В 8-м классе по физике мы узнаем, что ток бывает в различных средах. При изучении физики на базовом уровне мы к этой теме не возвращаемся. Изучению тока в жидкостях частично уделяется внимание на уроках химии в 9-м классе, поэтому тему “Ток в различных средах” изучаем на элективных курсах. В данном пособии мною представлен материал для теоретической и практической части одного из разделов элективного курса “Ток в жидкостях”. Теоретическую часть мы изучаем в виде лекций, часть материала ребята изучают самостоятельно, представляя результаты в реферативной форме и в виде презентаций. Темы творческих работ ребята выбирают сами или предлагаются: “Огни святого Эльма”, “Электролиз за работой”, “Б.С.Якоби”, “Загадки молнии” и т. д.
Наиболее интересной считаю практическую часть раздела: “Ток в жидкостях”, мы ее выполняем и она вызывает интерес у детей.
Электролиз – физическое и химическое явление. (Содержание лекции)
1. Историческая справка
Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула CuSO4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu2+ и SO42- .
С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не “голые” ионы, а гидратированные, то есть “одетые в шубку” из молекул воды.
2. Суть явления
“Электролиз – под таким названием объединяются физико-химические процессы, происходящие на электродах, когда через растворы или расплавы электролитов проходит электрический ток. Механизмы процессов, протекающих на положительном и отрицательном электродах, различны. На аноде идёт реакция электрохимического окисления, поскольку там ионы, атомы или молекулы отдают электроны. Напротив, на катоде к различным частицам присоединяются электроны, и те реакции, которые здесь происходят, – это реакции электрохимического восстановления.
Электролиз подчиняется законам, которые были открыты английским учёным М. Фарадеем в 1833–1834 гг.”
“Первый закон Фарадея гласит: количество вещества M, выделяющегося на электроде, прямо пропорционально электрическому заряду q, прошедшему через электролит: M = kq.
Коэффициент пропорциональности k, численно равный массе вещества,
выделившегося при прохождении через электролит единицы электрического заряда,
называется электрохимическим эквивалентом вещества. При пропускании через
электролит постоянного тока I в течение времени t с
q = It и m =
.
Согласно второму закону, электрохимические эквиваленты прямо пропорциональны
их химическим эквивалентам:
, где отношение атомного веса
A элемента к его
валентности Z называется химическим эквивалентом. Количество вещества, масса
которого, выраженная в граммах, равна его химическому эквиваленту, называется
грамм-эквивалентом. Величина F = 1/с
называется числом Фарадея. F равно электрическому
заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде 1
грамма-эквивалента любого вещества:
“Величина F равна произведению заряда электрона на число Авогадро.
Электролиз – физико-химический процесс, отражающий тесную связь физических и химических явлений. Он находит весьма широкое практическое применение. С его помощью получают многие химические соединения, которые иным путём приготовить не удаётся, чистые металлы в виде порошков и т. д. Процесс электролиза используются для коррозионной защиты различных металлов.
На практике электролиз проводят в специальных аппаратах – электролизерах. Их изготовляют из стали, керамических материалов, стекла, пластических масс. Электроды делают из различных металлов и сплавов. Иногда в ходе электролиза на аноде и катоде образуются такие вещества, взаимодействия которых надо избежать. С этой целью в электролизер вставляют пористую перегородку – диафрагму”.
3. Применение электролиза
Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим путём покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.
Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, от которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.
В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждают 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 сейчас использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.
Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати.
Процесс получения отслаиваемых покрытий – гальванопластика был разработан русским учённым Б. С. Якоби (1801–1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Ленинграде. (Фото 1,2,3,4)
При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов (рис. 5). При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
При помощи электролиза получают алюминий из расплавов бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту металлом.
Исследования.
Исследование № 1. Определение заряда электрона. (Приложение 1)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10-19 Кл.
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин. Электроды после проведения опыта просушивались над электроплиткой.
Исследование № 2. Определение заряда электрона при электролизе других солей
.
(Приложение 2)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор железа сернокислого закисного и алюминия сернокислого, весы, разновесы.
Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10-19 Кл, при использовании других солей.
Условия: В опыте взята масса каждой соли 50 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин.
Исследование № 3. Определение заряда электрона при изменении силы тока (Приложение 3)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, реостат, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10-19 Кл.
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 50 г., воды 600 г., сила тока 0,5 А., время 30 мин.
Исследование № 4. Определение заряда электрона при изменении концентрации раствора медного купороса. (Приложение 4)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, электролитическая ванна, угольные электроды, раствор сульфата меди (CuSO4), весы, разновесы.
Цель: Определить заряд электрона, используя законы электролиза.
Гипотеза: Заряд электрона должен получиться 1,6 х 10-19 Кл.
Условия: В опыте взята масса сульфата меди 100 г., воды 600 г., сила тока 1 А., время 30 мин.
Исследование № 5. Определение скорости движения отрицательных ионов при электролизе. (Приложение 5)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2 см.
Цель: Определить скорость ионов.
Исследование № 6. Определение скорости движения ионов при электролизе от концентрации солевого раствора. (Приложение 6)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2 см.
Цель: Определить скорость ионов, при увеличении концентрации солевого раствора в 2раза.
Исследование № 7. Определение скорости движения положительных ионов при электролизе. (Приложение 7)
Оборудование: Источник питания ИПД-1, амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А., ключ, пластины с проводящими контактами, полоска материала 10х2 см.
Цель: Определить скорость положительных ионов при электролизе.
Исследование № 8. Определение сопротивления раствора электролита при электролизе сульфата меди. (Приложение 8)
Рекомендации.
Ученики выполняют лабораторные работы в форме мини-проектов исследовательского характера. На итоговом занятии по данному разделу темы мы подводим общий итог.
Мы собрали и систематизировали материал по данной теме, сделали исследования и делаем вывод:
Используя законы электролиза можно определить
- Заряд электрона.
- Сопротивление раствора электролита.
- Также изучая электролиз можно определить скорость ионов при электролизе.
Определяя заряд электрона, мы убедились, что заряд электрона не изменяется:
- при увеличении концентрации солевого раствора,
- при изменении силы тока,
- при использовании другой соли
.
Полученная нами величина примерно равна е = 1,6 х 10-19Кл, что совпадает с табличным значением.
Также мы определили скорость ионов при электролизе и убедились, что она может меняться при изменении концентрации солевого раствора, у нас она равна от 0,5 до 0,75 мм/мин в зависимости от концентрации раствора.
В дальнейшем мы планируем установить зависимости скорости ионов от температуры и от напряжения.
Сопротивление электролита определили двумя способами и сравнили, получили приближённо одинаковый результат.
Результаты данных исследований могут быть представлены в виде задач. Данный материал выходит за рамки школьного курса, его мы представляли на научно-практической конференции.
Информационные ресурсы.
- Энциклопедический словарь юного физика, В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 2000 г. Стр. 321–322.
- Справочник по физике. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.: Изд-во “Наука”, 1994. Стр. 368–369.
- http://www.physbook.ru/index.php
- www.wikipedia.org
- www.photosight.ru
- http://bibl.tikva.ru