ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Шпикалова Татьяна Николаевна, учитель физики, Прокопчук Людмила Георгиевна, учитель химии, МАОУ города Иркутска гимназия №2, Иркутская область

Предмет (направленность): интегрированный урок-презентация по физике и химии.

Возраст детей: 8 класс.

Место проведения: класс.

Естествознание так человечно, так правдиво, что я желаю удачи каждому, кто отдается ему…

В. Гете

Цель: систематизация знаний учащихся на межпредметной основе.

Задачи:

Образовательные:

• обобщить знания об источниках электрической энергии;

• рассмотреть устройство гальванического элемента, принцип его действия, чем гальванический элемент отличается от аккумулятора;

• обобщить знания об оксидах, кислотах и основаниях;

• рассмотреть какие вещества, какие химические процессы лежат в основе работы гальванического элемента, аккумулятора.

Воспитательные:

• показать учащимся единство законов природы, взаимосвязь физических и химических процессов.

Развивающие:

• развитие логического мышления путем сравнения, обобщения, анализа, систематизации;

• развитие познавательной активности и творческой деятельности.

Тип урока: обобщающее повторение.

Оборудование: ПК, интерактивная доска, электрофорная машина, соляная кислота, щелочь, универсальный индикатор, нашатырный спирт.

Ход урока.

Слайд 1. Вступительное слово учителя.

- Сегодня урок у нас необычный. Сегодня встретились две науки - физика и химия. Девизом нашего урока могут стать слова В. Гете: «Естествознание так человечно, так правдиво, что я желаю удачи каждому, кто отдается ему…»

Посмотрите демонстрационный опыт и постарайтесь определить тему нашего урока.

Демонстрация получения электрического разряда с помощью электрофорной машины.

- Что демонстрирует данный опыт? (Механическая энергия превращается в электрическую энергию).

Слайд 2

- Какой вид энергии превращается в электрическую энергию в опыте, изображенном на этом рисунке? (световая - в электрическую, внутренняя - в электрическую, химическая - в электрическую).

- Знания, полученные по теме «Электрические явления», позволяют объяснить, какие процессы происходят в электрофорной машине. Какие? (При трении тела электризуются, заряды по проводникам передаются шарикам. Пробой диэлектрика – электрический ток).

- Как устроены и действуют фотоэлемент и термоэлемент мы сможем объяснить в старших классах, а с работой гальванического элемента подробно познакомимся сегодня.

Слайд 3

- Какова тема нашего урока?

- «Химические источники электрической энергии»!

Задачи:

- Какой источник тока мы использовали в лабораторной работе? (батарею гальванических элементов). Первая задача – рассмотреть устройство гальванического элемента.

- Элементы выстроились в ряд, впереди бегут активные, а затем чуть-чуть пассивные, напоследок уж совсем – весьма малоактивные. Между ними космический скиталец, любитель кислорода, с которым воду он дает. Вторая задача - познакомиться с электрохимическим рядом напряжения металлов.

- Этот источник тока так же относится к гальваническим источникам тока. Без него не обходятся железнодорожные вагоны, машины, ИСЗ. Разобраться с принципом работы аккумуляторов - третья задача.

- Говорит универсальный индикатор:

« Ах, что же я поделаю с собой -

Ведь с ней я сине-голубой.

А с той, другой быть синим, я не смею:

И от смущения краснею».¹

Обобщение материала по теме «Щелочи и кислоты» - четвертая задача.

Демонстрация: изменение окраски индикатора в щелочной и кислой среде.

Слайд 4

- Об устройстве гальванического элемента послушайте сообщение (Выступление ученика).

В гальваническом элементе происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую энергию. Изображенный на рисунке элемент состоит из цинкового сосуда Ц, в который вставлен угольный стержень У. Стержень помещен в полотняный мешочек П, наполненный смесью оксида марганца(IV) с углем. В этом элементе используют густой клейстер К, приготовленный из муки на растворе нашатыря. Цинковый сосуд с содержимым помещен в картонную коробку и залит сверху слоем смолы С. При взаимодействии нашатыря с цинком от цинка отделяются положительные ионы. Цинк становится отрицательно заряженным, а угольный стержень – положительно заряженным. Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называют электродами, возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникает электрический ток. Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.⁷

Слайд 5

-Какие вещества обеспечивают работу гальванического элемента?

- Цинк (написать на доске знак данного химического элемента).

Это интересно!

Цинковые руды были известны людям с глубокой древности, во II в.н.э. греки уже умели выплавлять латунь - сплав цинка с медью. Есть основания полагать, что еще в XII веке в Индии существовало производство металлического цинка, но в Европе оно появилось намного позже. На экране: старинная гравюра, где показана добыча цинка в древнем Китае.

