постоянного электрического тока катионы (К+) движутся к катоду, а анионы (Cl–) к аноду (Приложение А). 

Что называют катодом?

Катод – отрицательно заряженный электрод, на поверхности которого избыток электронов. Ионы калия К+ присоединяют электроны с катода – восстанавливаются. Это можно представить схемой:

К+ + 1ē → К0

Что называют анодом?

Анод – положительно заряженный электрод. У анода недостаток электронов, поэтому анод как бы втягивает в себя электроны хлорид-ионов Cl-. Ионы хлора – окисляются.

2Cl– – 2ē → Cl20↑

Итак,  на катоде происходит восстановление катиона, а на аноде – окисление аниона. Определите, к какому типу реакций можно отнести электролиз растворов?

Следовательно, электролиз – окислительно-восстановительный процесс. Запишите определение электролиза в рабочую тетрадь.

Электролиз – окислительно-восстановительные реакции, протекающие при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

В зависимости от среды, в которой протекает электролиз, его подразделяют на два типа: электролиз расплавов (протекает в веществах находящихся в расплавленном состоянии) и электролиз растворов (если вещество растворено в воде).

Познакомимся с первым, наиболее простым, типом электролиза - электролизом расплавов.

2. Лекция с элементами опережающего обучения.

Электролиз расплавов.

При плавлении, так же как и при растворении, электролиты диссоциируют, то есть распадаются на ионы.

Рассмотрим процесс электролиза расплава на примере хорошо известной поваренной соли.

В природе поваренная соль распространена в виде минерала галита (Приложение Б). В нашей стране добыча галита (поваренной соли) ведется в Предуралье, на Прикаспийской низменности, в Сибири. Наиболее крупные залежи в районе озера Баскунчак в Астраханской области. Поваренная соль – один из главных видов химического сырья, идет на получение едкого натра, хлора, соды, сульфата натрия. Кроме того поваренная соль (галит) важный пищевой продукт, она широко применяется в медицине, металлургии.

Сегодня на наш урок был приглашен сотрудник предприятия «Дом бытовых услуг» технолог химической чистки. Он расскажет более подробно о назначении хлора и способе его получения с помощью электролиза.

Технолог химической чистки «Дома бытовых услуг».

В процессе химической чистки любого вида тканей важная роль принадлежит способности чистящих средств к отбеливанию. Для этого  в процессе химической чистки используются такие вещества, как хлорамины. Хлорамины – это ароматические вещества, в составе которых присутствуют хлориды. Для производства хлоридов необходим чистый хлор. Для этого его надо выделить из минерала галита.

В промышленности электролиз галита или поваренной соли проводят в специальном аппарате –  электролизере (Приложение В). В электролитическую ванну опущены два электрода (катод и анод), соединенные с источником постоянного тока. В межэлектродном пространстве находится жидкий электролит. В данном случае – расплав хлорида натрия. На заряженном отрицательно катоде будет происходить процесс восстановления положительно заряженных ионов натрия:

Катод (восстановление): Na+ + 1ē = Na0

Так как плотность металлического натрия меньше, чем хлорида натрия, он всплывает в катодном пространстве и наполняет приемник жидким натрием.

На положительно заряженном аноде происходит процесс окисления отрицательно заряженных ионов – анионов хлора:

Анод (окисление): 2Cl– – 2ē = Cl20

Газообразный хлор так же собирается в приемник хлора.

По мере расходования ионов на электродах к ним подходят новые ионы соответствующего заряда и тоже разряжаются. Создается направленное движение катионов к катоду и анионов к аноду.

Суммарно процесс может быть записан в виде уравнения электролиза:

2NaCl → 2Na + Cl2↑

Из хлора производят хлорамин, который поставляют к нам на предприятие. Благодаря отбеливающим свойствам хлорамина мы быстро и качественно очищаем загрязнения.  Жители  города широко пользуются услугами нашей химчистки.

В качестве еще одного примера промышленного использования электролиза рассмотрим получение алюминия электролизом расплава его оксида.

Одним из распространенных минералов на алюминий является боксит, основой которого является оксид алюминия Al2O3 (Приложение Г). В России добычу бокситов ведут  на Урале, в Архангельской и Ленинградской областях, в районе Курской магнитной аномалии, в Восточной Сибири.

Будучи веществом атомного строения, оксид алюминия имеет атомную кристаллическую решетку и является чрезвычайно тугоплавким соединением. Поэтому его получение было изначально дорогостоящим. На Парижской выставке в 1855 году алюминий демонстрировался как самый редкий металл. Он был тогда чуть ли не в 10 раз дороже золота, и его выработка достигала едва 3 тонн. Однако уже тогда было известно, что алюминий третий по распространенности в земной коре элемент. Немногим более 100 лет назад, американский студент-химик Чарльз Холл открыл, что обезвоженный боксит (глинозем) можно растворить при 9500С в расплавленном криолите Na3AlF6 и затем путем электролиза выделить из него алюминий. Криолит здесь выполняет роль катализатора – он понижает температуру плавления Al2O3 с 20500С до 9500С. Удивительно, что в этом же 1885 году французский металлург Поль Эру, которому так же как и Холлу было 25 лет, разработал тот же метод получения алюминия. Метод Холла-Эру сделал возможным промышленное получение алюминия.

