Практическое значение
электрохимии

Урок с использованием информационных технологий

Цели. Расширить представления учащихся о прикладном значении химических знаний, о взаимосвязи химических технологий и экологии.

Задачи. Актуализировать и углубить знания об электролизе, уточнить особенности электролиза расплавов и растворов электролитов, познакомиться с применением электролиза в народном хозяйстве; совершенствовать навыки письменного фиксирования объективно значимой информации.

Межпредметные связи. Химия, информатика, география, экология, история, технология.

Девиз урока. «Чтобы овладеть высоким мастерством, надо много трудиться».

Оборудование и реактивы. Компьютер с подключенным Интернетом и проектором, экран, прибор для проведения опытов с электрическим током, выпрямитель тока, штатив с пробирками, тематические коллекции, подготовленные учащимися: «Сырье для производства алюминия», «Минералы меди», «Продукция Среднеуральского медеплавильного комбината – электрорафинированная медь и продукты переработки шламов», коллекция изделий из металла и пластмассы с металлическим покрытием, бижутерия; растворы йодида калия (10%-й), фенолфталеина, йода (0,05%-й), крахмальный клейстер.

П л а н  у р о к а

1. Формулирование целей и задач урока.

2. Повторение теоретических основ электрохимии.

3. Презентации учащихся.

4. Электролиз водных растворов солей на примере сульфата меди(II).

5. Компьютерный эксперимент.

6. Презентации учащихся.

7. Применение электролиза.

8. Демонстрационный эксперимент по электролизу водного раствора йодида калия.

9. Запись домашнего задания с комментариями.

10. Подведение итогов деятельности учащихся.

П р и м е ч а н и е. За небольшие полноценные ответы с места учащиеся премируются карточками «Вопрос–ответ», которые способствуют получению оценки по «накопительному принципу» (накопил – получи оценку).

По ходу урока учащиеся выполняют записи в рабочих тетрадях.

ХОД УРОКА

Урок начинается с формулирования учебных целей и задач. Учащиеся получают инструкции о своей деятельности на уроке.

Повторение теоретических основ электрохимии

Повторение изученного материала

На повторение отводится 6–8 мин. Все вопросы учителя дублируются на экране проектора, после обсуждения с учащимися на экране возникает «классический» ответ. Учащиеся имеют возможность сравнить его с собственными высказываниями.

1. Что такое «электрохимия»? (Раздел химии, занимающийся изучением связи между электрическими и химическими процессами.)

2. Что такое явление электролиза? (Окислительно-восстановительные процессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплавы или растворы электролитов.)

3. В чем отличие электролиза от множества других окислительно-восстановительных реакций? (Процессы окисления и восстановления разделены в пространстве, они совершаются не при контакте частиц друг с другом, а при соприкосновении с электродами электрической цепи; окислителем и восстановителем является электрический ток.)

4. В чем суть процессов окисления? (Отдача электронов, степень окисления атомов или ионов повышается.)

5. В чем сущность процессов восстановления? (Принятие электронов, степень окисления атомов или ионов понижается.)

6. На каком из рисунков (а или б) показано прохождение тока в среде электролита?

(На рисунке б: в среде электролита заряд переносят ионы – частички самого вещества.)

7. Что такое катод и анод? (Отрицательно и положительно заряженные электроды соответственно.)

8. Что происходит с ионами у поверхности электродов? (Они разряжаются, в результате образуются новые вещества.)

Презентации учащихся

Рассматриваются практически значимые примеры электролиза.

Получение щелочных и щелочно-земельных металлов (3 мин). Краткая характеристика химической активности, видеофрагмент о физических свойствах и хранении калия, обоснование природных форм, минералы натрия, калия, принципиальная схема получения металлов из расплавов солей.

Производство алюминия (о металле будущего) (5 мин). Сырье для производства алюминия – коллекция; схема промышленного электролизера, химизм процесса, окисление угольного анода выделяющимся кислородом, месторождения и производства алюминия на карте России и в регионе, экологическая ситуация на местных алюминиевых производствах, преимущества и области применения алюминиевых сплавов, демонстрация образцов.

Учитель. До открытия в 1886 г. американским химиком Ч.Холлом и французским металлургом П.Эру способа электролитического получения алюминия из криолитно-глиноземного расплава этот металл был примерно в 10 раз дороже золота. Сыну Наполеона III была подарена погремушка из алюминия, а в Великобритании великому Д.И.Менделееву в знак признания его заслуг преподнесли весы, одна чаша которых была сделана из чистого золота, а другая из чистого алюминия. В 1883 г. выработка алюминия во всем мире не достигала и трех тонн, несмотря на то, что в природе это самый распространенный металл.

Рассмотрим электролиз водных растворов солей на примере сульфата меди(II).

К доске приглашается учащийся для рассмотрения предложенного вопроса. Учитель организует при необходимости коллективную помощь.

Ученик. Анализ состава соли позволяет сделать вывод, что в водном растворе сульфата меди(II) восстановлению подвергаются катионы меди, а окисляются молекулы воды. При растворении в воде разрушается кристаллическая решетка и происходит процесс электролитической диссоциации:

CuSO₄ Cu²⁺ +

У поверхности катода накапливаются катионы меди и молекулы воды, но восстанавливаются катионы металла. (Почему?)

Катод (–): Cu²⁺ + 2е = Cu⁰ (восстановление).

Что наблюдается? На поверхности катода откладывается металлическая медь розового цвета.

