Интегрированный урок по теме: "Электрические явления, как следствие химических процессов" (10 класс)

Еремина Галина Васильевна, учитель физики МАОУ «СОШ № 116» г. Перми

Иванова Любовь Евгеньевна, учитель химии МАОУ «СОШ № 116» г. Перми

Открытый урок по физике для 10 класса.

Тема: «Электрические явления, как следствие химических процессов»

Тип урока: лабораторный практикум, проблемное обучение.

Цель урока: применение учащимися знаний по физике и химии в условиях лабораторного практикума.

Задачи урока:

Образовательные:

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

- повторить первый и второй законы Фарадея;

- экспериментально измерить и вычислить массу выделившейся меди на электродах;

- уметь решать экспериментальные задачи по исследованию законов электролиза;

Воспитательные:

- показать применение электролиза и значение его в жизни человека:

- 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 и химических явлений;

- воспитывать аккуратность, самостоятельность и старательность в работе;

- воспитывать взаимопомощь и взаимоконтроль при решении задач.

Развивающие:

- развивать системное и творческое мышление учащихся;

- развивать умения наблюдать, анализировать и обобщать знания о физических явлениях и химических процессах;

- формировать умения излагать мысли, планировать свою деятельность, анализировать результаты, полученные при эксперименте;

- развивать УУД, как результат метапредметности;

- развивать умение видеть связь между предметами.

- формировать умение пользоваться методами физической и химической науки для обоснования выводов по изучаемой теме и для решения задач.

Оборудование (ТСО):

- комплект на каждую группу (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);

- прибор для демонстрации электролитической диссоциации электролиза с инертными электродами;

- на столах учащихся: растворы сульфата меди (II), сульфата железа (II), железный гвоздь и медная проволока, раствор иодида калия;

- демонстрационный гальванометр, лимоны, 2 гвоздя, провода;

- компьютер, мультимедийный проектор, презентации учащихся.

Ход урока:

1. Организационный момент – 1 минута.

2. Актуализация знаний – 6 минут.

3. Обобщение материала различных предметов (физики и химии) – 34 минуты.

4. Подведение итогов – 4 минуты.

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. Пусть нашим девизом сегодня будут слова Бориса Пастернака: «Во всем нам хочется дойти до самой сути».( слова написаны на доске заранее)

-Сначала давайте посмотрим эксперимент (показывает один из учеников для всего класса, комментируя что он делает); (опыт № 1):

- взять лимон, картофель и грушу. Вставить в них в каждую медный и алюминиевый гвоздики и присоединить к гальванометру. (стрелка гальванометра должна отклониться).

Вопрос: Почему отклонилась стрелка гальванометра?

Ответ: В цепи возник электрический ток.

Вопрос: Почему он возник?

Ответ: Потому что в лимонах происходит химический процесс окисления (лимонный сок - это электролит), при этом на электродах возникает разность потенциалов, следовательно, в цепи возникает ток.

Вопрос: А могут ли фрукты и картофель быть альтернативным источником питания?

Ответ: (Учащиеся высказывают свое мнение)

Учитель, выслушав все мнения, обобщает ответы: конечно же, могут и уже есть попытки создания таких источников, например: ученые Великобритании придумали компьютер, работающий на 12 картофелинах (через 12 дней картофель надо менять), а на последнем конгрессе ученые представили батарейку, работающую на фруктовом соке (8мл сока хватает на час работы).

Из всего, что вы слышали и видели, давайте сформулируем тему урока (дети предлагают разные варианты). Учитель показывает тему урока на слайде: «Электрические явления, как следствие химических процессов».

Учитель химии: С какими понятиями в химии связано слово «электричество»?

Ответ: Электролиты, электролитическая диссоциация, электрохимический ряд напряжения металлов, электролиз….

Учитель химии: Расшифруйте термин «электролиз»

Ответ: - «электро» - электрический ток

- «лизис» - разложение

Учитель химии: Дословно, процессы, идущие под действием электрического тока. А может ли электрический ток возникнуть в ходе химической реакции?

Ответ: При образовании гальванического элемента.

