Урок химии в 10-м классе по теме Электролиз растворов электролитов


Цели и задачи урока:

  • формирование и закрепление знаний учащихся по теме
    «Сущность процессов электролиза и его применение» (без употребления
    понятия «стандартный электродный потенциал», что является предметом
    углубленного изучения химии);
  • развитие умений решать расчетные задачи, выступать с
    докладами по заданной теме;
  • закрепление навыков работы с мультимедийными средствами
    обучения (компьютерные программы – «Виртуальная лаборатория» и
    тестирование: по правилам техники безопасности и итоговое).

Оборудование:

  • мультимедийные средства обучения:
    1. – компьютер: учебно-электронное издание «Виртуальная
      лаборатория» (тестирование, опыты 1 и 2), презентация урока в
      программе Microsoft PowerPoint (Приложение
      1);
    2. – демонстрация опыта 4 на DVD-диске сборника
      Современной Гуманитарной Академии «Химия и электрический ток»;
  • оборудование для проведения демонстрационного опыта 3;
  • таблицы: «Схема электролиза раствора хлорида меди (II)»,
    «Электрохимическое получение натрия», «Электрохимическое получение
    алюминия», «Электролитическое получение водорода, хлора и гидроксида
    натрия», «Применение электролиза (никелирование)».

План урока

  1. Сообщение цели и задач урока. Мотивация учебной
    деятельности.
  2. Выявление, актуализация и корректировка опорных знаний:
    • проверка домашнего задания – схема электролиза расплава
      сульфида магния;
    • решение расчетной задачи на применение закона Фарадея.
  3. Формирование новых знаний:
    • тест на проверку знаний т/б;
    • проблемный демонстрационный химический эксперимент
      (электроды инертные):
    • — опыт 1 Электролиз раствора хлорида меди
      (II) CuCl2
    • — опыт 2 Электролиз раствора сульфата меди
      (II) CuSO4
    • — опыт 3 Электролиз раствора иодида калия KI
    • — опыт 4 Электролиз раствора сульфата натрия
      Na2SO4
  • применение электролиза.
  • Закрепление и проверка полученных знаний — тестирование.
  • Выводы по уроку. Подведение итогов работы.
  • Ход урока

    1. Сообщение цели и задач урока. Мотивация учебной
    деятельности.

    2. Выявление, актуализация и корректировка опорных
    знаний.

    а) – проверка д/з – схема электролиза расплава сульфида магния
    (на доске), определение процесса электролиза;

    б) – решение расчетной задачи № 24 с.112 (учебник Л. С. Гузей,
    Р. П. Суровцева «Химия. 10 класс») МГУ97:

    При пропускании постоянного электрического тока силой 6,4 А в
    течение 30 мин через расплав хлорида неизвестного металла на катоде
    выделилось 1,07 г металла. Определить состав соли, которую подвергли
    электролизу.

    Решение:

    Cогласно закону Фарадея: m = M I τ / nF , следовательно, M/ n
    = m F/ I τ, время τ = 30 мин или 0,5 ч, постоянная Фарадея F = 26,8
    А∙ч/моль. M/ n = 1,07 г ∙ 26,8 А∙ч/моль / 6,4 А ∙ 0,5 ч = 9
    г/моль, т.е. числовое значение М в 9 раз больше n.

    Выписываем возможные значения n и М:

    n 1 2 3 4
    M 9 18 27 36

    М = 9 г/моль соответствует бериллию Ве, но для него n = 2, а
    не 1, т.е. Ве не удовлетворяет условию. М = 27 г/моль и n = 3
    соответствует алюминию Al.

    Ответ: состав соли AlCl3.

    3. Формирование новых знаний:

    Для усиления мотивации изучения данной темы,
    демонстрации практического значения химии в жизни человека и применения
    полученных в школе знаний в нестандартных ситуациях зачитывается
    отрывок из произведения американского фантаста Гарри Гаррисона
    «Космический врач». Сюжет данного произведения: с космическим кораблем
    произошла авария, из офицерского состава в живых остался врач Дональд
    Чейз, к которому переходит командование кораблем. Дональду приходится
    решать множество проблем, одна из которых — нехватка кислорода на
    борту, т.к. многие его производители – зеленые одноклеточные водоросли
    – погибли. «…Где взять кислород в глубине межпланетного пространства?
    Думай! Он вбивал все это в свой утомленный мозг, но там была лишь
    полная пустота. И, тем не менее, его терзала мысль, что ответ находится
    прямо перед глазами. Единственной вещью, находящейся перед ним, были
    водоросли в их водяной купели. Они делали все, что могли, он знал это,
    и, тем не менее, ответ где-то здесь. Но где?..» [1] Ответ на этот
    вопрос учащиеся смогут дать после изучения опыта 4.

