Александрова М.А.Электролиз растворов и расплавов солей (2 ч) Занятия элективного курса «Электрохимия»

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)

Электролиз растворов
и расплавов солей (2 ч)
Занятия элективного курса «Электрохимия»

Цели первого урока: научить писать схемы электролиза растворов и расплавов солей и применять полученные знания для решения расчетных задач; продолжить формирование навыков работы с учебником, тестовыми материалами; обсудить применение электролиза в народном хозяйстве.

П л а н  п е р в о г о  у р о к а

1. Повторение изученных способов получения металлов.

2. Объяснение нового материала.

3. Решение задач из учебника Г.Е.Рудзитиса, Ф.Г.Фельдмана «Химия-9» (М.: Просвещение, 2002), с. 120, № 1, 2.

4. Проверка усвоения знаний на тестовых заданиях.

5. Сообщение о применении электролиза.

Цели первого урока: научить писать схемы электролиза растворов и расплавов солей и применять полученные знания для решения расчетных задач; продолжить формирование навыков работы с учебником, тестовыми материалами; обсудить применение электролиза в народном хозяйстве.

ХОД ПЕРВОГО УРОКА

Повторение изученных способов получения металлов на примере получения меди из оксида меди(II).

Запись уравнений соответствующих реакций:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Еще один способ получения металлов из растворов и расплавов их солей – электрохимический, или электролиз.

Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита.

Электролиз расплава хлорида натрия:

NaCl →  Na⁺ + Cl^–;

катод (–) (Na⁺): Na⁺ + е = Na⁰,

анод (–) (Cl^–): Cl^– – е = Cl⁰, 2Cl⁰ = Cl₂;

2NaCl = 2Na + Cl₂.

Электролиз раствора хлорида натрия:

NaCl→   Na⁺ + Cl^–,

H₂O →  Н⁺ + ОН^–;

катод (–) (Na⁺; Н⁺): H⁺ + е = H⁰, 2H⁰ = H₂

(2H₂O + 2е = H₂ + 2OH^–),

анод (+) (Cl^–; OН^–): Cl^– – е = Cl⁰, 2Cl⁰ = Cl₂;

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + Cl₂ + H₂.

Электролиз раствора нитрата меди(II):

Cu(NO₃)₂→   Cu²⁺ + 2NO₃^-

Н₂O→   H⁺ + OH^–;

катод (–) (Cu²⁺; Н⁺): Cu²⁺ + 2е = Cu⁰,

анод (+) ( OН^–): OH^– – е = OH⁰,

4H⁰ = O₂ + 2H₂O;

2Cu(NO₃)₂ + 2H₂O = 2Cu + O₂ + 4HNO₃.

Эти три примера показывают, почему электролиз проводить выгоднее, чем осуществлять другие способы получения металлов: получаются металлы, гидроксиды, кислоты, газы.

Мы писали схемы электролиза, а теперь попробуем написать сразу уравнения электролиза, не обращаясь к схемам, а только используя шкалу активности ионов:



Примеры уравнений электролиза:

2HgSO₄ + 2H₂O = 2Hg + O₂ + 2H₂SO₄;

Na₂SO₄ + 2H₂O = Na₂SO₄ + 2H₂ + O₂;

2LiCl + 2H₂O = 2LiOH + H₂ + Cl₂.

Решение задач из учебника Г.Е.Рудзитиса и Ф.Г.Фельдмана (9-й класс, с. 120, № 1, 2).

Задача 1. При электролизе раствора хлорида меди(II) масса катода увеличилась на 8 г. Какой газ выделился, какова его масса?

Решение

CuCl₂ + H₂O = Cu + Cl₂ + H₂O,

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](Cu) = 8/64 = 0,125 моль,

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](Cu) = [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](Сl₂) = 0,125 моль,

m(Cl₂) = 0,125•71 = 8,875 г.

Ответ. Газ – хлор массой 8,875 г.

Задача 2. При электролизе водного раствора нитрата серебра выделилось 5,6 л газа. Сколько граммов металла отложилось на катоде?

Решение

4AgNO₃ + 2H₂O = 4Ag + O₂ + 4HNO₃,

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](O₂) = 5,6/22,4 = 0,25 моль,

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](Ag) = 4[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение](O₂) = 4•25 = 1 моль,

m(Ag) = 1•107 = 107 г.

Ответ. 107 г серебра.

Тестирование

Вариант 1

1. При электролизе раствора гидроксида калия на катоде выделяется:

а) водород; б) кислород; в) калий.

2. При электролизе раствора сульфата меди(II) в растворе образуется:

а) гидроксид меди(II);

б) серная кислота;

в) вода.