Учитель химии: (опыт № 2)

На ваших столах склянки с растворами сульфата меди (II) и сульфата железа (II), железный гвоздь и медная проволока. Опустите гвоздь в раствор сульфата меди (II), а медную проволоку в раствор сульфата железа (II).

Записать химические уравнения процессов и объяснить наблюдаемое явление.

Ответ: Железо как более активный металл, чем медь, вытесняет медь из раствора ее соли, медь оседает на гвоздь в виде красного налета, раствор меняет окраску с голубого на зеленоватый.

В пробирке с сульфатом железа (II) и медью изменений не происходит, так как реакция не идет.

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

FeSO₄ + Cu ≠

Учитель химии:

Вывод: Металлы разной активности ведут себя по-разному. На разной активности металлов основано устройство гальванического элемента.

А сейчас еще один эксперимент. (опыт № 3).

На ваших столах самодельные устройства для проведения электролиза, состоящие из элементов питания, проводов и электродов из стержня карандаша (графит).

Задача: с помощью данного устройства проведите электролиз растворов сульфата меди (II) и иодида калия. Составьте уравнения химических процессов, объясните наблюдаемые явления.

Ответ: Уравнения реакций: 2CuSO₄ + 2H₂O = 2Cu + O₂ + 2H2SO₄

2KI + 2H₂O = 2KOH + H₂ + I₂

Учитель химии: Природа и сущность электричества уникальна. Уникальность заключается в процессах, которые идут благодаря электричеству или вызывают его образование. Одной из задач электрохимии являются изучение процессов, лежащих в основе коррозии, и разработка эффективных методов защиты металлов.

Вопрос: А в чем заключается отличие электрохимических реакций от химических?

В каком из случаев характерен беспорядок, хаотичность столкновений между реагирующими частицами, не направленность электронных переходов?

Ответ: (учащиеся дают ответы на поставленный вопрос, а учитель корректирует их).

Учитель физики: Обязательно нужно вспомнить, а кто же открыл закон электролиза?

Ответ: Это был Майкл Фарадей. (ответ может быть в любой форме)

Учитель физики: О нем нам немного расскажет…… (учитель вызывает ученика, который дома заранее готовил презентацию).

(Включается презентация 1 о Фарадее. В ней о том, какие открытия были сделаны в науке этим ученым).

Учитель физики: Фарадей сделал много открытий в области электрохимии, электромагнетизма, а также он качественно получил законы электролиза. Давайте вспомним ранее изученные законы электролиза.

Кто хотел бы пойти к доске и написать эти законы?

Ответ: (один из учеников выходит к доске и пишет законы электролиза на доске, при этом комментирует, то, что пишет, затем называет все физические величины, которые есть в формулах и их единицы измерения).

Первый закон Фарадея:

Масса вещества m, выделившегося на катоде прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит: m = k · I · t = k · q, где

m – масса вещества, кг

k – электрохимический эквивалент вещества, кг/Кл

I – сила тока, А

t – время, с

q – заряд, Кл

Второй закон Фарадея:

Электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны отношениям их молярных масс м к валентности n.

– объединенный закон Фарадея для электролиза:

- масса вещества, выделившегося при электролизе прямо пропорциональна молярной массе м вещества, силе тока I, времени t его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности n вещества.

Учитель физики: Фарадей открыл свои законы много лет назад, а ребята вашего класса попытались экспериментально определить массу выделившегося вещества при прохождении тока через электролит совсем недавно. И так, внимание на экран.

(ребята смотрят видеоролик, последний слайд комментирует один из учеников, делавших фильм)

Учитель физики: Вы посмотрели фильм, а сейчас сами попробуйте определить, от чего зависит процесс электролиза и масса выделившегося на электродах вещества?

Работаем в группах по 4-5 человек.

У вас на столе карточка-задание (приложение № 1). Перед экспериментом я предупреждаю вас о соблюдении техники безопасности:

- будьте аккуратны с растворами, не оборачивайтесь, чтобы не разлить;

- при работе с электроприборами собирайте цепь только при разомкнутом ключе, подключайте амперметр и вольтметр правильно, соблюдая полярность источника;

- после выполнения работы приведите в порядок свое рабочее место. Оформляйте экспериментальную задачу в рабочей тетради.