    А – тест на проверку знаний т/б (Приложение
    2);

    Б – проблемный демонстрационный химический эксперимент
    выступает не как средство иллюстрации готовых знаний, а как источник
    знаний и способ создания проблемной ситуации.

    1) Электролиз раствора хлорида меди (II).

    Демонстрационный эксперимент проводится с помощью
    УЭИ «Виртуальная лаборатория». Признаки реакции: выделение красной
    металлической меди на катоде и хлора (газа, вызывающего обесцвечивание
    влажной лакмусовой бумаги) на аноде.

    Задание: сравните электролиз расплава и раствора хлорида меди
    (II), есть ли разница в продуктах? Самостоятельно составьте схему
    электролиза раствора данной соли.

    Схема процесса:

    Вывод: электролиз раствора данной соли практически
    не
    отличается от электролиза ее расплава.

    2) Электролиз раствора сульфата меди (II).

    Демонстрационный эксперимент проводится с помощью УЭИ
    «Виртуальная лаборатория».

    Признаки реакции: выделение красной металлической меди на
    катоде и кислорода (газа, вызывающего загорание тлеющей лучины) на
    аноде.

    Задание: сравните состав хлорида и сульфата меди (II), найдите
    принципиальную разницу и сделайте вывод, от чего зависит состав
    продуктов окисления на аноде.

    Ответ: разница в составе анионов кислотных остатков:
    хлорид-анион Cl - простой, а сульфат-анион SO42-
    сложный.

    Учитель сообщает, что выделяющийся на аноде кислород
    выделяется не из сульфат-анионов, а образуется при окислении молекул
    воды.

    Схема процесса:

    Для подбора коэффициентов используем метод электронно-ионного
    баланса:

    Вывод: последовательность разрядки анионов
    на аноде зависит от
    природы аниона:

    1. При электролизе растворов солей бескислородных кислот
      (кроме фторидов) на аноде окисляются анионы кислотных остатков,
      например: 2Cl - — 2e - =
      Cl20
    2. При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и
      фторидов на аноде идет процесс окисления молекул воды: 2H2O
      – 4e - = O2
      + 4H + (среда околоанодного пространства
      кислая). Анионы кислотных
      остатков таких кислот остаются в растворе вместе с образующимися ионами
      водорода H +, т.е. после электролиза получается
      раствор кислоты.
    3. При электролизе растворов щелочей окисляются
      гидроксид-ионы: 4OH - — 4e -
      = O2↑ + 2H2O
    4. Анионы по их способности окисляться располагаются в
      следующем порядке:

    Анодные процессы в водных
    растворах электролитов



    Кислотный остаток
    (анион) Аm-
    Бескислородный
    (Cl -, Br -,
    I -, S 2- и др., кроме
    F -
    )
    Кислородсодержащий
    (SO42-, NO3-,
    CO32- и др.) и F -
    Окисление аниона (кроме
    фторида)

    Аm-me-
    = А0
    В кислой и нейтральной среде –
    окисление
    молекул воды: 2H2O – 4e-
    = O2↑ + 4H+
    в щелочной среде: 4OH- — 4e-
    = O2↑ + 2H2O

    Задание на закрепление:

    Какие вещества будут образовываться на электродах
    при пропускании постоянного электрического тока через раствор нитрата
    серебра AgNO3? (серебро на катоде и кислород на аноде). Раствор какого
    вещества останется в электролизере после окончания реакции? (раствор
    азотной кислоты HNO3) На дом: составить схему данного процесса.

    3) Электролиз раствора иодида калия KI.

    Демонстрационный процесс проводит учитель (в околокатодное
    пространство добавить 2-3 капли спиртового раствора фенолфталеина).

