Применение электролиза

10 класс

Цели. 1. Сформировать представление о практическом применении электролиза в основной химической промышленности, электрометаллургии, медицине, металлообрабатывающей отрасли промышленности.

2. Развивать умение работать с дополнительной литературой, сайтами Интернета, конспектировать, выбирать главное, делать выводы.

Предварительная подготовка к уроку. Учащиеся создают с использованием Интернета и интерактивного курса «Открытая Химия. Версия 2.6» (М.: Новый диск, 2005) презентацию по применению электролиза; распределяют роли (историк, литератор, два химика-технолога, медик, инженер автомобильного завода), готовят сообщения.

Оборудование и реактивы. Мультимедийная установка, презентация, электролизер, коллекция веществ, полученных с помощью электролиза (азотная кислота, кальций, гидроксид натрия и другие), электронная плата.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент. Проверка готовности.

2. Подготовка к работе. (Проверка знаний, умений и навыков.)

Учитель. На прошлых уроках мы изучили сущность электролиза, рассмотрели конкретные случаи, выполнили ряд упражнений. Прежде чем перейти к новой теме «Применение электролиза», предлагаю повторить основные вопросы.

1-й этап «Экспериментально-теоретический».

Эпиграф: «Не позволяй языку опережать разум».

Задания для учащихся.

• У доски – записать пример электролиза расплава.

• Фронтальная беседа. Поднимаясь по ступенькам «химической лестницы» (схема), учащиеся комментируют каждое понятие.

• Ученик у доски с помощью электролизера объясняет, как проходит электролиз раствора хлорида меди.

Схема

3. Изучение нового материала и поэтапная проверка его усвоения.

Учитель. Разобраться с материалом новой темы нам помогут специалисты различных профессий: историк, литератор, химики-технологи, медик, инженер автомобильного завода.

2-й этап «Исторический».

Историк. В 1962 г. работавшая вблизи Багдада американская археологическая экспедиция обнаружила серебряные украшения с хорошо сохранившейся позолотой. Согласно предположениям, они принадлежали древним жителям Двуречья – шумерам, цивилизация которых существовала около пяти тысяч лет назад. Для тонкослойного золочения серебряных изделий в наше время существует единственный способ – электролиз. Неужели шумерские ремесленники умели использовать электролиз при выполнении ювелирных работ?

Обратимся к более близким к нам временам.

В 1791 г. Л.Гальвани, изучая физиологические свойства препарированной лягушки, случайно построил электрохимическую цепь, состоявшую из медной проволоки, введенной в мозг лягушки, мышцы лягушки (содержащаяся в ней жидкость была раствором электролита) и железной решетки. Он обнаружил, что прикосновение тела лягушки к железной решетке неизменно вызывало сокращение лягушачьей лапки. Препарированная мертвая лягушка как бы оживала! Гальвани опубликовал статью, в которой объявил об открытии им «животного» электричества, якобы содержавшегося в теле лягушки и вызвавшего сокращение мышцы при выходе из него. Проверяя этот результат, А.Вольта опроверг мнение Гальвани о существовании «животного» электричества, но обнаружил возникновение «металлического» электричества при замыкании системы из двух разнородных металлов и находившейся между ними прослойки электролита. Этим Вольта показал, что мышца лягушки служит не источником электричества, а своеобразным гальванометром, позволяющим обнаружить факт прохождения электрического тока.

Изобретенный им в 1800 г. источник постоянного тока Вольта назвал в честь умершего в 1798 г. Гальвани гальваническим элементом. Состоял гальванический элемент из нескольких десятков кружков серебра (или меди) и такого же количества кружков цинка, чередовавшихся с ними и разделенных пористыми прокладками, пропитанными раствором соли.

Открытия Гальвани и Вольта ознаменовали рождение новой науки – электрохимии.

В XIX в. открытия в области электрохимии следовали одно за другим. Уже в 1800 г. Г.Дэви осуществил электролиз воды. У.Николсон и А.Карлейль обнаружили, что при электролизе водных растворов образуются кислород и водород, выделяющиеся, к удивлению исследователей, на электродах раздельно.