3. При электролизе раствора хлорида бария на аноде выделяется:

а) водород; б) хлор; в) кислород.

4. При электролизе расплава хлорида алюминия на катоде выделяется:

а) алюминий; б) хлор;

в) электролиз невозможен.

5. Электролиз раствора нитрата серебра протекает по следующей схеме:

а) AgNO₃ + H₂O →  Ag + Н₂ + HNO₃;

б) AgNO₃ + H₂O→   Ag + О₂ + HNO₃;

в) AgNO₃ + H₂O →  AgNO₃ + Н₂ + О₂.

Вариант 2

1. При электролизе раствора гидроксида натрия на аноде выделяется:

а) натрий; б) кислород; в) водород.

2. При электролизе раствора сульфида натрия в растворе образуется:

а) сероводородная кислота;

б) гидроксид натрия;

в) вода.

3. При электролизе расплава хлорида ртути(II) на катоде выделяется:

а) ртуть; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4. При электролизе раствора нитрата серебра на катоде выделяется:

а) серебро; б) водород; в) кислород.

5. Электролиз раствора нитрата ртути(II) протекает по следующей схеме:

а) Hg(NO₃)₂ + H₂O →  Hg + Н₂ + HNO₃;

б) Hg(NO₃)₂ + H₂O →  Hg + О₂ + HNO₃;

в) Hg(NO₃)₂ + H₂O  → Hg(NO₃)₂ + Н₂ + О₂.

Вариант 3

1. При электролизе раствора нитрата меди(II) на катоде выделяется:

а) медь; б) кислород; в) водород.

2. При электролизе раствора бромида лития в растворе образуется:

а) вода;

б) бромоводородная кислота;

в) гидроксид лития.

3. При электролизе расплава хлорида серебра на катоде выделяется:

а) серебро; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4. При электролизе раствора хлорида алюминия алюминий выделяется на:

а) катоде; б) аноде; в) остается в растворе.

5. Электролиз раствора бромида бария протекает по следующей схеме:

а) BaBr₂ + H₂O →  Br₂ + Н₂ + Ba(OH)₂;

б) BaBr₂ + H₂O →  Br₂ + Ba + H₂O;

в) BaBr₂ + H₂O →  Br₂ + О₂ + Ba(OH)₂.

Вариант 4

1. При электролизе раствора гидроксида бария на аноде выделяется:

а) водород; б) кислород; в) барий.

2. При электролизе раствора йодида калия в растворе образуется:

а) йодоводородная кислота;

б) вода; в) гидроксид калия.

3. При электролизе расплава хлорида свинца(II) на катоде выделяется:

а) свинец; б) хлор; в) электролиз невозможен.

4. При электролизе раствора нитрата серебра на катоде выделяется:

а) серебро; б) водород; в) кислород.

5. Электролиз раствора сульфида натрия протекает по следующей схеме:

а) Na₂S + H₂O →  S + Н₂ + NaOH;

б) Na₂S + H₂O →  Н₂ + O₂ + Na₂S;

в) Na₂S + H₂O →  Н₂ + Na₂S + NaOH.

Ответы:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Применение электролиза в народном хозяйстве

1. Для защиты металлических изделий от коррозии на их поверхность наносят тончайший слой другого металла: хрома, серебра, золота, никеля и т.д. Иногда, чтобы не расходовать дорогие металлы, производят многослойное покрытие. Например, внешние детали автомобиля сначала покрывают тонким слоем меди, на медь наносят тонкий слой никеля, а на него – слой хрома.

При нанесении покрытий на металл электролизом они получаются ровными по толщине, прочными. Таким способом можно покрывать изделия любой формы. Эту отрасль прикладной электрохимии называют гальваностегией.

2. Кроме защиты от коррозии гальванические покрытия придают красивый декоративный вид изделиям.

3. Другая отрасль электрохимии, близкая по принципу к гальваностегии, названа гальванопластикой. Это процесс получения точных копий различных предметов. Для этого предмет покрывают воском и получают матрицу. Все углубления копируемого предмета на матрице будут выпуклостями. Поверхность восковой матрицы покрывают тонким слоем графита, делая ее проводящей электрический ток.

Полученный графитовый электрод опускают в ванну с раствором сульфата меди. Анодом служит медь. При электролизе медный анод растворяется, а на графитовом катоде осаждается медь. Таким образом получается точная медная копия.

С помощью гальванопластики изготавливают клише для печати, грампластинки, металлизируют различные предметы. Гальванопластика открыта русским ученым Б.С.Якоби (1838).

Изготовление штампов для грампластинок включает нанесение тончайшего серебряного покрытия на пластмассовую пластинку, чтобы она стала электропроводной. Затем на пластинку наносят электролитическое никелевое покрытие.

