Нашего урока «Эл ток в жидкостях. Электролиз»

Вид материала

Содержание

Ход урока
Опыт 2. Добавим в воду сахар. Размешаем стеклянной палочкой. Лампа не горит. (Сладкая вода – диэлектрик) Опыт 3
Электролитическая диссоциация –
Вольт – амперная характеристика для электролитов.
Объединенный закон Фарадея

Подобный материал:

Цели: продолжить формирование знаний учащихся об электропроводности различных сред, обобщить и систематизировать знания по химии и физике по теме «Электролиз», сформировать понятие об электролизе как о физико-химическом процессе, изучить его практическое применение.

Учащиеся должны уметь: записывать уравнения реакции диссоциации, проводить сравнение, обобщать, делать выводы.

Оборудование: источник тока (батарейки), амперметр, ключ, стеклянная палочка, электролитичес-кая ванна с чистой водой, электролитическая ванна с медным купоросом, медный и цинковый электро-ды, угольный электрод, проволока медная, лампочка, соединительные провода, позолоченное кольцо, сахар, соль, монеты, алюминиевая бутылка от «Фанты», портреты Сванте Аррениуса и Майкла Фарадея, батарейка.

^ Ход урока

Вводная часть урока

Учитель. Здравствуйте! Начинаем наш урок физики – науки, создающей единую картину мира. А мир наш огромен, сложен и разнообразен. Вокруг нас и в нас самих происходят процессы, наблюдаются явления, тесно связанные друг с другом. Но зачастую эти взаимосвязи нами не осознаются. Сегодня на уроке мы рассмотрим один процесс, его суть и применение в технике. Этот процесс вы уже рассматри-вали с точки зрения химии, а сегодня мы рассмотрим его с точки зрения физики.

Тема нашего урока «Эл. ток в жидкостях. Электролиз».

С процессом электролиза связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мо-бильных телефонов (неотъемлемой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохи-мические элементы питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алю-миний – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки до позолочённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раство-ром или расплавом солей, а, следовательно, и с электротоком в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.

Цель нашего урока: исследовать электропроводность жидкостей, выяснить природу тока в жидкос-тях, рассмотреть процесс электролиза и изучить его законы, узнать области применения данного про-цесса.

А сейчас вспомним ранее изученный материал, который нам пригодится сегодня.

Краткая фронтальная беседа с учениками

На какие виды подразделяются твердые тела? (провод, диэлект, полупроводн)
Что такое проводник?
Приведите примеры проводников.
Что такое диэлектрик?
Приведите примеры диэлектриков.
На прошлом уроке мы рассматривали с вами тему «Эл. ток в металлах». Какова природа эл. тока в металлах?
Какой заряд имеет электрон?
Что такое электрический ток?
Какие еще носители свободного заряда вам известны?
Что такое ион?
Какие ионы являются положительными? Какие – отрицательные?
Что такое диполь?
Какие диэлектрики вы знаете?
Что такое поляризация?

Изучение новой темы

Мы уже знаем, что твердые тела подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики. Оказывается, и жидкости тоже могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками.

Какие жидкие проводники вы знаете? (Растворы солей, щелочей, кислот)

Какие диэлектрики вы знаете? (дистиллированная вода)

К жидким полупроводникам относятся расплавленный селен, расплавы сульфидов.

Сегодня мы на уроке будем работать с жидкостями – проводниками. Рассмотрим следующий опыт.

Опыт1. Проверка электропроводимости дистиллированной воды. К источнику тока присоединим последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены электроды. Замкнем цепь. Лампа не горит.

Почему лампа не горит? (нет свободных носителей зарядов, данная вода - диэлектрик)

^ Опыт 2. Добавим в воду сахар. Размешаем стеклянной палочкой. Лампа не горит. (Сладкая вода – диэлектрик)

Опыт 3 Добавим в воду соль, размешаем. Лампочка загорится.

Почему лампа загорелась? (Соленая вода является проводником. Появились свободные носители зарядов) Какие же заряженные частицы есть в растворе?

Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность раство-ров различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде.

Электролиты – жидкие проводники, в которых подвижными носителями зарядов являются ионы. (± ионы)

Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.

Жидкие диэлектрики – вещества, растворы которые не проводят эл. ток.

Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ являются диэлектриками.

При растворении в воде молекула NaCl распадается на два разнозаряженных иона: Na⁺ и Cl^-

NaCl → Na⁺ + Cl^-

^ Электролитическая диссоциация – распад молекул на ионы.

Аналогичный процесс возникает при растворении медного купороса в воде. Каким образом он происходит?

Диссоциация молекул электролитов происходит в следующей последовательности:

а) ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита

б) гидратация молекулы электролита («шубка» из молекул воды)

в) её ионизация

г) распад её на гидратированные ионы.

Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда (носителями электричес-кого тока) в растворах электролитов являются не электроны, а положительно и отрицательно заря-женные гидратированные ионы.

От чего зависит интенсивность электролитической диссоциации?