Этот парадокс разрешил К.Гротгус, предложивший в 1805 г. первую теорию электролиза, основанную на представлении о дипольном характере молекул воды. В 1807–1808 гг. Дэви посредством электролиза расплавов получил металлы: натрий, калий, магний, кальций, стронций и барий.

Термины «электролиз», «электрод», «катод», «анод» были введены в 30-х годах XIX в. Майклом Фарадеем. Он дал объяснение механизму процесса, предположив, что в растворах переносчиками зарядов являются ионы, что по-гречески значит «идущие». Отсюда появились названия «катион» – идущий к катоду и «анион» – идущий к аноду.

Также большой вклад в развитие электрохимии внесли русские ученые В.В.Петров и А.Н.Фрумкин, шведский ученый С.Аррениус и др.

Выступающий задает классу вопросы по сообщению.

Учитель. «Жизнь ставит цели науке, наука освещает путь жизни» – эти слова Н.Михайловского являются эпиграфом следующего этапа.

3-й этап «Практический».

Учитель. Рассмотрим практическое применение электролиза. Ваша цель – по ходу заполнить таблицу (таблица).

Таблица

Учитель. Исходя из того материала, который вы изучали раньше, какой прогноз можно сделать по применению электролиза в основной химической промышленности? А по применению электролиза в электрометаллургии?

Задание (подсказка): по образцам веществ, имеющимся на лотке, объяснить способ их получения с помощью электролиза.

Учащиеся объясняют, как можно получить азотную кислоту, кальций, гидроксид натрия и другие вещества, заполняют в таблице две верхние строчки.

Литератор. В состав названия какого металла входит новогоднее дерево?

(О т в е т. Никель.)

В состав названия какого металла входит любимый пиратский напиток?

(О т в е т. Хром.)

Учитель. Как можно получить никель и хром?

Учащиеся отвечают.

Литератор.

Иду на мелкую монету,
В колоколах люблю звенеть,
Мне ставят памятник за это
И знают имя мое – …

(О т в е т. Медь.)

Учитель. Как получают особо чистую медь?

Учащиеся отвечают.

Литератор.

Из глины я обыкновенной,
И на редкость современный,
Не боюсь электротока,
Служу на кухне я без срока,
Бесстрашно в воздухе лечу,
Мне все задачи по плечу.
Легки конструкции из дюрали,
Не перечислить всех регалий,
Горжусь я именем своим,
Зовусь я …

(О т в е т. Алюминий.)

Учитель. Как получают алюминий?

Учащиеся отвечают, вспоминают сырье, вспомогательные материалы, химический процесс, особенности технологии.

Литератор.

Он с морской капустой дружит
И лекарством людям служит,
Знает млад и стар народ –
Коль ушиб, то нужен …

(О т в е т. Йод.)

Учитель. Что объединяет вещества, о которых шла речь в загадках?

(Обсуждение в классе.)

Медик. Сначала проведем физкультминутку.

Упражнение для улучшения мозгового кровообращения: исходное положение – стоя; на счет 1–2 – плавно наклонить голову назад, на счет 3–4 – плавно наклонить голову вперед; повторить четыре раза, темп медленный.

Упражнение для снятия утомления с плечевого пояса и рук: исходное положение – стоя; кисти тыльной стороной на поясе; на счет 1–2 – свести локти вперед, голову наклонить вперед; на счет 3–4 – локти назад, прогнуться; повторить шесть раз; затем руки опустить вниз и потрясти расслабленно; темп медленный.

Упражнение для гимнастики глаз: быстро поморгать, закрыть глаза и медленно досчитать до пяти.

Медик. Теперь поговорим об использовании электролиза в медицине.

Электрофорез – это использование явлений электролиза для ввода лекарств через кожу.

