Конспект интегрированного урока по химии и физике "Электролиз".

Конспект интегрированного урока  «Исследование электрических явлений через предметное содержание физики, химии и биологии»

Авторы:

Козелкова Ирина Викторовна, учитель физики 1 категории

Демаева Александра Валерьевна, учитель химии 1 категории

Перестройка средней школы, совершенствование всей системы народного образования идут по пути интеграции естественнонаучных знаний. Межпредметные связи способствуют формированию научного мировоззрения школьников на основе современных знаний о единстве мира.

Место урока в системе уроков

Анализируя программы по физике и химии, мы пришли к выводу, что многие вопросы изучаются в этих курсах параллельно. При этом на уроках физики обращается внимание  в основном на физическую сущность явлений и процессов, а на уроках химии- на особенности и условия протекания реакций. Например, часть вопросов «электрический ток», «электролиз» рассматриваются на уроках химии в 9 и 11 классах, другая часть – на уроках физики в 10 и 11 классах. Поэтому целесообразно провести интегрированный урок по данной теме в 10 классе. При таком подходе учащиеся получат научно – обоснованную информацию, которая поможет им глубже изучить данный вопрос, детально разобраться в сущности процессов и явлений.

Тип урока: Урок систематизации и обобщения полученных знаний.

(урок на 2 часа интегрированный по предметам : физика, химия, биология)

Цели и задачи урока:

Ø Образовательные:

·         Повторить и обобщить знания по темам: проводимость в средах, природа носителей зарядов, химические процессы при электролизе, химическая основа гальванического элемента;

·         Повторить сущность I и II законов Фарадея;

·         Экспериментально измерить и вычислить электрохимический эквивалент меди;

·         Экспериментально рассчитать величину заряда электрона;

·         Уметь рассчитывать процент от теоретически возможного результата;

·         Уметь решать задачи на расчет электрического сопротивления электролита и толщины образовавшегося слоя меди.

Ø Воспитательные :

·         Показать значение электролиза для народного хозяйства;

·         На примере биографии ученых воспитывать трудолюбие, усердие в учебе, настойчивость;

·         Формировать понятие о роли эксперимента в открытии закона Фарадеем;

·         Показать взаимосвязь теории и практики при объяснении физических явлений;

·         Воспитывать аккуратность, самостоятельность, старательность в работе;

·         Воспитывать взаимопомощь и взаимоконтроль при решении задач.

Ø Развивающие:

·         Развивать системное и творческое мышление учащихся;

·         Развивать умения наблюдать, анализировать и обобщать знания о физических и химических аспектах процессов;

·         Формировать умения излагать мысли, планировать свою деятельность, анализировать результаты.

Структура урока:

В начале урока закладывается длительный (45-50мин) физический эксперимент по электролизу. В течение этого времени повторяются химические аспекты электролиза: электролитическая диссоциация, электрохимический ряд напряжений, гальванический элемент. Затем повторяются законы Фарадея. После завершения эксперимента  его результаты используются для расчета химических и физических задач, связанных с практическим применением электролиза.

Схема урока:

№	Вид деятельности	Учитель	Время	Методы и приемы
1	Орг. момент. Актуализация.	физики	3 мин	беседа
2	Начало эксперимента по электролизу	физики	10мин	Практическая деятельность
3	Повторение тем: -электролитическая диссоциация; -Электрохимический ряд напряжений; -гальванический элемент.	химии	5мин 5мин 5мин	Эвристическая беседа
4	Биологические аспекты электролиза	физики	10мин	Презентация Демонстрационный эксперимент
5	Химические аспекты электролиза	химии	10мин	Эвристическая беседа
6	Завершение эксперимента , обработка результатов	физики	10 мин	Практическая деятельность
7	Формулировка  законов Фарадея	физики	10мин	Коллективная деятельность, доклады
8	Применение электролиза	учащиеся	5 мин	Презентации, доклады учащихся
9	Решение задач на электролиз	физики химии	10мин	Работа в группах по листу заданий
10	Итог урока (оценки)	Физики химии	5мин	-
11	Домашнее задание		2мин	В листе заданий

            Итого:                                                              90мин

Оборудование:

§  комплект на каждую парту(Электролизер с медными пластинами; водный раствор медного купороса; весы с гирями; амперметр; вольтметр; источник постоянного напряжения на 4В; реостат; ключ; измерительная линейка; соединительные провода; бумажная салфетка)

§  Демонстрационный гальванометр; картофелина; 2 железных гвоздя; 2 провода.

§  Компьютер, мультимедийный проектор, презентации учащихся.

Ход урока:

1.Организационный момент. Создание позитивной мотивации.