    Признаки реакции: выделение газа на катоде и окрашивание
    околокатодного раствора в малиновый цвет; выделение молекулярного йода
    коричневой окраски на аноде.

    Задание: сравнить электролиз растворов хлорида меди и иодида
    калия. Катодными или анодными процессами они отличаются? Почему во
    втором случае невозможно выделение металлического калия? Подсказка – в
    положении меди и калия в ряду активности металлов (вернее, в
    электрохимическом ряду напряжений металлов).

    При затруднении ответа учитель напоминает, что калий –
    активный металл, реагирующий с водой с выделением водорода и
    образованием щелочи, а ведь раствор иодида калия содержит, помимо соли,
    и воду…

    Схема процесса:

    Вывод: последовательность разрядки катионов на
    катоде зависит
    от положения металла в электрохимическом ряду напряжений:

    1. Если металл неактивен и расположен после водорода, то на
      катоде восстанавливаются ионы металлов: Men+ + ne-
      = Me0
    2. Если металл обладает высокой химической активностью и
      расположен в начале ряда, от лития до алюминия включительно, то на
      катоде восстанавливаются молекулы воды:
      2H2O + 2e- = Н2
      + 2ОН- (среда околокатодного пространства
      щелочная). Катионы таких металлов остаются в растворе вместе с
      образующимися гидроксид-анионами ОН-, т. е.
      после электролиза
      получается раствор щелочи.
    3. Если металл обладает средней химической активностью и
      расположен в ряду напряжений между алюминием и водородом, то будут
      происходить оба процесса (в зависимости от концентрации соли, рН среды,
      плотности тока и других факторов): и восстановление ионов металла, и
      восстановление молекул воды.
    4. Если в растворе находится смесь катионов разных
      металлов,
      то сначала восстанавливаются катионы менее активного металла.
    5. При электролизе растворов кислот на катоде
      восстанавливаются катионы водорода: H+ + 2e-
      = Н2

    Катодные процессы в водных
    растворах электролитов

    Электрохимический
    ряд напряжений металлов
    Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni Н2 Cu,
    Hg, Ag, Pt, Au
    Восстановление молекул воды:
    2H2O + 2e- = Н2
    + 2ОН-
    Оба процесса:

    1) Men+ + ne- = Me0

    2) 2H2O + 2e- = Н2
    + 2ОН-
    Восстановление катиона:

    Men+ + ne- = Me0

    Задание на закрепление:

    Какие вещества будут образовываться на электродах
    при пропускании постоянного электрического тока через раствор хлорида
    натрия NaCl? (водород на катоде и хлор на аноде). Раствор какого
    вещества останется в электролизере после окончания реакции? (раствор
    щелочи NaOH) – правильность ответа проверяем с использованием таблицы
    «Электрохимическое получение водорода, хлора и гидроксида натрия. На
    дом: составить схему данного процесса.

    4) Электролиз раствора сульфата натрия Na2SO4.

    Эксперимент демонстрируется с помощью DVD-диска сборника
    Современной Гуманитарной Академии «Химия и электрический ток» (в
    раствор соли добавлен раствор лакмуса). Признаки реакции: на катоде –
    выделение газа и окрашивание лакмуса в синий цвет; на аноде – выделение
    газа и окрашивание лакмуса в красный цвет.

    Учащиеся самостоятельно объясняют результаты эксперимента,
    исходя из выводов опытов 2 и 3 (см. таблицы по анодным и катодным
    процессам).

    При определении среды раствора можно воспользоваться
    мнемоническим стихотворением:

    Индикатор лакмус – красный, кислоту укажет
    ясно,
    Индикатор лакмус – синий, щелочь здесь – не будь
    разиней.

    Схема процесса:



    Вывод: электролиз данной соли сводится к
    разложению воды; соль
    необходима для увеличения электропроводности, так как чистая
    вода
    является очень слабым электролитом; масса самой соли в растворе не
    изменяется.



