ЭЛЕКТРОЛИЗ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

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.

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

6. Что такое электролиз?

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 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.

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?

Гальванопластика обладает тремя преимуществами:

• быстрота изготовления копий;

• получение слепка из металлов:

• возможность воспроизведения копий.

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.

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.

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 А_r(H) = 1, в D₂O А_r(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 : 4Н₂О – 4e 4H⁺ + 2Н₂O + О₂.

На к а т о д е : 4Н₂О + 4e 2Н₂ + 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 A_r = 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

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

СИ*

Решение

m = m₂ – m₁.

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 2Н₂ + 4OН^–.

A (+): 4Н₂О – 4e 2Н₂O + 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)