Учащиеся заходят в класс, занимают места за партами, на которых уже составлены электрические схемы по электролизу. На столах лежат опросные листы, инструкции для лабораторной работы, лист заданий  с текстами задач и домашним заданием, инструкции по технике безопасности.

Учитель физики: Добрый день, мы рады вас видеть.

Сегодня у нас необычный урок. На этом уроке объединятся две науки – физика и химия для объяснений законов природы. Ее законы универсальны. Эти законы помогают человеку производить сложнейшие операции, запускать космические корабли, объясняют свойства живых клеток.

Сегодня мы рассмотрим связь между физикой и химией, обобщив знания об электричестве.

Учителем объявляется  и записывается на доске тема урока:

«Электрические явления в физике и химии».

Актуализация: На многих предприятиях нашего города и Нижегородской области существуют такие виды производства, очистка металлов методом электролиза и, возможно, что некоторые из вас столкнутся с этим в своей профессии. Этот урок поможет вам получить  научно – обоснованную информацию и разобраться в сущности электрических процессов в физике и химии.

2.Постановка эксперимента.

В основе нашего урока лежит эксперимент по электролизу сульфата медиII. Возьмите инструкцию по лабораторной работе( ПРИЛОЖЕНИЕ 1) Прочитайте ее тему, цель. Ученики:    Ее тема: Измерение электрохимического эквивалента методом электролиза.Цель работы: Применить закон электролиза для измерения электрохимического эквивалента меди.

Учитель: Обратите внимание на пояснение и указания к работе. А также прочитайте инструкцию по технике безопасности.(3мин)(ПРИЛОЖЕНИЕ 2)

Перед вами собрана установка для электролиза. Снимите катод- (электрод  с отметкой

 «- «).

 Измерьте:1) длину и ширину электрода (в метрах)

2) Массу катода ( в кг) и запишите в таблицу-m₁

Подключите катод к схеме и измерьте I-силу тока и U напряжение на электролизере.

Данные запишите в таблицу  инструкции. Теперь опыт будет продолжаться в течение 45 минут.

Учитель химии: Итак, опыт начался и пока он идет, рассмотрим электрические явления с химической точки зрения.

Человечество с древних времен наблюдало и изучало явления, связанные с электричеством. Обнаружив удивительное свойство янтаря притягивать к себе легкие предметы, после трения его о шерстяную ткань, древние греки назвали янтарь – «электроном». С этим словом связано и слово «электричество». Природа и сущность электричества уникальна. Уникальность заключается в процессах, которые идут благодаря электричеству или вызывают образование его.

Вопросы:* С какими понятиями в химии связано слово «электричество»?  (электролитическая диссоциация)

*А что обозначает этот термин?

*Что такое электролит?

*Какие вещества относятся к электролитам?

*Как называются противоположные ионы, которые образуются в результате электролитической диссоциации?

Механизм диссоциации нам знаком. Попробуйте объяснить с точки зрения электролитической диссоциации опыт.

Демонстрационный опыт 1(показывает учитель химии)

Прибор для демонстрации электролитической диссоциации. В раствор серной кислоты опускают электроды – лампа горит ярко. К раствору серной кислоты добавляют по каплям раствор хлорида бария, вновь опускают электроды – лампа горит тускло. При добавлении избытка хлорида бария  лампа опять горит ярко.

Опыт объясняет учащийся - Н₂SО₄ –сильный электролит, диссоциирует полностью на ионы:

Н₂SO₄= 2Н⁺ + SO₄^2-, при добавлении хлорида бария образуется нерастворимая соль –ВаSO₄:

Н₂SO₄ +BaCl₂ = ВаSO₄ + 2HCl, нерастворимая соль – слабый электролит, который плохо проводит электрический ток. При добавлении избытка хлорида бария, образовавшийся осадок растворяется в соляной кислоте, образуя при этом вновь растворимую соль хлорид бария, который является сильным электролитом.

Учитель химии:Итак, электролиты могут быть сильными и слабыми.

Вопросы: *Что является физической характеристикой процесса электролитической диссоциации?

*Что такое степень диссоциации?

*Чему равна степень диссоциации сильных электролитов? cлабых электролитов?

Учащимся предлагается выполнить задание 1 из листа заданий (ПРИЛОЖЕНИЕ 3) Один учащийся решает с комментариями на доске.

Дополнительный вопрос  ученику: Как увеличить степень диссоциации электролита?

Вопрос классу: Подумайте и объясните где опаснее купаться во время грозы в море или реке?

(в море растворено больше солей, морская вода – более сильный электролит, чем речная, вероятность поражения электрическим током в море большая).

