Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №12/2008

Я ИДУ НА УРОК

 

ЭЛЕКТРОЛИЗ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Я работаю учителем химии в МОУ СОШ № 3 г. Норильска. Совместно с учителями физики и биологии мы работаем над проектом «Естественные науки в школьном образовании» и часто ведем интегрированные уроки. Одним из таких уроков был урок по теме «Электрический ток в жидкостях. Электролиз», который я провела совместно с учителем физики.

Эту тему мы выбрали еще и потому, что в нашем городе основными предприятиями являются медный и никелевый заводы, на которых с помощью электролиза проходит очистка меди и никеля. Наши выпускники, идя работать на эти заводы, уже на практике сталкиваются с процессом электролиза.

Работая над программами по физике и химии, мы пришли к выводу о том, что многие вопросы изучаются этими дисциплинами параллельно. Причем на уроках физики уделяется больше внимания физической сущности изучаемых явлений и процессов, а на химии – особенностям и условиям протекания реакций, отражающих данный процесс.

Примером может служить изучение темы «Электрический ток в жидкостях. Электролиз». Часть вопросов рассматривается в 9-м, 11-м классах на уроках химии, другая часть – в 10-м, 11-м классах на уроках физики.

Учитывая особенности данной темы, ее актуальность для нашего города и металлургического комбината «Норильский никель», целесообразно провести интегрированный урок.

При таком подходе к изучению вопросов учащиеся получают ту научно-обоснованную информацию, которая помогает им глубже изучить данный вопрос, детально разобраться в сущности изучаемых процессов и явлений.

Пока люди не узнают сил природы,
они слепо подчиняют себя им,
а раз они узнали их, тогда силы
природы служат людям.

Г.Плеханов

Цели и задачи.

П о в т о р и т ь:

механизм проводимости среды;

природу носителей зарядов;

процессы, происходящие на электродах;

область применения электролиза.

У м е т ь:

составлять уравнения реакций, протекающих на электродах;

собирать цепи, пользоваться простейшими приборами, производить расчеты;

вычислять массы веществ, выделяемых на электродах при электролизе.

Оборудование и реактивы. Источник тока, амперметр, ключ, реостат, соединительные провода, стакан, электроды, весы, часы, видеомагнитофон; раствор соли CuSO4.

ХОД УРОКА

Теоретическая часть

Учитель. Физика и химия – необыкновенные науки. Их законы универсальны. Они с успехом объясняют свойства кристаллов и живых клеток, помогают производить стыковку космических кораблей и выполнять сложнейшие операции. Благодаря им сегодня можно направить ракету в любую точку пространства и играть в шахматы на расстоянии.

Эти законы неизменны. Нашим потомкам не придется их пересматривать, открывать заново. Физика влияет на многие науки – биологию (биофизика), химию (физическая химия). Но и они влияют на нее: обогащают, двигают вперед. Сегодня мы рассмотрим связь между физикой и химией на примере одного процесса. Для этого проводим обобщающий урок.

Электролиз – под таким названием объединяются физико-химические процессы, происходящие на электродах, когда через растворы или расплавы электролитов проходит электрический ток. Процессы электролиза меди и никеля – одни из основных процессов, происходящих на заводах нашего города, позволяющие получать в чистом виде медь и никель и попутно извлекать ценные продукты: кобальт, платину, золото, серебро, селен, теллур. Итак, начнем работу.

Повторение ранее изученного

1. Назовите носители зарядов, как они образуются?

2. Что представляет собой электрический ток в электролитах?

3. Условия его возникновения?

4. Почему электролиты называют проводниками второго рода?

5. Расскажите о явлениях, происходящих при прохождении электрического тока через водные растворы: CuCl2, HCl; Na2SO4.

6. Что такое электролиз?

7. Что такое электролит? католит? анолит?

8. Что такое матрица?

9. Записать и прочитать: первый закон Фарадея (объяснить его физический смысл), второй закон Фарадея.

Сегодня мы в ходе урока проведем эксперимент, в процессе которого получим чистую медь. Для этого сейчас соберем электрическую цепь, предварительно взвесив электроды.

А – амперметр;

K – ключ;

R – реостат.

Засекаем время, записываем начальную массу катода и, пока идет процесс электролиза, продолжаем урок.

Какие же процессы протекают на катоде и на аноде, как определить продукты электролиза водных растворов электролитов?

1-й ученик. Процесс на катоде зависит не от материала катода, из которого он сделан, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений.

Если катион электролита расположен в ряду напряжений в начале ряда (по Al включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород Н2). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.

Если катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

Если катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.

Если в растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливается катион металла, стоящего в ряду напряжений правее.

2-й ученик. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Если анод растворяется (железо, цинк, медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.

Если анод не растворяется (его называют инертным – графит, золото, платина), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется О2). Анионы не окисляются, они остаются в растворе.

Учитель. Сегодня мы коснемся лишь некоторых применений электролиза, в которых наиболее ярко выражена связь науки и техники.

3-й ученик. Кто не мечтает покрыть изделие слоем (пленкой) благородного металла, защитить изделие от коррозии, повысить стойкость на износ, произвести декоративную отделку?

