ТЕМА УРОКУ: ПОНЯТТЯ ПРО ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ЯК ХІМІЧНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

ДНЗ «Борщівський професійний ліцей.»

ТЕМА УРОКУ: ПОНЯТТЯ ПРО ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ЯК ХІМІЧНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Підготувала викладач хімії та біології

 вищої категорії, старший вчитель

Фургач Т.Й.

ТЕМА УРОКУ: ПОНЯТТЯ ПРО ГАЛЬВАНІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ЯК ХІМІЧНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Мета:

формування предметних компетентностей: формувати уявлення про перетворення енергії у джерелах електричного струму , ознайомити з різними джерелами електричного струму та особливостями виникнення в них струму, види реакцій, повторити поняття про гідроліз солей, закріпити знання про електроліти та неелектроліти.

формування  ключових компетентностей :  саморозвитку й самоосвіти, інформаційної — вміння робити короткий раціональний запис, робити висновки й узагальнення;

продовжувати розвивати логічне мислення, компетенцію продуктивної творчої діяльності.

Реалізація НЛ: громадянська відповідальність, екологічна безпека і сталий розвиток, підприємливість і фінансова грамотність, здоров'я і безпека.

Тип уроку: стем-урок,узагальнюючий.

Обладнання: мультимедійний проектор, презентація;

Хід уроку

1. Організаційний етап

Привітання, налаштування на робочий лад. Ділю учнів на групи ( працюють в групах на всіх етапах уроку)

2. Актуалізація пізнавальної діяльності

Бліц – опитування «ланцюжком».

  1 група задає питання: 

 Що таке екзотермічні реакції ?

Які це ендотермічні реакції?

Тепловий ефект - це

Необоротні реакції – це

  2 група задає питання:

Які реації називають оборотними?

Що таке гідроліз солей ?

Сильні електроліти – це

Слабкі електроліти – це

3. Мотивація навчальної діяльності

В наш час ми не можемо уявити своє життя без павербанків, лампочок на батарейках, хімічних джерел струму, у яких частина внутрішньої енергії речовин перетворюється на електричну енергію. До них відносять гальванічні елементи, аккумулятори і паливні елементи. На сьогоднішньому уроці ми вивчимо не лише їх будову, але й історію відкриття, сучасне застосування, принцип дії.

4. Вивчення нового матеріалу

Наприкінці XVIII ст. італійський фізик Алессандро Вольта (Слайд 1) винайшов оригінальний пристрій, що виробляв електричний струм. Це був немов товстий «бутерброд» iз металічних пластин (міді і цинку) i тканини, яка заздалегідь була просякнута розчином сульфатної кислоти. (Слайд 2) До першої та останньої пластинок припаювали дротинки. Якщо ix занурювали у воду, то на поверхні кожної дротинки починалося виділення газу. Це відбувався електроліз води. Отже, крізь воду проходив електричний струм. Винайдене джерело струму було названо гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані (1737–1798) – італійського лікаря, анатома і фізіолога, який є одним із засновників електрофізіології. (Слайд 3)

Перший гальванічний елемент був незручним у користуванні i мав короткий час дії: поява на електроді бульбашок газу ускладнювала рух йонів біля електроду. У 1836 році англійський хімік Джон Фредерик Даніель та незалежно від нього німецький і російський фізик-винахідник Б. С. Якобі, запропонували інший елемент, що виробляв електричний струм протягом значно довшого часу.

Пристрої, що виробляють електричний струм внаслідок перебігу в них хімічних реакцій, називаються хімічними джерелами струму. (слайд 4,5)

Під дією полярних молекул води катіони металу відриваються з поверхні пластинки, гідратуються і переходять в розчин, який при цьому заряджається позитивно, а в металі накопичується надлишок електронів. Чим далі протікає процес, тим більше стає заряд як металу, так і розчину. Завдяки  електростатичному притягуванню катіонів розчину і надлишкових електронів металу намежі поділу фаз виникає подвійний електричний шар (Слайд 6), який гальмує подальший перехід катіонів металу в розчин. Настає момент, коли між розчином і металом встановлюється рівновага, яку можна виразити рівнянням:

Ме(тв.) ⇄ Меⁿ⁺ + nē.

Різниця потенціалів, що виникає між металом і розчином електроліту, називається електродним потенціалом. (слайд 7)

Електродний потенціал залежить від природи металу.

Чим більш активний метал, тим більше його катіонів переходить в розчин і тим більш негативно заряджена поверхня металу.

Цинк активніший за мідь, тому цинкова пластинка заряджена більш негативно, ніж мідна. При з’єднанні цинкової пластинки з мідною металевим провідником електрони переходять від пластинки цинку до міді, на поверхні якої ці електрони з’єднуються з катіонами Купруму з розчину і осаджується мідь:

Сu²⁺ + 2ē = Сu.

Відбувається процес відновлення.

Згадаємо при електролізі процес відновлення відбувається на катоді Така сама роль катода (мідного електрода) i в гальванічному елементі, але віддаючи електрони катіонам Сu²⁺, катод гальванічного елементу набуває позитивний заряд на відміну від катоду при електролізі, який має негативний заряд. (слайд 8)

Інший електрод гальванічного елемента – цинковий – розчиняється. Атоми Цинку втрачають електрони, залишаючи їx на електроді, зазнають окиснення й перетворюються на катіони:

Zn – 2ē = Zn²⁺.

Цинковий електрод в гальванічному елементі виступає як анод, він має негативний заряд. (При електролізі анод заряджений позитивно.)

Сумарне рівняння (окисно-відновного перетворення в гальванічному елементі:

Cu²⁺ + Zn = Сu + Zn²⁺.

Гальванічний елемент можна зобразити схематично:

Zn|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu

Суть перетворення така сама, що й звичайної хімічної реакції:

CuSО₄ + Zn = Сu + ZnSО₄. (слайд 9)

Однак у гальванічному елементі процеси окиснення й відновлення йдуть окремо на поверхні кожного з двох електродів. Електрони, що залишаються від атомів Цинку на аноді, рухаються електричним ланцюгом до катода, де їx отримують катіони Купруму. Струм буде текти до тих пір, поки весь цинк не розчиниться або всі катіони Купруму з розчину не відновляться до міді.

Під час роботи гальванічного елемента в розчині купрум(ІІ) сульфату зменшується кількість катіонів Cu²⁺, а в розчині цинк сульфату збільшується кількість катіонів Zn²⁺. Тому сольовий місток не тільки забезпечує електричний контакт між двома розчинами, а й підтримує електронейтральність розчинів, «постачаючи» катіони стороннього електроліту (у нашому випадку Na⁺) у розчин купрум(ІІ) сульфату а аніони (NO₃⁻) – у розчин цинк сульфату.

Використовувати елемент Даніеля-Якобі для живлення ліхтарика, плеєра чи калькулятора незручно. Вже давно винайдено сухі гальванічні елементи. В їхніх герметичних оболонках містяться не розчини, а пастоподібні (вологі) суміші речовин.

Найпоширеніший серед гальванічних елементів цього типу – манган-цинковий елемент, який винайшов французький хімік Ж. Лекланше ще у 1865 році (Рис. 6). Корпус цього елемента зроблено iз цинку; він виконує роль  анода (це – негативний полюс джерела струму). Всередині міститься волога паста з манган(ІV) оксиду (МпО₂), амоній хлориду (NH₄Cl) i графітового порошку. В пасту занурений графітовий стрижень, що виступає катодом (позитивний полюс). Елемент герметизовано смолою або воском. Під час роботи елемента відбуваються такі процеси. Цинк зазнає окиснення:

Zn − 2ē = Zn²⁺.

Через це корпус елемента iз середини поступово руйнується. На графітовому катоді відновлюється Манган:

Мn⁺⁴ + ē  =Мn⁺³.

Протікає хімічна реакція, що описується рівнянням

Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl = 2MnO(OH) + ZnCl₂ + 2NH₃

На полюсах елемента створюється напруга в 1,5 В. Якщо послідовно з’єднати кілька таких елементів (катод першого елемента — з анодом другого, катод другого – з анодом третього i т. д.), то утвориться батарея. Відома плоска батарея містить 3 елементи Лекланше i має напругу 4,5 В. (слайд 10)

Робота гальванічного елемента характеризується його електрорушійною силою (ЕРС), яку можна визначити за різницею потенціалів катоду і аноду: чим більша ця різниця тим більша ЕРС гальванічного елемента.

Абсолютне значення електродного потенціалу виміряти не можна. Але досить легко виміряти різницю електродних потенціалів, яка виникає в системі, що складається з двох пар електрод – розчин. Такі пари називають напівелементами. Домовилися визначати електродні потенціали металів по відношенню до так званого стандартного водневого електроду, потенціал якого умовно прийнятий за нуль. Стандартний водневий електрод складається з платинової пластинки, зануреної в розчин сульфатної кислоти з концентрацією катіонів Гідрогену 1 моль/л, і омивається струменем газоподібного водню (Слайд 11).

Газоподібний водень адсорбується наплатині і переходить в атомарний стан

Н₂ ⇄ 2Н.

Між атомами і катіонами Гідрогену виникає рівновага

Н ⇄Н⁺ + ē.

Сумарний процес виражається рівнянням:

Н₂ ⇄ 2Н⁺ + 2ē.

Платина не бере участі в окисно-відновному процесі, а є лише носієм атомів Гідрогену.

Якщо пластинку металу, занурену в розчин його солі з концентрацією металу 1 моль/л, з’єднати зі стандартним водневим електродом, то вийде гальванічний елемент. Електрорушійна сила цього елемента, виміряна при 25 °С, і характеризує стандартний електродний потенціал металу.

Якщо метали, розташувати в порядку зростання стандартних електродних потенціалів, то ми отримаємо електрохімічний ряд напруг металів, який характеризує хімічні властивості металів.

1.               Чим більший негативний електродний потенціал металу, тим більша його відновна здатність.
2.               Кожен метал здатний відновлювати з розчинів ті метали, які стоять у ряді напруг праворуч від нього.
3.               Всі метали, що мають негативний потенціал, тобто що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.
4.               Чим більше різниця електродного потенціалу металів, тим більшою буде ЕРС гальванічного елемента, який з них побудований

Зверніть увагу, представлений ряд характеризує поводження металів і їх солей тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі. (слайд 12)

5. Закріплення вивченого матеріалу.

Гальванічний елемент – хімічне джерело електричного струму, яке засновано на взаємодії двох металів і (або) їх оксидів в електроліті, що призводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму.

У гальванічному елементі частина внутрішньої енергії речовин перетворюється на електричну.

Робота гальванічного елемента характеризується його електрорушійною силою (ЕРС), яку можна визначити за різницею потенціалів катоду і аноду. (слайд17)

Різновиди гальванічних елементів. (слайд 13)

Хімічні джерела електрики. (слайд 14)

Охорона навколишнього середовища. (слайд 15,16)

Рефлексія (слайд 18)

Питання для закріплення знань.

Прийом «Хімічний крос»

1.               Яке явище називається електрохімічним процесом?
2.               Які види електрохімічних процесів ви знаєте?
3.               Що таке гальванічний елемент?
4.               Що називається електродом; анодом, катодом?
5.               Що таке електродний потенціал?
6.               Що називається електрохімічним рядом напруг металів?

Рефлексія Рефлексія (слайд 18)

Тему я вам пояснила, а тепер дайте відповідь на питання:

Було цікаво …..

Було важко ….

Я навчився ….

Урок дав мені для мого життя ….

6.Домашнє завдання:

Параграф 13, Вправа 99, сторінка 78.

Підготувати проекти.