Многие соединения цинка являются люминофорами. Кристаллическим сульфидом цинка ZnS, способным светиться под действием электронного луча, покрывают экраны телевизоров, осциллографов и др. Три основных цвета на экране кинескопа телевизора зависят от соединений цинка: синий – ZnS∙Ag, зеленый - ZnSe∙Ag, красный -Zn₃(PO₄)₂⁹

-Уголь. Его химический знак - С (углерод). Углерод - основа всех живых организмов на Земле.

Слайд 6

- Нашатырь (хлорид аммония) Демонстрация опыта «Дым без огня» (соляная кислота + нашатырный спирт).¹

- Оксид марганца (IV). Написать формулу оксида. Ответить на вопросы: что такое оксиды, какие бывают оксиды? (Кислотные, основные). Признаки кислотных и основных оксидов.

Выполнить задание: дописать уравнения химических реакций.

Слайд 7

-Какие процессы происходят в гальваническом элементе?

Рисунок 1. (Пояснение учителя)

- На рисунке показан гальванический элемент с цинковым и медными электродами, опущенными соответственно в растворы сульфата цинка и сульфата меди (II). Название «гальванический» дано в честь итальянского профессора Л. Гальвани (1737-1798 гг.), который обнаружил, что мышцы лапки лягушки, подвешенные за нерв к железной решётке на медном крючке, сокращаются при соприкосновении с железной решёткой. Это открытие физиолога первым правильно объяснил другой итальянский ученый, физик А. Вольта (1745-1827 гг.). Вольта пришёл к выводу, что сокращение мышц вызывает электрический ток, образующийся в цепи, которая содержит электроды из двух разных по своей активности металлов – железа и меди. Исследования Вольты показали, что более эффективен как источник тока элемент с цинковым и медным электродами (типа показанного на рисунке). До изобретения динамо-машины гальванические элементы были единственными источниками электрического тока, использовавшимися в лабораториях. С их помощью, например, англичанин Г. Дэви впервые получил в свободном состоянии натрий, калий и другие активные металлы.⁵

Рисунок 2 (Пояснение учителя)

- Гальванический микроэлемент. Такой элемент «работает» на поверхности цинка, опущенного в раствор серной кислоты, если цинк содержит небольшую примесь меди. Чистый цинк реагирует с кислотой очень медленно (поэтому в снаряженном цинком аппарате Киппа водород почти не выделяется). Для ускорения реакции достаточно в кислоту добавить несколько капель раствора сульфата меди (II). Сначала ионы меди получают от нейтральных атомов цинка электроны. Нейтральные атомы меди переходят на поверхность цинка, образуют на ней мельчайшие участки металлической меди. На рисунке и показан один из таких участков (сильно увеличенный). Электроны, освобождающиеся при переходе ионов цинка с поверхности металлического цинка, поступают на медные участки. А ионы водорода подходят к этим участкам и разряжаются около поверхности меди. Цинковая поверхность остается все время свободной, и ионы цинка легко переходят в раствор. Наблюдается бурное выделение водорода.⁹

Русский химик, академик Петербургской академии наук Николай Николаевич Бекетов (основоположник физической химии) в 1863 году составил вытеснительный ряд металлов. В настоящее время этот ряд называется рядом стандартных электродных потенциалов.⁸

Слайд 8

- Давайте обобщим выше сказанное, решив две задачи. На рисунке изображены электроскопы – заряженный и незаряженный. Что произойдет, если шарики электроскопов соединить проводником? (потечет кратковременный ток).

- Сравните этот ток с током, полученным при соединении проводником полюсов гальванического элемента. Демонстрация работы гальванического элемента на компьютерной модели (ток постоянный).⁴ Вывод: за счет химических реакций течет постоянный ток, пока реакции идут.

Слайд 9

- В чем принципиальное отличие в работе гальванического элемента и аккумулятора? Ответ найдите в §32 учебника физики (аккумулятор может служить дольше гальванического элемента, так как его можно заряжать, пропуская постоянный ток).

- Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные.

Краткое обобщение и систематизация: что такое кислота, что такое щелочь, их классификация и примеры (беседа с учениками).

Слайд 10. Кислотные аккумуляторы.

Задание №1 (парная работа): используя карточку, подготовить краткий рассказ об истории кислот.

Карточка №1 «Из истории кислот».

Самой первой кислотой, которую научился получать и использовать человек, была уксусная кислота. Само слово «кислота» (по латыни acid), скорее всего, произошло от латинского названия уксуса «acetum».