Учитель химии: С понятием «электричество» связано название  ряда активности металлов.

Вопросы:*Как называется этот ряд?

*Как располагаются металлы в ряду активности?

Металлы разной активности ведут себя по-разному.

Лабораторный опыт 2(выполняют учащиеся)

На столах учащихся – склянки с растворами сульфата меди (II) и сульфата железа (II), железный гвоздь и медная проволока. Учащиеся опускают гвоздь в раствор сульфата меди (II), а медную проволоку – в раствор сульфата железа (II). Записывают химические уравнения процессов и объясняют наблюдаемое явление.

Ответ учащегося:Железо как более активный металл, чем медь выталкивает медь из раствора ее соли, медь оседает красным налетом на гвоздь, раствор меняет окраску с голубого  на зеленый. В пробирке с сульфатом железа (II) и медью изменений не происходит, так как реакция не идет.CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu,     FeSO₄ + Cu →∕ .

Учащимся предлагается выполнить задание 2 из листа заданий  (ПРИЛОЖЕНИЕ 3).

Задание проверяется устно.

Учитель химии: На разной активности металлов основано устройство гальванического элемента.

Вопросы: *Что такое гальванический элемент?

*Перечислите основные компоненты гальванического элемента.

*Где применяется гальванический элемент?

По принципу работы гальванического элемента протекают биологические процессы в живых организмах. Вам  знакомы такие животные как электрический скат, электрический угорь. Это  тоже своего рода гальванические элементы.

(ПРЕЗЕНТАЦИЯ,слайд 1,2)

Демонстрационный опыт 3 (показывает учитель физики)

В клубень картофеля воткнуты два металлических гвоздя, которые соединены между собой проволокой. Проволоку подключают  к гальванометру. Стрелка прибора отклоняется – это говорит о наличие электрического тока.  Сок картофеля – электролит, а сам клубень картофеля  и гвозди работают как гальванический элемент

. Также ведут себя в качестве гальванического элемента и другие  фрукты и овощи (лук, лимон ).

Учитель химии: Важнейшим процессом, который непосредственно связан с электрическим током - это электролиз.

Вопросы:*Что такое электролиз?

-Это физико-химический процесс выделения чистых веществ на электродах под действием электрического тока.

Учитель химии: Следовательно,  электролиз возможен в расплавах и растворах электролитов.

*Расскажите об электролизе расплава хлорида натрия по схеме (схема на слайде 3).

Это пример практического получения  металлического натрия и газообразного хлора.

*Каковы особенности электролиза в растворах?

Перед учащимися на столах лежат опорные конспекты по теме  «Электролиз»(слайд 4).

*Вспомните, по каким правилам протекают катодные и анодные процессы.

*А можно ли электролизом раствора хлорида натрия получить металлический натрий?

Учащимся предлагается выполнить задание 3 из листа заданий . Задание выполняется по трем вариантам в тетрадях, при этом трое учащихся решают на доске. После выполнения задания проверяется учащимися, сравнивая с доской.

Дополнительный вопрос: Подумайте, какие продукты будут находиться в растворе в результате электролиза нитрата меди (II): если после электролиза электроды вынуть сразу  и если оставить их в электролизере на время?

Часто процессы электролиза описываются в задачах. Для решения нужны суммарные уравнения электролиза. Задание учащимся: составить суммарное уравнение электролиза раствора сульфата меди (II) и решить задачу 5 из листа заданий. Учащийся решает задачу на доске, все остальные в тетрадях.

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

1.      m(Cu) =M·n

2.      n(Cu) =n (CuSO₄)

3.      mв-ва (CuSO₄) =ŵ·mр-ра: 100% =16%·200г :100% =32г

4.      n (CuSO₄) =32г · 160г/моль = 0,2 моль

5.      m(CuSO₄) = 64г/моль · 0,2моль =12,8г        Ответ: 12,8г.

Задача проверяется. Учитель сообщает оценки за урок.

Учитель физики:

Время эксперимента подошло к концу. Отключите цепь, запишите данные о времени в таблицу (в секундах)

Снимите катод. Обсушите его бумажной салфеткой и измерьте массу катода еще раз, запишите в таблицу - m₂. Рассчитайте массу выделившейся меди:(m₂-m₁₎ в кг.

Мы наблюдали на уроке физико-химический процесс – электролиз. Кто же является автором этого процесса?

Ученик ПРЕЗЕНТАЦИЯ (слайд 5)

Майкл Фарадей - гениальный английский физик и химик. Это был человек огромного трудолюбия. Закончив всего лишь начальную школу, он все знания добывал самостоятельно, занимаясь всю жизнь самообразованием. Из его головы вышло много открытий в области электрохимии, электромагнетизма, а также он качественно получил законы электролиза.