- Приступаем к выполнению эксперимента.

(ребята делают эксперимент и в конце подводя итог, говорят свои выводы, которые получились).

Учитель: (учитель контролирует выполнение экспериментальной задачи и после выступления ребят еще раз акцентирует их внимание на том от чего зависит процесс электролиза)

Учитель химии: Давайте поговорим о применении электролиза.

Вопрос: В каких отраслях промышленности, в нашей жизни используются химические реакции, связанные с электрическими явлениями?

Ответ: Металлургия – получение цветных и легких металлов, покрытие металлов – гальваностегия, гальванопластика …

(Дополнение – рафинирование меди, в борьбе с коррозией, синтезы органических веществ – лекарств, получение электролизом Al, создание диодов, датчиков, в медицине …)

Учитель химии: Перечислить все области применения электролиза практически невозможно, т.к. с каждым днем их становится все больше.

Вопрос: Какие вам известны покрытия металлов другими металлами? С какой целью их производят?

Ответ: (Никелирование, хромирование, оцинковка …).

Вопрос: А что понимают под термином «луженое железо», и где оно может использоваться?

Ответ: (Это железо, покрытое оловом. В консервной промышленности).

Вопрос: Назовите основной фактор производства цветных металлов?

Ответ: (дешевая электроэнергия).

Вопрос: Мы часто в жизни используем термин «рафинированные продукты».

А что понимают под словом «рафинирование» меди при электролизе? С какой целью этот процесс производят?

Ответ: рафинирование – это очистка, поэтому медь очищают от различных примесей

( На стол ставят черный ящик и звучит легенда)

Учитель химии: Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он принес чашу из блестящего как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому не известный металл он сумел получить из глинистой земли.

К сожалению, подарок стоил жизни мастеру, Тиберий приказал его казнить, а мастерскую разрушить, т. к. испугался, что новый металл обесценит серебро императорской сокровищницы.

Вопрос: Так какой же металл лежит в ящике? (учитель кладет в черный ящик алюминиевую ложку, а ребята отвечают из какого металла она сделана)

Учитель химии: На всемирной выставке в Париже в 1855г. Небольшой брусок из данного металла стоил дороже золота, сегодня это один из самых распространенных и недорогих металлов, который получают с помощью электролиза.

( Если останется время , то можно показать презентацию про применение электролиза. Презентацию делает кто то из ребят заранее)

Учитель химии: Казалось бы, что сегодня человечеству все ясно с электрическими явлениями. Сегодня на уроке мы попытались практически некоторые осуществить. Но, как оказалось, наш разговор сегодня не окончен. Еще многое предстоит узнать и изучить. Наука не стоит на месте, идет постоянное ее развитие. А все всегда начинается с вопроса, который может перерасти в гипотезу, затем – решение, при котором снова могут возникнуть вопросы!

Учитель физики:

Рефлексия:

- Скажите, дошли ли мы до самой сути сегодня на уроке?

- Что помогло, а что мешало достижению целей?

- Что еще осталось непонятным?

( учащиеся отвечают на поставленные вопросы)

- Эмоциональное настроение (нарисовать).

Задание на дом: Сделать презентацию по применению электролиза, повторить теорию, решить задачи с карточек по выбору. (приложение 2)

(задание можно разделить по предметам)

Приложение № 1

Экспериментальная задача № 1.

1. Электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса, включили последовательно с амперметром. Как изменится масса выделившейся меди в процессе электролиза, если раствор подогреть?

2. Как зависит сопротивление электролита от температуры? Сравните с металлами. (Оборудование: источник тока, раствор медного купороса, амперметр, электроды, проводники, ключ, сосуд с горячей водой.)

3. План работы:

• Изобразите схему электрической цепи.

• Соберите цепь по схеме и проделайте эксперимент.

• Запишите показания силы тока в начале эксперимента и в конце при завершении теплообмена.

• Сделайте вывод о сопротивлении электролита и массе выделившейся меди по показаниям силы тока.

Экспериментальная задача № 2.

1. Электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса, включили последовательно с амперметром. Как изменится масса выделившейся меди в процессе электролиза, если глубину погружения электродов уменьшить наполовину?

2. Как зависит сопротивление электролита от площади поверхности электрода? Сравните с металлами. (Оборудование: источник тока, раствор медного купороса, амперметр, электроды, проводники, ключ.)

3. План работы:

• Изобразите схему электрической цепи.

• Соберите цепь по схеме и проделайте эксперимент.

• Запишите показания силы тока в начале эксперимента и в конце эксперимента.

• Сделайте вывод о массе выделившейся меди по показаниям силы тока.

• Сделайте вывод о сопротивлении электролита.

Экспериментальная задача № 3.

1. Электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса, включили последовательно с амперметром. Как изменится масса выделившейся меди в процессе электролиза, если увеличить расстояние между электродами?

2. Как зависит сопротивление электролита от расстояния между электрода? Сравните с металлами. (Оборудование: источник тока, раствор медного купороса, амперметр, электроды, проводники, ключ.)

3. План работы:

• Изобразите схему электрической цепи.

• Соберите цепь по схеме и проделайте эксперимент.

• Запишите показания силы тока в начале эксперимента и в конце эксперимента.

• Сделайте вывод о массе выделившейся меди по показаниям силы тока.

• Сделайте вывод о сопротивлении электролита.

Экспериментальная задача № 4.

1. Электролитическую ванну, наполненную слабым раствором медного купороса, включили параллельно с электролитической ванной с концентрированным раствором, причем амперметры измеряют силу тока на каждой ванне отдельно. По показаниям силы тока сделайте вывод о массе выделившейся меди в каждой ванне?

(Оборудование: источник тока, слабый и концентрированный растворы медного купороса, 2 амперметра, электроды, проводники, ключ.)

1. План работы:

• Изобразите схему электрической цепи.

• Соберите цепь по схеме и проделайте эксперимент.

• Запишите показания силы тока в каждой ванне.

• Сделайте вывод о массе выделившейся меди по показаниям силы тока.

• Как зависит масса выделившейся меди от концентрации раствора?

Приложение № 2

1 уровень

Задачи химические.

на «4»

Вычислите массу вещества, выделившегося при электролизе раствора Na₂SO₄ на катоде, если на аноде выделилось 1,12 л газа при нормальных условиях.

На «5»

При электролизе раствора хлорида двухвалентного металла выделился газ на аноде объемом 560 мл (н.у.), а на катоде металл массой 1,6 г. Определите какой это металл.

2 уровень

Задачи физические.

на «4»

Амперметр, включенный в цепь с электролитической ванной, показал 0,2 А. Правильно ли показание амперметра, если на катоде за 25 мин выделилось 0,25г серебра? (электрохимический эквивалент серебра равен 1,118 мг/Кл)

На «5»

При электролизе раствора серной кислоты за 2,5 ч выделилось 0,45 г водорода. Определите сопротивление раствора, если мощность тока 32,5 Вт. (электрохимический эквивалент водорода равен 0,01 мг/Кл)

3 уровень

на «4»

1. Для серебрения ложек через раствор серебра в течение 5 ч пропускали ток 1,8А. Катодом служат 12 ложек, каждая из которых имеет площадь поверхности 50см². Какой толщины слой серебра отложится на ложках? Плотность серебра 10,5 г/см³. Электрохимический эквивалент серебра равен 1,118 мг/Кл.

2. При электролизе раствора MnSO₄ на аноде выделяется О₂ объемом 16,8 л при нормальных условиях. Определите массу Mn, которая выделится на катоде, если выход металла составляет 84%.

На «5»

1. В электролитической ванне с раствором сульфата цинка (ZnSO₄) сила тока изменяется по линейному закону I = 2 + 0,02t. Сколько цинка выделится на катоде за 5 мин после начала изменения силы тока? Электрохимический эквивалент цинка равен 0,34 мг/Кл.

2. При электролизе раствора CuSO₄ в растворе около анода образовалась кислота, на нейтрализацию которой затрачен раствор объемом 16 мл с массовой долей КОН 6% (плотность раствора = 1,05 г/мл). Определите массу меди, которая выделится на катоде.