С древнейших времен люди разводили виноград и запасали впрок виноградный сок, вино. Иногда вино скисало и превращалось в уксус. Вначале его выбрасывали, потом научились использовать как лекарство, приправу к пище, как растворитель красок.

С серной кислотой люди познакомились в X веке. Честь ее открытия приписывается персидскому химику Абубекеру-аль-Рези. В России ее называли «купоросное масло», так как получали из купоросов (ее солей).

Соляная и азотная кислота были выделены и определены химиками примерно в XIV веке. Соляную кислоту называли соляным спиртом, а азотную кислоту - селитряной водкой (по способу их получения). С середины XVII века химики стали получать соляную и азотные кислоты в больших количествах. Так как это делалось с помощью серной кислоты, ее стали называть почтительно «матерью всех кислот».²

Карточка №2. «Из истории кислот».

В конце XVII века член Парижской Академии наук В. Гомберг выделил борную кислоту в виде белого мелкокристаллического порошка. Так как в то время химики считали, что кислоты - жидкие вещества, борная кислота долгое время называлась «успокоительной солью Гомберга».

В середине XVIII века К. Шееле выделил сероводород, водный раствор которого оказался слабой сероводородной кислотой. Несколько позднее он получил плавиковую и мышьяковую кислоты. За три года до смерти К. Шееле синтезировал в чистом виде еще одну кислоту - синильную. И хотя это один из сильнейших ядов, он описал ее запах и даже пробовал на вкус (!). Конечно, такие «деяния» бесследно пройти не могли: К. Шееле умер очень рано, в возрасте всего 44 лет.

В XVIII веке Джозеф Пристли (английский химик и священник) получил угольную кислоту. Раствор углекислого газа в воде назвали содовой водой.²

Задание №2 (индивидуальная работа): на интерактивной доске найти соответствие «название - формула кислоты».

Уксусная кислота

Серная кислота

Соляная кислота H₂SO₄ CH₃COOH

Борная кислота HNO₃ H₂S HCN

Азотная кислота HBO₂

Сероводородная кислота HCl H₂CO₃

Синильная кислота

Угольная кислота

Вывод: в аккумуляторах используют серную кислоту как сильный электролит.

Слайд 11. Щелочные аккумуляторы.

Задание №3 (групповая работа): выписать из предложенного перечня веществ кислоты, щелочи, нерастворимые основания:

H₂B₄ O₇ H₂SO₄ KOH Fe(OH)₃ Zn(OH)₂ Ba(OH)₂ HNO₂ Cr(OH)₃ HF Al(OH)₃ CsOH NaOH HBr LiOH Cu(OH)₂

На интерактивной доске осуществить проверку правильности распределения веществ по классам.

Вывод: в аккумуляторах используют как электролит щелочь - гидроксид калия.

Слайд 12

Выводы:

1. Гальванический элемент можно использовать лишь один раз. Прошла реакция – он становиться негодным.

2. Аккумулятор можно зарядить снова. Для этого через него пропускают ток.

3.Элекртохимические реакции - это окислительно-восстановительные реакции.

Слайд 13. Заключительное слово учителя о единстве природы.

«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые»

Д. Хевеши

ПРИЛОЖЕНИЕ

I. Лист учета работы на уроке.

Ф.И. __________________

1. Задания по химии

а) закончите уравнения

б) выпишите заданные вещества и назовите их.

2. Задание по физике. Впишите в таблицу, какие виды энергии используются для получения электрического тока при работе аккумулятора, фотоэлемента, ТЭС, ГЭС, термоэлемента, солнечной электробатареи, гальванического элемента, ветроэлектрогенератора.⁶

Энергия

II. Рефлексия урока. Мои впечатления. Что и как запомнилось.

ХИЭЭ сточки зрения физики

Свою работу на уроке я оцениваю _____________

ЛИТЕРАТУРА И ССЫЛКИ

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ - ПРЕСС, 1999 - 560с.

2. Бочарова С.И. Занимательные материалы по химии. 8 класс. Волгоград: ИДТ «Корифей», 2006 - 96с.

3. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии, биологии. М: Просвещение,1986 - 173с.

4. Интерактивный курс. Физика 7-11 классы. М: ООО Физикон, 2005.

5. Крицман В.А., Станцо В.В. Энциклопедический словарь юного химика. М.: Педагогика, 1982.- 368с.

6. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике 7-9 класс. М.: Просвещение, 2008.- 142 с.

7. Перышкин А.В. Физика. 8кл. Учебник для общеобразовательных учебных учреждений. М.: Дрофа, 2008 - 75с.

8. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: неорганическая химия. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 2007 - 176с.

9. Энциклопедия школьника. Неорганическая химия. М.: Советская энциклопедия, 1975.- 371с.