Электроды, представляющие собой гибкие металлические пластины, накладываются на тело. Между телом и электродом прокладывается фланель, бязь, обезжиренная кипячением, иногда просто фильтровальная бумага. Прокладка пропитывается лекарственным раствором, электроды подключаются к источнику постоянного электрического тока, и процесс ввода лекарств начинается. Материалом электрода может служить платина, золото, серебро, латунь, алюминий, свинец.

Выбор металла обусловлен составом лекарственного соединения: входящие в него вещества должны быть инертны по отношению к данному металлу. Наиболее часто применяют листовой свинец: он легко принимает форму поверхности, его можно резать ножницами, придавая пластинке любую форму. Под влиянием приложенного напряжения ионы начинают перемещаться по телу человека. Таким образом, через кожу вводятся в организм человека антибиотики, йодистые препараты, другие сложные лекарственные соединения. С током лимфы и крови они разносятся по всему организму.

Выступающий задает классу вопросы по сообщению. Затем учитель с учениками проверяют заполнение таблицы, обсуждают, обмениваются вопросами.

Учитель. Теперь поговорим об использовании электролиза с растворимым анодом. Вы могли слышать о хромированной, оцинкованной, никелированной стали. Мы видим никелированные и хромированные детали на автомашинах, дверные и оконные ручки, шпингалеты, наборы слесарных инструментов, оцинкованное кровельное железо.

Инженер автомобильного завода. Гальваностегия – это покрытие одного металла тончайшим слоем другого металла (например, слоем хрома, серебра, золота, меди, никеля) с целью защиты от коррозии, от истирания, для придания красивого декоративного вида предметам.

Покрываемое другим металлом металлическое изделие служит катодом в электролизере. А в качестве растворимого анода используется тот металл, который применяется для покрытия. Часто применяется многослойное покрытие. Например, на Волжском автомобильном заводе для более прочного соединения покрытия с поверхностью сначала проводят меднение. Предварительно детали обезжириваются, промываются, а затем поступают в ванны в качестве катодов, на которые откладывается медь. Затем аналогичным способом наносится слой никеля и хрома. Нанесенные электролизом покрытия получаются ровными по толщине, прочными. Так получают внешние детали автомобиля, бамперы, диски, колпаки колес.

Применяется специальное пористое покрытие хромом шеек валов, подшипников, цилиндров двигателей в тех местах, где требуется сохранение смазки, т.к. гладкая поверхность смазки не удерживает.

Некоторые детали двигателей внутреннего сгорания (подвергающиеся сильному трению, работающие при высокой температуре) кадмируют, что обеспечивает антикоррозионные свойства, придает поверхности высокую твердость и прочность.

Выступающий задает классу вопросы по сообщению.

Историк. Золочение куполов на храмах до открытия электролиза было делом опасным. Золото смешивали с ртутью и получали амальгаму (так называется сплав металлов с ртутью). Амальгаму наносили на медные листы, предназначенные для покрытия купола, и нагревали. Ртуть испарялась, золото прочно оседало на меди. Так золотили купола Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. В ходе этих работ от ртутного отравления погибло свыше 80 мастеров. А вот при постройке храма Христа Спасителя в Москве в честь победы 1812 г. использовали уже электролиз. Медные листы играли роль катода. На них осаждалось золото из раствора.

В Санкт-Петербурге в 1847 г. были изготовлены с помощью гальваностегии художественные двери, барельефы, фигуры, которые поражали посетителей Эрмитажа и Исаакиевского собора своей красотой, блеском и величием. Покрытия прослужили более 120 лет без реставрации и сохранили не тронутыми коррозией художественные ценности. На все эти работы было израсходовано около 109 т меди, 700 кг золота, хотя толщина покрытий составляла всего 0,01–0,02 мм.

1-й химик-технолог. Гальванопластика – это получение точных металлических копий с той или иной рельефной поверхности. Для этого сначала изготавливают копию: покрывают воском, дают воску застыть и получают восковую матрицу, на которой все углубления копируемого предмета будут выпуклостями. Внутреннюю поверхность матрицы покрывают тонким слоем графита, проводящего электрический ток. Этот графитовый катод опускают в ванну с раствором сульфата меди, анодом служит медь. При электролизе медный анод растворяется, а на катоде осаждается медь. Таким образом, получается точная металлическая копия предмета. Впервые этот способ был применен в 1836 г. Борисом Семеновичем Якоби.