Гальванические цеха существуют либо при металлургических заводах, либо отдельно.

Получение электролитическим способом более толстых отложений (до 2–3 мм) называется гальванопластикой.

В 1838 г. Б.С.Якоби открыл способ получения абсолютно точных рельефных копий предмета. Для этого с предмета делают слепок из пластичного материала (гипс, воск). Затем слепок помещают в электролитическую ванну, делая ее катодом. Пропускают через ванну электрический ток, слепок покрывается слоем металла и отделяется, после чего его можно использовать снова.

Гальванопластика обладает тремя преимуществами:

быстрота изготовления копий;

получение слепка из металлов:

возможность воспроизведения копий.

Таким же путем изготавливают медали, монеты, произведения искусства.

В 1845 г. в Петербурге было организовано предприятие герцога Лихтенбергского, которое подобным образом изготавливало барельефы статуй Исаакиевского и Петропавловского соборов, Эрмитажа, Зимнего дворца, Большого театра.

В 1888 г. немецкий инженер Э.Берлинер предложил использовать в качестве носителя звука цинковый диск, покрытый тонким слоем воска. С диска снимали металлическую копию – матрицу, с которой путем штамповки из целлулоида, эбонита, каучука получали грампластинки. Первая такая пластинка хранится в Национальном музее США.

В 1957–1958 гг. в США начался выпуск стереофонических пластинок. Матрицу изготавливают способом прессования из листов винипласта (непластифицированный поливинилхлорид). Чтобы получить точную копию оригинала, надо получить копию с матрицы. Для этого матрицу покрывают тонким слоем порошка, который проводит ток (графит), и помещают в электролитическую ванну. На матрице осаждают слой металла (обычно Cu). Потом этот слой отделяют и используют для штамповки. С помощью матрицы можно изготовить большое число пластинок, сходных с оригиналом.

Методом гальванопластики изготавливают медные клише для типографии, позволяющие делать до 40 тыс. оттисков, а после дополнительного хромирования – до 1,5 млн оттисков. Гальванопластика дает возможность производить пресс-формы из пластмассы, резины, металла, заменяя трудоемкие работы высококвалифицированных токарей и граверов.

Посмотрите, как это делают (фрагмент видеофильма).

4-й ученик. Человек – основа всего. Знание физики и химии помогает нам в жизни, делает нас грамотными людьми. Человек должен уметь пользоваться электролизом.

Как лучше принять лекарство? Что такое электрофорез? Ответы на эти вопросы дает наш врач.

Каждый из разделов науки помогает разным отраслям науки. В ядерной физике используют тяжелую воду D2О – это один из компонентов ядерного оружия, в нем нуждается ядерная энергетика. D2О используют как заменитель в ядерных реакторах. Тяжелую воду наша страна экспортирует. В обычной воде ионы D+ обладают меньшей подвижностью, чем ионы Н+. В электролите же, наоборот, увеличивается процентное содержание молекул тяжелой воды. Тяжелую воду получают электролизом морской воды. В 10 кг морской воды содержится 2 г тяжелой воды. В H2O Аr(H) = 1, в D2O Аr(D) = 2. Поскольку подвижность D+ и D2О меньше, чем Н+ и Н2О, то при пропускании электрического тока через воду на электролитах будут окисляться и восстанавливаться молекулы обычной воды. Вспомним: вода – слабый электролит, незначительно диссоциирует на ионы H+ и OH.

На а н о д е :2О – 4e 4H+ + 2Н2O + О2.

На к а т о д е :2О + 4e 2 + 4OН.

Ионы Н+ и ОН, образовавшиеся в результате данных процессов, участвуют в дальнейшем окислении-восстановлении, т.е. разложению подвергаются молекулы воды с атомом водорода, имеющем Ar = 1, молекулы же тяжелой воды остаются в растворе. Электролизом последней выделяют дейтерий, который затем соединяют с кислородом, т.е. синтезируют тяжелую воду.

Учитель. Вот и заканчивается наше небольшое путешествие по одному из многочисленных заливов океана науки – электролизу. В будущем многим из вас придется осваивать новые области применения электролиза, работая на медном или никелевом заводах нашего города.

Практическая часть

Итак, мы рассмотрели процессы, происходящие при электролизе, область применения электролиза, и теперь можно переходить к практической части нашей работы.

Заканчиваем эксперимент, отключаем цепь, отмечаем время, затраченное на эксперимент, и взвешиваем электроды. С помощью закона Фарадея вычисляем электрохимический эквивалент (k) вещества.

СИ*

Решение

m = m2m1.

По 1-му закону Фарадея:

Ответ. 3•10–7 кг/Кл.

Закрепление знаний, умений, навыков (ЗУН) (решение задач)

З а д а ч а  1. При никелировании изделий в течение 2 ч отложился слой никеля толщиной 0,03 мм. Определить плотность тока при электролизе. Электрохимический эквивалент никеля равен
3•10–7 кг/Кл.

Решение

По определению:

Из 1-го закона Фарадея следует:

В результате получаем:

Ответ. 124 А/м2.