Чем следует сделать пластинку в электролитической ванне – анодом или катодом?

(О т в е т. Катодом.)

4. Электролиз используют для получения многих металлов: щелочных, щелочно-земельных, алюминия, лантаноидов и др.

5. Для очистки некоторых металлов от примесей металл с примесями подключают к аноду. Металл растворяется в процессе электролиза и выделяется на металлическом катоде, а примесь остается в растворе.

6. Электролиз находит широкое применение для получения сложных веществ (щелочей, кислородсодержащих кислот), галогенов.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Схема электролиза воды

Практическая работа
(второй урок)

Цели урока. Провести электролиз воды, показать гальваностегию на практике, закрепить знания, полученные на первом уроке.

Оборудование. На столах учащихся: плоская батарейка, два провода с клеммами, два графитовых электрода, химический стакан, пробирки, штатив с двумя лапками, 3%-й раствор сульфата натрия, спиртовка, спички, лучина.

На столе учителя: то же + раствор медного купороса, латунный ключ, медная трубка (кусок меди).

Инструктаж учащихся

1. Прикрепить провода клеммами к электродам.

2. Электроды поставить в стакан, чтобы они не соприкасались.

3. Налить в стакан раствор электролита (сульфата натрия).

4. В пробирки налить воды и, опустив их в стакан с электролитом кверху дном, надеть их на графитовые электроды поочередно, закрепив верхний край пробирки в лапке штатива.

5. После того как прибор будет смонтирован, концы проводов прикрепить к батарейке.

6. Наблюдать выделение пузырьков газов: на аноде их выделяется меньше, чем на катоде. После того как в одной пробирке почти вся вода вытеснится выделяющимся газом, а в другой – наполовину, отсоединить провода от батарейки.

7. Зажечь спиртовку, осторожно снять пробирку, где вода почти полностью вытеснилась, и поднести к спиртовке – раздастся характерный хлопок газа.

8. Зажечь лучину. Снять вторую пробирку, проверить тлеющей лучиной газ.

Задания для учащихся

1. Зарисовать прибор.

2. Написать уравнение электролиза воды и пояснить, почему надо было проводить электролиз в растворе сульфата натрия.

3. Написать уравнения реакций, отражающие выделение газов на электродах.

Учительский демонстрационный эксперимент
(могут выполнять лучшие ученики класса
при наличии соответствующего оборудования)

1. Подсоединить клеммы проводов к медной трубке и латунному ключу.

2. Опустить трубку и ключ в стакан с раствором сульфата меди(II).

3. Подсоединить вторые концы проводов к батарейке: «минус» батарейки к медной трубке, «плюс» к ключу!

4. Наблюдать выделение меди на поверхности ключа.

5. После выполнения эксперимента вначале отсоединить клеммы от батарейки, затем вынуть ключ из раствора.

6. Разобрать схему электролиза с растворимым электродом:

CuSО4 = Сu2+ +

анод (+): Сu0 – 2e = Cu2+,

катод (–): Cu2+ + 2e = Сu0.

Суммарное уравнение электролиза с растворимым анодом написать нельзя.

Электролиз проводился в растворе сульфата меди(II), поскольку:

а) нужен раствор электролита, чтобы протекал электрический ток, т.к. вода является слабым электролитом;

б) не будут выделяться какие-либо побочные продукты реакций, а только медь на катоде.

7. Для закрепления пройденного написать схему электролиза хлорида цинка с угольными электродами:

ZnCl₂ = Zn²⁺ + 2Cl^–,

катод (–): Zn²⁺ + 2e = Zn⁰,

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–,

анод (+): 2Cl^– – 2e = Cl₂.

Суммарное уравнение реакции в данном случае написать нельзя, т.к. неизвестно, какая часть общего количества электричества идет на восстановление воды, а какая – на восстановление ионов цинка.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Схема демонстрационного эксперимента


Домашнее задание

1. Написать уравнение электролиза раствора, содержащего смесь нитрата меди(II) и нитрата серебра, с инертными электродами.

2. Написать уравнение электролиза раствора гидроксида натрия.

3. Чтобы очистить медную монету, ее надо подвесить на медной проволоке, присоединенной к отрицательному полюсу батареи, и опустить в 2,5%-й раствор NаОН, куда следует погрузить также графитовый электрод, присоединенный к положительному полюсу батареи. Объясните, каким образом монета становится чистой. (Ответ. На катоде идет восстановление ионов водорода:

2Н⁺ + 2е = Н₂.

Водород вступает в реакцию с оксидом меди, находящимся на поверхности монеты:

СuО + Н₂ = Сu + Н₂О.

Этот способ лучше, чем чистка порошком, т.к. не стирается монета.)