Открытое занятие «Гальванический элемент»

«Электричество в руках химика – это мощное средство тончайшего и направленного воздействия на вещество»

I. Объявление темы урока

Перед вами весьма несложный прибор. Я опускаю его в раствор поваренной соли  и происходит чудо – лампочка горит.
Вопрос: почему горит лампочка? (Т.к. есть электрический ток)
Вопрос: основное условие горения лампочки? (Наличие электрического тока)
Вопрос: откуда электрический ток в растворе? (Наличие ионов натрия и хлора)
Электрический ток – направленное движение заряженных частиц.
Вопрос: начиная с этого занятия, мы с вами, что будем изучать? (Связь химии и электричества)
Вопрос: каким одним понятием можно объединить химию и электричество? (Электрохимия)
Электрохимия изучает свойства систем, содержащих подвижные ионы (растворов, расплавов, твердых электролитов), и явления, возникающие на границе раздела фаз вследствие переноса заряженных частиц.

(таблица на доске).

При заполнении таблицы необходимо выйти на тему занятия «Гальванический элемент»

II. Сообщение целей и задач (формулируют сами обучающиеся)

Цель занятия – изучить принцип действия гальванического элемента.

Задачи:

– познакомиться с краткой историей создания ГЭ;
– изучить устройство и химические реакции, лежащие в основе работы ГЭ;
– научиться составлять схему ГЭ.
Обучающиеся также планируют способы достижения намеченной цели.

III. Практическая деятельность учащихся

Для дальнейшей работы формируются две команды, распределяются роли в команде, выбирается капитан(модератор).

1. Работа с текстом (с литературой)

Историческая справка

При раскопках парфянского поселения, существовавшего в Месопотамии 2200 лет назад, была обнаружена древняя «батарея». С технической точки зрения она представляет собой электрохимический источник тока типа гальванического элемента одноразового действия и состоит из железного стержня и медного листа, свернутого в цилиндр вокруг этого стержня; оба они помещены в керамический горшок из-под виноградного сока. По-видимому, это устройство выполняло роль таинственного источника энергии в процессе нанесения гальванических покрытий из золота или серебра на поверхность металлических предметов.
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Задание: составьте хронологическую таблицу от открытия и до массового производства   гальванических элементов.

2. Практическая работа. Изготовление гальванического элемента

Опыт 1. Погрузите железный гвоздь в раствор медного купороса. Опишите свои наблюдения. Напишите уравнение реакции. Составьте электронный баланс.

Опыт 2. В пробирку с раствором ZnSO₄ поместите цинковую пластину. В пробирку с раствором CuSO₄ поместите медную пластину. Пробирки соедините солевым мостиком. Пластинки с помощью проводов соедините с гальванометром. Опишите свои наблюдения. Почему стрелка гальванометра отклонилась? Запишите химические реакции, происходящие в пробирках. Отсоедините провода от гальванометра.

Рисунок 1. Гальванический элемент Даниэля.

Вы собрали простейший гальванический элемент, который носит название элемента Даниэля в честь Джона Фредерика Даниэля, который изобрел его в 1836г (рисунок 1)

3. Работа с текстом (теоретические выкладки)

Основные составляющие гальванического элемента

Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух электродов, соединённых между собой внешней цепью – электронный проводник (металл) и внутренний цепью – ионный проводник (растворы электролита, соединённые солевым мостиком). Назван в честь Луиджи Гальвани. В этом элементе химическая энергия превращается в электрическую энергию. В основе работы любого ГЭ лежит разница в активности металлов.

Ряд активности металлов

Li ––> Rb ––> K ––> Ba ––> Sr ––> Ca ––> Na ––> Mg ––> Al ––> Mn ––> Zn ––> Cr ––> Fe ––> Cd ––> Co ––>Ni ––> Sn ––> Pb ––> H ––> Sb ––> Bi ––> Cu ––> Hg ––> Ag ––> Pd ––> Pt ––>Au

Любой гальванический элемент состоит из двух частей: в первой части происходит полуреакция окисления  (Zn⁰ – 2е =  Zn²⁺), в другой – полуреакция восстановления (Cu²⁺ + 2е =  Cu⁰).
Металлические пластины (могут быть угольные стержни) называются электродами.

Анодом в электрохимии называется электрод, на котором протекает реакция окисления, т.е. отдача электронов.

В гальванической цепи анод заряжен отрицательно, и он посылает электроны во внешнюю цепь.

Катодом в электрохимии называется электрод, на котором протекает реакция восстановления, т.е. присоединение электронов.

В гальванической цепи катод заряжен положительно, и он получает электроны из внешней цепи.

Для гальванического элемента принята следующая форма записи (на примере элемента Даниэля): А(–) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+)К,

где вертикальная линия | обозначает границу раздела фаз, а двойная вертикальная линия || – солевой мостик.

Задание: напишите схему гальванического элемента для Fe/Cu электродов, погруженных в растворы солей этих металлов. По содержанию текста составьте 5-6 вопросов для другой команды. На выполнение задания  – 10 минут. 

4. Решение проблемы

Проблема: если  поменять местами электроды, то ГЭ работать не будет. Почему?

IV. Осуществление контроля

«Перекрёстный опрос». Модераторы задают вопросы. Представитель команды отвечает.

Заполнение третьей графы таблицы «Знаю. Хочу знать. Узнал»

Вопрос: пользуемся ли мы в быту гальваническими элементами? (Батарейка)

V.Учебное действие. «Работа с текстом»

Батарейка – источник опасности

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы.

Рисунок 2. Устройство сухого элемента.

Устройство батарейки

Батарейка (сухой элемент, рисунок 2) состоит из цинкового корпуса, который играет роль анода. Другой электрод, катод, представляет собой графитовый стержень, находящийся  в середине элемента. Этот стержень окружен            слоем оксида марганца и угольной сажи.
В качестве электролита используется толстый слой хлорида аммония и хлорида цинка. Рассмотрим реакции, которые происходят в элементе.

А «–»: Zn⁰ – 2е =  Zn²⁺.
К «+»: MnO₂(т) + 2NH₄⁺ + 2e^– ––> Mn₂O₂(т) + 2NH₃(p-p) + H₂O(ж)

Внимание! Одним из электродов фактически служит корпус, расходуемый в ходе реакции. Таким образом, если толщина корпуса не одинакова, то на месте самого тонкого участка со временем может образоваться отверстие, через которое будет высыпаться едкое содержимое элемента.

Задание. Назовите химически опасные соединения, которые могут быть угрозой человеку и окружающей среде в случае повреждения корпуса батарейки.

Информация к размышлению.

1. При высоких концентрациях цинк – мутаген и онкоген. Вызывает заболевания костно-мышечной системы.
2. Марганец действует на организм через органы дыхания. Поражает центральную нервную систему, почки, органы кровообращения и легкие.
3. Аммиак — NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта). При соприкосновении аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог с пузырями.

Продолжить заполнение графы «УЗНАЛ» в таблице «ЗНАЮ. ХОЧУ ЗНАТЬ. УЗНАЛ»

VI. Рефлексия

Оценочный лист. Тема «Гальванический элемент»

– Спасибо за внимание!
– Жду вас на следующее занятие.