Анод (+): 2Н₂О + 4е = 4Н⁺ + О₂ (окисление).

На аноде выделяется газ кислород, а в прианодном пространстве накапливаются катионы водорода, среда закисляется.

Просуммируем катодный и анодный процессы с учетом числа передаваемых электронов и получим ионное уравнение электролиза:

2Cu²⁺ + 2Н₂О = Cu⁰ + 4Н⁺ + О₂.

Учитывая присутствие сульфат-ионов в растворе, составим молекулярное уравнение:

Учитель приглашает следующего ученика из числа желающих для проведения модельного компьютерного эксперимента с целью подтвердить высказанные предположения о внешних признаках рассмотренного явления (2 мин).

Получили ли мы предполагаемые результаты?

Презентации учащихся

Электролитическое рафинирование меди (3 мин). Черновая медь, схема установки для электрорафинирования, химизм процесса, растворимый анод, подбор оптимальных условий, электролитический шлам, его переработка, краткая характеристика продукции Среднеуральского медеплавильного комбината с демонстрацией образцов, экологические проблемы прилегающих территорий.

Основная форма обучения на уроке – полилог

Гальванопластика. Гальваностегия (3 мин). Представление о технологии, различие процессов, условия осуществления, практическое применение, демонстрация образцов.

Учитель с помощью учащихся подводит итоги увиденному на уроке. Постепенно заполняется новый слайд.

Применение электролиза

• Электрохимическое получение веществ.

• Электрохимическая очистка (рафинирование) металлов.

• Гальванотехника (гальваностегия, гальванопластика).

• Защита от электрохимической коррозии (протекторная защита, катодная защита).

• Химические источники тока (гальванические элементы, аккумуляторы).

• В аналитической химии.

• В медицине (электрофорез, гальванизация, токи Бернара).

Учитель обращается к классу с предложением пронаблюдать демонстрационный эксперимент, подготовленный их одноклассником.

Ученик (показывает и рассказывает). Электролиз – это процесс, протекающий во времени. В электролизере находится раствор йодида калия. На электроды надеты пробирки, наполненные тем же раствором, таким образом мы получаем изолированные прианодное и прикатодное пространства. В прикатодное пространство добавлен фенолфталеин, в прианодное – крахмальный клейстер. Пробирки заполнены раствором до верха. Через выпрямитель подаем напряжение в цепь. Следует немного подождать, чтобы накопилось заметное количество продуктов.

Учитель предлагает тем временем записать домашнее задание. Оно проецируется на экран и комментируется.

1. По учебнику О.С.Габриеляна, Г.Г.Лысова «Химия-11» § 18, с. 217–222.

2. Придумать и записать на отдельном листочке три тестовых вопроса (для каждого по 4 варианта ответа) по теме «Электролиз» (см. приложение).

3. Задача. При электролизе водного раствора нитрата серебра выделилось 5,6 л (н.у.) газа.

Н а  о ц е н к у «3». Сколько граммов металла должно отложиться на катоде?

Н а «4». Какова толщина образовавшегося покрытия, если плотность серебра
10,5 г/см³, а площадь поверхности катода 30 см²?

Н а «5». Считая, что выход газа составляет 100%, рассчитайте массу образовавшегося металла, если выход его составляет 90%.

4. Краткое описание опыта по электролизу раствора KI.

Возвращаемся к демонстрационному эксперименту. Обсуждение его результатов с классом проводит исполнитель опыта.

Ученик. В прикатодном пространстве окраска раствора в присутствии фенолфталеина стала розовой. Вывод: среда раствора щелочная. Уровень раствора понизился, значит, над раствором скопление газа. Какого?

В прианодном пространстве в присутствии крахмального клейстера наблюдается синяя окраска, что свидетельствует о появлении простого вещества йода.

П р и м е ч а н и е. Довольно часто за время опыта не происходит заметного изменения окраски в прианодном пространстве, т.к. выделяющиеся молекулы йода образуют неокрашенные комплексы с избытком йодид-ионов. Поэтому для электролиза следует использовать разбавленный (5%-й) раствор йодида калия.

Если время позволяет, то можно составить уравнение электролиза, предложить учащимся придумать и решить задачу, исходное данное которой – реально полученный объем газа:

Задача. Объем выделившегося газа при электролизе йодида калия приблизительно равен 10 см³. Рассчитать массу образовавшихся щелочи и йода.

Учитель подводит итоги урока, в контексте девиза учащиеся обсуждают качество представленных презентаций. Учитель благодарит школьников за сотрудничество, помощь в подготовке урока и творческий подход к выполнению заданий.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Образцы тестовых вопросов, подготовленных учащимися.

1. При электролизе раствора какой соли восстанавливаются катионы металла?

а) NaCl;  б) Al₂(SO₄)₃;   в) CuSO₄; г) KCl.

2. Электролиз водного раствора нитрата серебра является окислительно-восстановительной реакцией. Роль окислителя в ней играет:

а) катион Cu²⁺; б) анион ;

в) молекулы воды; г) электрический ток.

3. Алюминий – самый распространенный металл в земной коре. Однако он был получен лишь в XIX в. и стоил дороже золота, потому что:

а) алюминий – очень активный металл;

б) получается на основе очень тугоплавкого оксида алюминия электролизом;

в) встречается в природе только в виде соединений;

г) получается с помощью кальцийтермии, а кальций – дорогой металл.

И.Е.КУЗЬМИНА,
учитель химии
(г. Екатеринбург)