На наш урок был приглашен технолог литейного цеха Комсомольского – на -  Амуре авиационно-производственного объединения.

Основные области применения алюминия связаны с легкостью, прочностью и устойчивостью его сплавов по отношению к воздуху и воде. В таком сочетании полезных свойств нуждается в первую очередь транспорт. Главные потребители алюминиевых сплавов – самолетостроение и автомобилестроение. Самолетостроение использует алюминий в виде сплава называемого дюралюминий. Он представляет собой сплав алюминия с медью, магнием и марганцем.

Хабаровский край располагает сырьевой базой для развития алюминиевой промышленности. В качестве сырья здесь можно использовать  нижнеамурские алуниты. Из алунитовых руд можно получить бокситы (оксид алюминия). Бокситы в свою очередь, под действием электрического тока можно разложить и выделить чистый алюминий. Для этого необходимо провести электролиз оксида алюминия.

Расплавленный оксид алюминия погружают в электролизную ванну. Корпус ванны представляет собой катод. Сверху расположен графитовый анод, который погружается в расплав электролита Al2O3. В процессе электролиза кислород, восстанавливающийся на аноде, поднимается вверх и принимается в приемник кислорода. А алюминий, будучи более тяжелым по сравнению с оксидом алюминия, опускается на дно электролизной ванны и через специальное отверстие сливается в приемник расплавленного алюминия (Приложение Д).

Итак, на катоде происходит восстановление алюминия, а на аноде - окисление кислорода.

Далее к расплавленному алюминию добавляют расплавы других металлов и получают необходимый сплав.

3. Лекция с элементами проблемного изложения.

Электролиз растворов.

Второй тип электролиза – это электролиз растворов.

В этом процессе приходится учитывать не только ионы, на которые диссоциирует электролит, но и ионы, образующиеся при диссоциации молекул воды: Н2О  Н+ + ОН–.

Чтобы иметь представление об электролизе растворов, рассмотрим электролиз раствора того же хлорида натрия NaCl. В этом случае на электроды отправятся по два иона: на катод – Na+ и Н+, а на анод – Cl– и ОН–. Но восстановиться на каждом электроде может только по одному элементу. Так какие же ионы будут восстанавливаться? И куда денутся остальные ионы?

При решении практических задач иногда требуется быстро предсказать продукты электролиза. Для этого необходимо знать несколько правил (Приложение Е).

Если в растворе содержатся:

1. катионы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений металлов до Al, то на катоде восстанавливается Н2↑;

2. катионы, стоящие от Al до Н2, то продукт восстановления зависит от кислотности среды (в кислой среде восстанавливаются Н2, а в нейтральной –  металл);

3. катионы, стоящие после Н2, то на катоде восстановится этот же металл;

4. анионы ОН–, F–, NO3–, SO42–, PO43– и т.п., то на аноде выделяется О2↑;

5. анионы Cl–, Br–, I–, S2–, то на аноде выделяется Cl2↑, Br2↑, I2, S.

Теперь ответьте, так что же будет восстанавливаться на катоде и аноде?

Итак, при электролизе раствора хлорида натрия на катоде образовался водород, а на аноде – хлор. В подтверждении нашего вывода проведем опыт.

 Демонстрация опыта. Электролиз водного раствора хлорида натрия.

Собрать электролизер. Налить в него раствор хлорида натрия NaCl и подключить к источнику тока. Наблюдать, что происходит в обоих коленах. Через 1 – 2 минуты выключить ток. Осторожно понюхать жидкость в обоих коленах.

Из опыта мы видим, что на катоде выделяется водород, а на аноде – хлор.

В промышленности электролиз водного раствора хлорида натрия так же проводят в специальных ваннах (Приложение Ж). Боковые поверхности корпуса представляют собой катод. А в раствор электролита опущены электроды. В ходе реакции электролиза водород и хлор поднимаются вверх где принимаются в приемники, а на дне электролизной ванны образуется раствор гидроксида натрия NaOН.

Запишем уравнение реакции электролиза водного раствора  NaCl.

Катод: Н2+О-2 + 2ē = О-2+Н20↑        1      

                                         2

Анод: 2Cl– – 2ē = Cl20↑                    1

________________________________

                  электролиз

2NaCl + 2H2O  →  2NaOH + H2↑ + Cl2

Применение электролиза.

В промышленности электролиз нашел свое применение в нескольких областях. Значительная часть электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, потребляется химической промышленностью. Одно из применений электролиза вы уже знаете. Назовите, какое это применение.

1. Электрометаллургия – выделение металлов из минералов.

2. Выделение активных неметаллов (галогенов) из минералов.

3. Рафинирование – разделение и очистка металлов от примесей (рафинирование Ag2S).

Одной из разновидности руды на серебро является аргентит. Помимо серебра эта руда содержит примеси меди, свинца и железа. Чтобы выделить серебро в «чистом» виде используют метод рафинирования.

 Демонстрация опыта. Рафинирование серебра.