З а д а ч а  2. При рафинировании меди с помощью электролиза к последовательно включенным электролитическим ваннам, имеющим общее сопротивление 0,5 Ом, подведено напряжение 10 В. Определить количество чистой меди, выделившейся на катодах ванны за 10 ч. ЭДС поляризации равна 6 В. Электрохимический эквивалент меди равен 3,3•10–7 кг/Кл.

Решение

По закону Ома: U = IR + .

По 1-му закону Фарадея: m = kIt.

Ответ. 9,5•10–2 кг.

З а д а ч а  3. При электролизе воды через ванну в течение 25 мин шел ток 20 А. Какова температура выделившегося кислорода, если он находится в объеме 1 л под давлением 2 атм? Электрохимический эквивалент кислорода 8,29•10–8 кг/Кл.

Решение

Из уравнения Менделеева–Клапейрона:

Из 1-го закона Фарадея: m = kIt.

Получаем:

Ответ. 309,7 К.

З а д а ч а  4. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора сульфата меди массой 200 г?

Решение

200/320 = х/128, x = 80 г.

Ответ. 80 г.

З а д а ч а  5. Вычислить массовую долю вещества, получившегося в результате электролиза
400 мл 10%-го раствора гидроксида натрия ( = 1,1 г/см3), если известно, что при этом выделилось
56 см3 кислорода, измеренного при н.у.

Решение

К (–): 4Н2О + 4e 2 + 4OН.

A (+): 4Н2О – 4e 2O + О2 + 4H+.

Фактически происходит разложение воды:

2H2O = 2H2 + O2.

а) Определяем массу воды, подвергшуюся разложению:

из 36 г – 22,4 см3 O2,

из x г – 56 см3 O2.

х/36 = 56/22,4, х = 90 г.

б) определяем массу раствора после электролиза:

m(р-ра) = 440 (г) – 90 (г) = 350 г.

(NaOH) = 44/350 • 100(%) = 12,57%.

Ответ. 12,57%.

Самостоятельная практическая работа

Цель: убедиться в основных закономерностях электрического тока в электролитах; решить расчетные задачи.

З а д а н и е  1-й  г р у п п е.

1. Определить скорость движения ионов при электролизе (предложены поваренная соль, медный купорос). Задание выполняется по описанию в энциклопедическом словаре по физике.

2. Какие вещества и в каких количествах (m, V) образуются при электролизе расплава 234 г хлорида натрия. Сколько грамм железа может вступить в реакцию с веществом, выделяющимся на аноде?

З а д а н и е  2-й  г р у п п е.

1. Определение заряда иона водорода. Оборудование: источник тока, стакан с раствором хлорида натрия, два электрода, пробирка стеклянная, миллиамперметр, часы, ключ.

Запишите химические реакции, происходящие при электролизе раствора хлорида натрия.

2. При полном электролизе раствора двухвалентного хлорида меди на аноде выделилось 11,2 г газа (н.у.). Что и в каком количестве выделилось на катоде?

З а д а н и е  3-й  г р у п п е.

1. Определить электрохимический эквивалент никеля. Оборудование: источник тока, амперметр, реостат, стакан с раствором соли, соединительные провода, часы, ключ.

2. На заводе был подвергнут электролизу раствор, содержащий 468 кг хлорида натрия. Полученные газы использовали для синтеза хлороводорода, который растворили в 708 л воды. Вычислить массовую долю хлороводорода в полученной соляной кислоте.

З а д а н и е  4-й  г р у п п е.

1. Снять вольтамперную характеристику для твердых и жидких проводников. Предложить схему установок, сделать выводы.

2. При электролизе 10 л раствора серной кислоты с = 1,3 г/cм3 и молярной концентрацией 5 моль/л на катоде выделилось 560 л газа. Определить массовую долю вещества, находящегося в растворе после электролиза.

Подведение итогов урока.

Л и т е р а т у р а

Адамович Т.П. и др. Сборник усложненных задач по химии. Минск: Высшая школа, 1973; Ахметов Н.С. Неорганическая химия. 8–9 класс. М.: Просвещение, 1990; Бытько Н.Д. Физика. М.: Высшая школа, 1967; Гудкова А.Е. и др. 500 задач по химии. М.: Просвещение, 1977; Енохович А.С. Справочник по физике и технике. М.: Просвещение, 1975; Елисеев А.А. Б.С. Якоби. М.: Просвещение, 1978; Жданов В.А. и др. Курс физики. М.: Высшая школа, 1978; Кузей М.Е. Уроки физики в 9 классе. Минск: Народная асвета, 1985; Череда М.П. Конкурсные задачи по химии. Киев: Вища школа, 1988; Фельдман Ф.Г., Рудзитис Т.Е. Химия-9. М.: Просвещение, 1992; Шахмаев Н.М., Шахмаев С.М., Шодиев Д.Ш. Физика-10. М.: Просвещение, 1991; Энциклопедический словарь юного химика. М.: Педагогика, 1990.


* СИ – перевод единиц измерения в СИ (международная система измерения).

Л.Ф.БЛИНОВА,
учитель химии;
О.Н.Кремнева,
учитель физики школы № 3
(г. Норильск)