Интенсивность электролитической диссоциации зависит:

От температуры раствора.
От концентрации раствора.
От рода раствора (его диэлектрической проницаемости)

Что же произойдет, если в растворе электролита создать электрическое поле с помощью положи-тельного электрода – анода и отрицательного электрода – катода?

Опыт 4 Возьмем два электрода, опустим в раствор медного купороса. Стрелка амперметра отклоняется, следовательно, в цепи идет ток.

Что же происходит внутри раствора?

В растворе CuSO₄ диссоциировал на ионы Cu²⁺ и S

. Положительно за-ряженный ион Cu²⁺ (катион) притягивается к отрицательно заряженному элек-троду – катоду, где получает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди – простого вещества. Если извлечь катод из прибора пос-ле прохождения через раствор тока, то нетрудно заметить красно – рыжий на-

лет – это металлическая медь.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества - его отдельных ком-понентов, значит, происходит изменение состава вещества, т.е. химический процесс.

Электролиз – выделение на электродах вещества, входящего в состав электролита.

Электрический ток представляет собой сумму токов катионов (в сторону катода) и анионов (в сторону анода).

Химическая сущность электролиза заключается в том, что это окислительно-восстановительная реакция, протекающая при участии электрического тока, причем процессы окисления и восстановления пространственно разделены.

Катод (-) – электрод, на котором восстанавливаются катионы или вода.

Анод (+) – электрод, на котором окисляются анионы или вода.

Катодные процессы определяются электрохимической активностью катиона соли. По электро-химической активности металлов их можно разделить на три группы:

Li K Ca Na Mq Al Mn Zn Cr Ni Sn Pв H₂ Cu Hq Aq Pt Au

1 группа 2 группа 3 группа

Для катионов металлов до Al включительно (1 группа) катодный процесс – это восстановление водорода из воды:

Для катионов металлов после Н₂(3) гр. катодный процесс – это восстановление их до металла:

Для катионов металлов, стоящих в ряду напряжения от Мn до H₂ (2 группа), идут параллельно процессы восстановления катионов металлов и водорода из воды

Рассмотрим процесс восстановительно-окислительной реакции на примере водного раствора хлорида натрия. Натрий относится к 1 группе. Гидратированные катионы натрия Na⁺ будут двигаться к катоду, а анионы Cl^- - к аноду. На катоде восстанавливаются молекулы воды: 2Н₂О + 2е ^- → Н₂ + 2 ОН^-, а на аноде окисляются хлорид – ионы: 2Cl^- - 2е^- → Сl₂. В итоге на катоде выделяется водород, а на аноде – хлор, а в растворе (вблизи катода) накапливается гидроксид натрия. Общее уравнение электролиза имеет вид: 2Н₂О + 2NaCl → Сl₂ + Н₂ + 2Na ОН (молек уравн)

Рассмотрим электролиз сульфата меди. Медь относится к веществам 3 группы, следовательно, идет процесс восстановления меди. На катоде: Cu²⁺+ 2e^- → Cu, на аноде: 2H₂O – 4e^- → O₂+ 4H⁺. Общее уравнение электролиза имеет вид: 2

СuSO₄ + 2H₂O →2 Сu + O₂+ 2H₂SO₄ (молек уравн)

^ Вольт – амперная характеристика для электролитов.

За счет явления поляризации график смещен.

Сопротивление растворов электролитов: I ~

, I ~ S

Уменьшается R с повышением температуры.

Справедлив закон Ома при неизменной концентрации раствора и температуры.

А можем ли мы узнать, сколько меди выделилось в результате электролиза?

Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массу осевшего металла. Измерения показывают, что масса вещества, выделившегося на электродах, зависит от силы тока и времени электролиза:

m = kIΔt, где k – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент.

Но IΔt = q, тогда m = kIΔt = kq

Это первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на катоде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит.

k – электрохимический эквивалент вещества численно равен массе выделившегося вещества, при переносе заряда в 1 Кл. [k] = 1 кг/Кл

Этот закон был экспериментально открыт в 1843 г англ. ученым Майклом Фарадеем.

Возникает вопрос, а что такое и от чего зависит электрохимический эквивалент вещества?

На этот вопрос тоже дал ответ Майкл Фарадей. На основании многочисленных опытов он пришел к выводу, что эта величина является характерной для каждого вещества.

Приведем его значения для некоторых веществ:

Вещество	k, мг/Кл
Серебро Водород Медь Цинк	1,118 0,01045 0,3294 0,3388

Из таблицы мы видим, что электрохимические эквиваленты различных веществ существенно отличны один от другого. От каких же свойств вещества зависит величина его электрохимического эквивалента? Ответ на этот вопрос даёт второй закон Фарадея: электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален отношению его массы к валентности.

k =

∙

М – молярная масса вещества.

n – валентность иона.

e – модуль заряда электрона.

Объединив первый и второй законы Фарадея, получаем:

^ Объединенный закон Фарадея: m =

I Δt =

q

m = m₀N, m₀ =

, N =

, q = IΔt, q₀= ne, m =

IΔt

F = eN_A = 96500 Кл/моль – постоянная Фарадея численно равная заряду, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделился 1 моль одновалентного вещества.