    Учащиеся дают ответ на вопрос, поставленный перед изучением
    темы: где взять кислород на борту космического корабля? Ответ –
    получить его электролизом воды, в которую добавлена нужная соль.
    (Приложение 3);

    Применение электролиза (доклад учащегося):

    1. Электрометаллургия:
      • получение активных металлов (K, Na,
        Ca, Mg, Al и др.) электролизом расплавов природных соединений;
      • получение металлов средней активности (Zn, Cd, Co)
        электролизом
        растворов их солей.
    2. В химической промышленности – получение газов: F2,
      Cl2,
      H2,
      O2; щелочей: NaOH, KOH; пероксида водорода H2O2,
      тяжелой воды D2O и др.
    3. Электролитическое рафинирование – очистка металлов (Cu,
      Pb,
      Sn и др.) от примесей электролизом с применением активных (растворимых)
      анодов. Неочищенная медь, которая является анодом, растворяется, т. е.
      переходит в раствор соли меди в виде ионов. Энергия электрического тока
      расходуется на перенос этих ионов к катоду, их восстановление и
      осаждение чистой меди (степень чистоты – 99,95%). Примеси (Ag, Au и
      другие благородные металлы), которые имеют больший стандартный
      электродный потенциал, не восстанавливаются, а выпадают в осадок на дне
      ванны, тем самым окупая расходы на проведение рафинирования меди.
      Данный процесс – одно их старейших электрохимических производств.
      Впервые этот метод был применен в России в 1847 г.
    4. Гальваностегия – нанесение металлических покрытий на
      поверхность металлического изделия для защиты от коррозии или придания
      декоративного вида. Например, оцинковка, хромирование, никелирование и
      пр.
    5. Гальванопластика – получение металлических копий с
      различных матриц, а также покрытие неметаллических предметов слоем
      металлов. Последний процесс (золочение деревянных статуй и ваз) был
      известен еще в Древнем Египте, но научные основы гальванопластики были
      заложены русским ученым Б. Якоби в 1838 г.

    Итоговое тестирование:

    1. Расплав какого вещества подвержен электролизу?
      а) оксид кальция; б) парафин; в) глюкоза;
      г) азот.
    2. Что следует подвергнуть электролизу для получения хлора?
      а) хлорную воду; б) раствор хлората калия;
      в) расплав хлорида калия; г) хлор электролизом
      не
      получают.
    3. Цвет лакмуса в околокатодном пространстве при
      электролизе
      раствора бромида натрия
      а) малиновый; б) фиолетовый; в) красный;
      г) синий.
    4. Какое вещество нельзя получить при электролизе раствора
      поваренной соли?
      а) Na; б) H2; в) Cl2;
      г) NaOH;
    5. При электролизе раствора сульфата цинка с инертными
      электродами на аноде выделяется
      а) Zn; б) O2; в) H2;
      г) SO2.
    6. При электролизе раствора нитрата меди(II) с медными
      электродами на аноде будет происходить
      а) выделение NO2; б) выделение
      меди; в) выделение
      O2; г) растворение анода.
    7. Расставьте анионы в порядке уменьшения их
      восстановительной
      активности. Ответ запишите в виде последовательности букв.
      а) Cl-; б) F-; в) I- г) OH-.
    8. Вставьте в предложение пропущенные слова: «При
      никелировании предмет, на который наносят слой никеля, надо соединять с
      … полюсом батареи, чтобы он выступал в качестве … ».

    Ответы: 1а, 2в, 3г, 4а, 5б, 6г, 7 – вагб, 8 – отрицательным, катода

    Подведение итогов урока, сообщение домашнего задания.

    Домашнее задание записывалось учащимися в ходе урока; в
    качестве дополнительного задания предлагается небольшой кроссворд по
    теме «Электролиз» (Приложение 4).

    Список литературы:

    1. Библиотека зарубежной фантастики. «Миллион завтра. На последнем
      берегу. Космический врач»: Флокс; Москва; 1992 (Библиотека Альдебаран:
      http://lib.aldebaran.ru)
    2. Новошинский И. И., Новошинская Н. С. Учебник «Химия. 10
      класс». М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и
      Образование», 2005, с.155-160.
    3. Строкатова С. Ф., Андросюк Е. Р., Орлова С. А. Электролиз в
      теории и практике. – ж-л «Химия в школе», №7, с.52-59.
    4. Глинка Н. Л. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2003.
    5. Химический энциклопедический словарь – М.: «Советская
      энциклопедия», 1983.



    Следующий: