Урок з хімії в 11 класі "Поняття про гальванічний елемент як хімічне джерело електричного струму"

Тема уроку: Поняття про гальванічний елемент як хімічне джерело електричного струму.

Мета уроку:

• розглянути поняття про гальванічний елемент як джерело електричного струму, усвідомити роботу гальванічного елемента, навчити пояснювати окисно-відновні процеси, що відбуваються на електродах.
• розвивати логічне мислення та творчі здібності, уяву та пам’ять
• формувати в учнів здатність застосовувати отримані знання на практиці; сприяти самовихованню свідомого, відповідального ставлення до навколишнього середовища; вміння знаходити потрібну інформацію використовуючи різні джерела

Тип уроку: урок засвоєння нових знань

Методи навчання: словесні, наочні і практичні.

Наскрізні лінії: здоров’я і безпека (вплив відпрацьованих батарей на організм людини);

                             громадянська відповідальність (відповідальність за чистоту довкілля і                                       його збереження);

                        екологічна безпека і сталий розвиток (збереження природних ресурсів, застосування альтернативних джерел  електричного струму);

                        підприємливість і фінансова грамотність (собівартість гальванічних елементів)

Обладнання: мультимедійна дошка, навчальна презентація, зразки батарейок, саморобний овочевий гальванічний елемент, ряд напруг металів

План уроку

Хід уроку

І.  Організаційний етап. Позитивна установка на урок.

Вчитель: ми продовжуємо вивчати тему «Хімічні реакції». Тема сьогоднішнього уроку дуже актуальна і цікава, я думаю, кожен з вас знайде в темі уроку користь для себе.

ІІ. Актуалізація опорних знань

1. Два учні на дошці складають окисно – відновні реакції :

    Zn + CuSO₄  →

    Zn + AlCl₃  →

2. Одночасно опитування «ланцюжком»

• Визначення процесу дисоціації
• Які речовини відносяться до електролітів?
• Що таке ряд напруг металів?
• Що означає : Al активніший за Fe?

III.  Мотивація навчальної діяльності.

Вчитель: сьогодні говоримо про речі, які дуже актуальні в сучасному житті і ми вже не уявляємо , як без них обійтись. Як ви вважаєте про що піде мова? Зараз учениця покаже дослід, а ви, будь ласка, спробуйте його пояснити.

Демонстрація саморобного овочевого гальванічного елемента (лимон, картопля, цинковий і мідний електроди, вольтметр і амперметр). Як пояснити появу електричного струму в ланцюгу?

IV. Вивчення нового матерiалу.

1. Вчитель оголошує тему уроку і звертає увагу на завдання уроку  для учнів. Слайди 1, 2 

Доповідь учня 1 про відкриття Луїджі Гальвані, який є одним із засновників електрофізіології. Слайд 3

Доповідь учня 2. Досліди італійськкого фізика Алессандро Вольта  який винайшов оригінальний пристрій, що виробляв електричний струм. Слайд  4.

2. Пояснення вчителя. Демонстрація слайдів по черзі 5, 6, 7

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. Слайд 5

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі складається з двох посудин . В одній міститься розчин цинк сульфату, у який занурено пластинку з цинку, в іншій – купрум(ІІ) сульфату у який занурено пластинку з міді. Розчини з’єднано трубкою (сольовим містком), що заповнена розчином електроліту, йони якого ʜе взаємодіють з іншими йонами в гальванічному елементі, наприклад натрій нітрату. У такий спосіб забезпечується електричний контакт між посудинами. Для того щоб розчин не виливався, кінці трубки закривають скловатою чи гелем, просоченим електролітом.

Якщо електроди з’єднати дротинками з електричною лампочкою, то вона засвітиться.

Через деякий час в обох склянках можна спостерігати хімічні перетворення: цинкова пластинка розчиняється, а на мідній пластинці з розчину осаджується мідь зменшується, а мідної збільшується. Водночас послаблюється забарвлення розчину купрум(ІІ) сульфату (концентрація йонів Сu²⁺ знижується). Ці хімічні зміни є результатом перенесення електронів з однієї частини елемента до іншого, тобто це типовий електрохімічний процес.

Пристрої, що виробляють електричний струм внаслідок перебігу в них хімічних реакцій, називаються хімічними джерелами струму.

Розглянемо природу цього процесу. 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 на межі поділу фаз виникає подвійний електричний шар .

Різниця потенціалів, що виникає між металом і розчином електроліту, називається електродним потенціалом.

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.

нший 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.

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.

Слайд 6

Корпус цього елемента зроблено iз цинку; він виконує роль  анода (це – негативний полюс джерела струму). Всередині метиться 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

Існують хімічні джерела струму, які періодично заряджають від електричної мережі й використовують знову. Це акумулятори. Вони є в мобільних телефонах, ноутбуках, фотоапаратах, автомобілях.

Найпоширенішими є свинцеві, або кислотні, акумулятори . Їх робота ґрунтується на оборотній реакції.

Слайд 7

V.    Закріплення нового матеріалу.

        Слайд 10. Ці рівняння показують які процеси відбуваються в батареї Лекланше та в кислотному акумуляторі

VI. Рефлексія

VII.  Слайд 12