N –число ионов, достигших электрода, q₀ – заряд иона

Исходя из этих формул, можно определить заряд электрона.

Определение заряда электрона:

m =

IΔt, e =

IΔt

Применение электролиза:

Гальваностегия (никелирование, серебрение). Посредством электролиза можно покрыть метали-ческие предметы слоем другого металла. Особое техническое значение имеют покрытия трудноокисляе-мыми металлами, в частности никелирование и хромирование, а также серебрение и золочение, часто при-меняемые для защиты металлов от коррозии. Для получения нужных покрытий предмет тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают как катод в электролитическую ванну, содержащую соль того металла, которым желают покрыть предмет. Для более равномерного покрытия полезно применять две пластины в ка-честве анода, помещая предмет между ними.

2. Гальванопластика (изготовление копий); 1838 г., Б.С.Якоби. Также посредством электролиза мож-но не только покрыть предметы слоем того или иного металла, но и изготовить их рельефные металлические копии (например, монет, медалей). Для изготовления рельефной копии предмета сначала делают слепок из ка-кого-либо пластичного материала, например из воска. Этот слепок натирают графитом и погружают в электро-литическую ванну в качестве катода, где на нём и осаждается слой металла. Это применяется в полигра-фии при изготовлении печатных форм.

3. Электронатирание.

Промышленный способ получения кислорода и водорода.

5. Очистка металлов, полученных при выплавке из руды, от посторонних примесей.

Электролитический метод получения чистых металлов (рафинирование, аффинаж). Электролиз, сопровож-дающийся растворением анода Хорошим примером является электролитическое очищение (рафинирование) меди. Полученная непосредственно из руды медь отливается в виде пластин и помещается в качестве анода в раствор CuSO4. Подбирая напряжение на электродах ванны (0,20-0,25в), можно добиться, чтобы на катоде выделялась только металлическая медь. При этом посторонние примеси либо переходят в раствор (без выде-ления на катоде), либо выпадают на дно ванны в виде осадка («анодный шлам»). Катионы вещества анода сое-диняются с анионом SO42-, а на катоде при этом напряжении выделяется только металлическая медь. Анод как бы «растворяется». Такая очистка позволяет добится чистоты 99,99% («четыре девятки»). Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные металлы (золото Au, серебро Ag). В настоящее время весь алюминий (Al) добывается электролитически (из расплава бокситов).

Электрополировка поверхностей.

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:

получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);
электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);
электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);
очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так на-зываемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);
электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

Наряду с достоинствами у гальванических методов есть и существенные недостатки.

Гальваническое производство экологически вредно: это крупнейший источник жидких и твер-дых токсичных отходов, в том числе растворов кислот, щелочей и солей тяжелых металлов.
Оно не экономично: коэффициент полезного использования цветных металлов составляет 30-80%, кислот и щелочей 5-20%, воды 2-5%, энергии 70-80%.
Вредно для здоровья людей: люди работают с растворами, содержащими тяжелые металлы, кислоты и растворители.

Каково будущее гальванотехники? По мнению большинства экспертов, для современного произ-водства, в частности радиотехнической и электронной промышленности, необходимы покрытия с ши-роким диапазоном заданных свойств: для интегральных схем, компакт-дисков и т.д., в вычислительной технике требуются покрытия с заданными магнитными свойствами. Наиболее просто пока что получить такие материалы способом гальванотехники. Гальванопластику используют в рентгеновской технике, для изготовления деталей спутников и изделий особо точных размеров.

После этого выдать устно ОК – 30. Мы сегодня изучили много понятий. Давайте сейчас вспомним их (дети расшифровывают понятия): электролит, диэлектрик, электролитическая диссоциация, катод, анод, анион, катион, электролиз, гальваностегия, гальванопластика.

1. При выполнении любой работы, связанной с электричеством, необходимо соблюдать технику безопасности, работать инструментами с изолированными ручками, на изолирующей подставке. Надо помнить, что мокрые руки, поврежденная кожа или большие поверхности контакта увеличивают опасность поражения эл. током. Почему?

2. Электрокардиография – важнейшее медицинское исследование, позволяющее получать инфор-мацию о работе сердца. Электрокардиограмма – кривая, полученная при регистрации электрохимичес-ких импульсов сердца. Почему поверхность кожи под электродами смачивают водой? (Чтобы умень-шить сопротивление кожи и облегчить путь электрическому сигналу по потовым и сальным железам)

Решение задач

При серебрении изделия на катоде за 30 мин отложилось серебро массой 4,55 г. Определите си-лу тока при электролизе. (ответ: ≈ 2,26 А)
Сколько никеля выделится при электролизе за 1 ч при силе тока 10 А, если известно, что моляр-ная масса никеля 0,0587 кг/моль, а валентность 2? (ответ: 11 г)

Задание на дом: Пинский А.А. §67, работа с конспектом ОК – 30, Дельцов В.П. «800 задач» №13.39, 13.40, 13.41

Blog

Нашего урока «Эл ток в жидкостях. Электролиз»

Содержание