Учитель физики:

Повторим ранее изученное. В чем суть 1 закона электролиза?

Ученик1: Записывает на доске и рассказывает.

Масса вещества, выделившегося на электроде прямо-пропорциональна количеству заряда, прошедшего через электролит.

Учитель физики: Прочитайте и запишите 2 закон электролиза

Ученик 2.Записывает на доске и рассказывает.*е

Электрохимический эквивалент вещества прямо-пропорционален его молярной массе и обратно-пропорционален его валентности.

Учитель физики: Рассчитайте k меди и запишите в таблицу

Ученики рассчитывают (3-5 мин)

Учитель физики: Выведите расчетную формулу для заряда электрона е:

Ученик 3.Выводит на доске

Учитель физики:Домашнее задание – по данным эксперимента рассчитать заряд электрона.

Электролиз имеет большое приложение в промышленности. Назовите области применения электролиза.

Ученики делают доклады с места:(ПРИЛОЖЕНИЕ 4 )+(слайды6, 7)

1)Рафинирование;

2)Гальваностегия;

3)Гальванопластика.

Учитель физики: Возьмите лист заданий (ПРИЛОЖЕНИЕ 4)объединитесь в группы по 4 человека. Почитайте и запишите данные задачи№4. Решите ее в группах.

Та группа, которая ее решает первой записывает на  доске и объясняет решение.

Учитель физики:сообщает оценки за урок и домашнее задание по листу заданий № 4 и 6 +задания по эксперименту.

Дом.задание по химии: творческое – 1. применяется ли электролиз в органической химии?

2. Подобрать примеры органических веществ, которые могут участвовать в электролизе.

Учитель химии: Урок закончен. Уникальность электричества подтверждена. Цели урока достигнуты. Спасибо всем за урок. До свидания.

Приложение 3

  Лист заданий

К уроку на тему: «Исследование электрических явлений через предметное содержание физики, химии и биологии.»

1.      Какие частицы сместятся к катоду и аноду соответственно. Укажите направление их  движения стрелками.

                 К^-                      Fe(NO₃)₂             А⁺

                                               CuSO₄

                                              KMnO₄

                                               K₂Cr₂O₇

2.      Какие металлы и в какой последовательности будут вытесняться, если свинцовую пластинку опустить в раствор, содержащий :Fe(NO₃)_2,  Mg(NO₃)_2,     Cu(NO₃)_2, Hg(NO₃)_2, AgNO_3.

3. Напишите схемы и уравнения электролиза растворов: I в. - Cu(NO₃)_{2 ,}    IIв.- СаCl_{2 ,} III в.-

     Na₂SO_4.

4. При рафинировании меди с помощью электролиза к электролитческой ванне подведено напряжение 10В. Рассчитайте:

1) Сопротивление электролита, если за 10 часов выделилось 95г меди,k=3*10^-7кг/Кл;

2) Толщину покрытия, если площадь катода 10 см², .

5. Вычислить массу меди, которая выделится на электроде при электролизе раствора соли сульфата меди (II) с массовой долей 16%.

6. Если табличный электрохимический эквивалент меди k=3·10^-7кг/Кл, рассчитайте выход меди в % от теоретически возможного.

Домашнее задание по физике:

7. Рассчитайте электрическое сопротивление раствора медного купороса по результатам вашего эксперимента.

8.Рассчитайте площадь покрытия электродов в эксперименте, если g (Cu) =8900кг/м³.

9.Рассчитайте заряд электрона по данным вашего эксперимента.

10. Рассчитайте КПД эксперимента в %.

Приложение 4

Применение электролиза

Электролиз находит широкое применение в технике. Рассмотрим лишь некоторые примеры наиболее важных технических применений электролиза.

Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внешнего вида. Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет (рис. 3.8). Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними (см. рис. 3.8).

Гальванопластика — электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка. Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала.

В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.

Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати и с большим числом иллюстраций.

Осаждая металл на длинный цилиндр, получают трубы без шва.

Процесс получения отслаиваемых покрытий был разработан русским ученым Б. С. Якоби, который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора (в Санкт-Петербурге).

Рафинирование меди

Медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей. Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные куски (толстые листы) неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди — катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка (шлама), а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.

Получение алюминия

При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.

В угольные тигли (рис. 3.9) насыпают глинозем (оксид алюминия Аl₂O₃), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Описанный способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.

Путем электролиза расплавленных солей в настоящее время получают также натрий, калий, магний, кальций и другие металлы.

Электролиз используется для гальваностегии, гальванопластики, рафинирования меди, получения алюминия и др.