Собрать электролизер. Насыпать в пробирку 5 шпателей сульфата меди (CuSO4∙5H2O) и растворить в 10 мл воды. В полученный раствор налить 10 капель раствора нитрата серебра (AgNO3). Перелить раствор в электролизер. Подключить к источнику тока.

В ходе опыта мы видим, что на катоде выделяется белый металл, то есть серебро, а медь не выделяется. Дело в том, что при электролизе в первую очередь выделяются менее активные металлы.

На прошлом уроке  вам было дано задание, узнать, что такое гальваностегия и гальванопластика. Дело в том, что два эти процесса имеют прямое отношение к практическому применению электролиза. (Студенты должны дать определение гальваностегии и гальванопластике, привести примеры).

4. Гальваностегия – покрытие поверхностей металлами (никелирование, хромирование, серебрение и т.д.).

5. Гальванопластика – изготовление металлических копий (например, с медалей, монет).

Гальваностегия и гальванопластика являются областями гальванотехники.

3. Закрепление изученного материала.

1. Выполнение упражнения и заполнение кроссвордов.

Итак, мы изучили еще один процесс характерный для  растворов –  электролиз. Для закрепления данной темы выполним упражнение № 31 из сборника задач и упражнений по общей и неорганической химии (Приложение И).

Но вначале расскажу вам одну историю.

Полиция одного из немецких городов напала на след подпольной фирмы, изготовляющей фальшивые алмазы для технических целей. Это были блестящие черные кристаллы, по твердости близкие к настоящим алмазам, но химически более стойкие. Эксперты полиции выяснили, что фальшивые алмазы имели состав Э4С, а получали их, прокаливая в электропечи при 20000С смесь оксида Э с углеродом. Каков состав фальшивых алмазов?

В ходе выполнения упражнения нам предстоит узнать, что же представляют собой фальшивые алмазы (Приложение К).

В первую кроссвордную сетку (аппарат Киппа) надо вписать продукты электролиза, остающиеся на дне электролизера.

Во вторую кроссвордную сетку (алмаз) перенесем буквы из первого кроссворда подходящие по цвету ячеек. Недостающие буквы определим так же по цвету из слов веществ, образующихся на катоде электролизера.

Таким образом, мы узнаем, какое же вещество было выдано за алмаз.

2. Фронтальная беседа.

Итак, мы познакомились еще с одним свойством электролитов. Вспомним еще раз:

1. Какой процесс называют электролизом?

2. Какие типы электролиза применяют в промышленности? В чем различие между ними?

3. Какие особенности у электролиза растворов?

4. Первичная проверка усвоения изученной темы.

1. Выполнение проверочной работы.

В заключение урока выполним проверочную работу по новой теме: «Электролиз» (у каждого студента карточка с заданием). В результате этой работы я увижу, насколько была  понята тема урока. Каждый вариант состоит из трех тестовых вопросов. Никаких исправлений в работе быть не должно.  

Продолжительность выполнения проверочной работы 5 минут (Приложение Л).

2. Взаимоконтроль студентов.

Через 5 минут на экране появляются правильные ответы и студенты выполняют проверку работы. Выставляют оценки. Критерии оценки:  три правильных ответа – «5», два правильных ответа – «4», один правильный ответ – «3», нет правильных ответов – «2» (Приложение М).

Теперь, пожалуйста, поднимите руки те, кто поставил отметку отлично – «5». Теперь те, кто оценил работу на хорошо – «4». И поднимите руки те, кто оценил работу на удовлетворительно – «3».

Так как работа по новой теме, неудовлетворительные отметки выставлять в журнал не будут.  

5. Сообщение домашнего задания.

        Ерохин Ю.М. Химия: Учеб. для сред. проф. учеб. заведений / Юрий Михайлович Ерохин. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2002. – 384 с.

1. Глава 6. § 5 (с. 85 – 89).

2. Упражнения 2, 4, 5, 6 (с. 89).

На уроке мы рассмотрели с вами случаи электролиза с нерастворимыми электродами, изготовленными из угля, графита, платины или иридия. Дома при изучении параграфа обратите внимание на протекание электролиза с растворимыми электродами, такими как медными, серебряными, цинковыми, ртутными и т.п.

6. Подведение итогов урока.

1. Выводы по уроку.

Итак, сегодня на уроке мы изучили еще одно свойство растворов. Это электролиз. Напомню еще раз, что электролиз – это окислительно-восстановительные процессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

Выделяют два вида электролиза: электролиз расплавов и растворов. Важнейшим отличием их является то, что при электролизе растворов помимо распада на ионы электролита, диссоциации подвергается вода и для правильного определения продуктов электролиза важно знать основные правила. Эти правила, мы изучили сегодня на уроке.

(Выставление оценок)

2. Рефлексия.

А теперь, пожалуйста, ответьте на вопрос по поводу проведения сегодняшнего урока. Ответ на вопрос надо будет дать с помощью листьев дерева (зеленые и коричневые) которые лежат у вас на партах.

Был ли урок интересным?

Зеленый лист – было интересно.

Желтый лист – мне все равно.

Красный лист – урок не интересный.

Благодарю всех за работу. Урок окончен. До свидания.