Из письма Якоби к Фарадею: «…я нашел, что при помощи вольтанического действия можно получить рельефную копию с не гравированной медной пластины». К письму были приложены пластинки, на которых методом гальванопластики была воспроизведена надпись: «Фарадею с приветом от Якоби».

Из письма Фарадея к Якоби: «…Ваше письмо было для меня неожиданной честью и любезностью… Те пластинки, что Вы мне прислали, не только весьма мне приятны и лестны, но и сами прекрасны в теоретическом и практическом отношении. Ваш покорный слуга Фарадей. Королевский институт. Лондон. 17 августа 1839 г.».

Гальванопластика применяется для изготовления грампластинок, различного рода клише, пресс-форм для прессования изделий из пластмасс, полых толстостенных труб, тонких сит, различных полых деталей точных размеров и сложной формы, которые нельзя изготовить механически.

Таким же способом изготавливают электронные схемы, которые являются основой телевизора, компьютера, радиоприемника. Для того, чтобы сделать схему, необходимо спаять огромное множество контактов. Паяние не способствует точности, т.к. в местах пайки повышается электрическое сопротивление. Да и будет такая схема слишком громоздкой. Поэтому на специальную пластмассовую пластинку – плату – по заданному чертежу наносят электролизным путем тонкий слой металла, который в точности повторяет чертеж. Такая плата очень точна, компактна, имеет небольшую массу, что позволяет собирать миниатюрные компьютеры, телевизоры. (Демонстрация платы.)

Выступающий вместе с другими учащимися формулируют вывод, что гальваностегия и гальванопластика – это катодное восстановление, т.к. деталь служит катодом, и на ней выделяется металл. Выступающий задает классу вопросы по сообщению.

2-й химик-технолог. Используют также и анодное окисление. Например, на изделии из алюминия хотят получить пористую оксидную пленку, которая предохранит детали от коррозии и способна впитывать краситель, поэтому поверхность можно сделать бронзового, золотистого и другого цвета. Изделие из алюминия помещают в качестве анода в раствор серной кислоты. На катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Растворения анода не будет, т.к. алюминий активно окисляется кислородом. Естественная оксидная пленка заметно утолщается. Так получают окрашенную в различные оттенки алюминиевую фольгу, анодируют корпуса наручных часов и многое другое.

Учитель с учениками проверяют заполнение таблицы, обсуждают, обмениваются вопросами.

Учитель. Электролиз имеет много достоинств. Но есть и недостатки. При электролизе в атмосферу могут выделяться ядовитые вещества. Поэтому надо применять меры, предупреждающие загрязнение окружающей среды. Это удорожает производство. Но сохранность природы – это сохранение самой жизни на Земле.

4. Закрепление.

Учитель. Перечислить все области применения электролиза практически невозможно, ибо с каждым днем их становится все больше и больше. Назовите основные области применения электролиза.

Учащиеся отвечают, повторяют материал.

5. Рефлексия. Подведение итогов.

Учитель.

На каких этапах урока вам было трудно? Легко?

Какой вид работы вам был интересен?

Ученики отвечают, учитель выставляет оценки, комментирует.

6. Домашнее задание.

Подготовиться к тесту по теме «Металлы», выполнить творческие задания: придумать задачи, рекламные плакаты.

Л и т е р а т у р а

Гузей Л.С., Суровцева Р.П. Химия. 10 класс. М.: Дрофа, 2002; Некрасов Л.Н. Электрохимия: история становления и характерные особенности как самостоятельной науки. Химия в школе, 2002, № 10, с. 6–14.

С.В.СИДОРЕНКО,
учитель химии средней школы
(с. Кваркено, Оренбургская обл.)