Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Відкриття і подальший розвиток так званих гальванічних елементів, більш відомих як батарейки, має особливо велике значення для людей. Серед іншого, це дозволило уможливити мобільне живлення найрізноманітніших електричних пристроїв, що значною мірою формує наш сьогоднішній рівень життя.
Неметали, як і метали, також створюють різні тиски розчинів і, відповідно, різні потенціали, як тільки вони можуть утворювати окисно-відновні системи у відповідних розчинниках. Існує також різниця потенціалів між водневим і кисневим напівелементами, яка використовується, наприклад, у так званих паливних елементах для вироблення електроенергії.
Додаткова інформація для вчителів (1/8)
Попередні знання
Учні повинні мати досвід роботи з гальванічними елементами в теорії та на практиці.
Принцип
Неметали, як і метали, також створюють різні тиски розчинів і, відповідно, різні потенціали, як тільки вони можуть утворювати окисно-відновні системи у відповідних розчинниках.
Додаткова інформація для вчителів (2/8)
Мета навчання
Досі учні більш детально розглядали звичайні гальванічні елементи. У цьому експерименті учні дізнаються, що гальванічні елементи можуть бути виготовлені з неметалів.
Завдання
Учні повинні виготовити найпростіший стандартний водневий електрод, а також кисневий, хлорний, бромний та йодний напівелементи. Потім ці напівелементи потрібно з'єднати разом, щоб утворити гальванічний елемент, стандартні потенціали якого потрібно виміряти.
Додаткова інформація для вчителів (3/8)
Додаткова інформація (1/6)
Якщо, наприклад, стандартний водневий електрод підключити до напівелемента, в якому знаходиться окисно-відновна система
то можна виміряти електричну напругу постійного струму. Існує також різниця потенціалів між водневим і кисневим напівелементами, яка використовується, наприклад, у так званих паливних елементах для вироблення електроенергії.
Оскільки неможливо виготовити тверді електроди з неметалів, таких як кисень або хлор, для створення таких електродів використовують той самий метод, що і для водневих електродів. Необхідно просто покрити інший матеріал, наприклад, графітовий вуглець, відповідними неметалами. У наступних експериментах це робиться за допомогою електролізу (що передує вимірюванню потенціалів).
Додаткова інформація для вчителів (4/8)
Додаткова інформація (2/6)
Під час електролізу сірчаної кислоти на негативному полюсі утворюється водень унаслідок відновлення йонів водню або гідронію.
Цей водень покриває платиновий електрод тонким, невидимим, замкнутим шаром, практично створюючи спрощений водневий електрод. На позитивному полюсі молекули води окиснюються шляхом віднімання електронів з утворенням іонів гідронію та кисню.
Додаткова інформація для вчителів (5/8)
Додаткова інформація (3/6)
Тут кисень покриває вугільний електрод, так що створюється практично кисневий електрод. Після електролізу виходить гальванічний воднево-кисневий елемент, так званий паливний елемент. Якщо електроди цього елемента з'єднати за допомогою провідника так, щоб електричний струм міг протікати, то відбуваються наступні процеси:
Водневий електрод
Окислення водню, таким чином, знову створює іони водню або гідронію. Вивільнені електрони течуть по провіднику до іншого напівелемента. В результаті процесу окислення водневий напівелемент стає анодом. Він утворює негативний полюс у гальванічному елементі.
Додаткова інформація для вчителів (6/8)
Додаткова інформація (4/6)
Кисневий електрод
Іони гідронію та кисню відновлюються до води шляхом додавання електронів. Таким чином, кисневий електрод утворює катод.
Інтерпретація
На водневому електроді під час електролізу, а також під час виходу струму відбуваються ті самі процеси, що описані вище. На вугільному електроді елементів 3, 4 і 5 під час електролізу хлорид-, бромід- і йодид-іони окиснюються до відповідних галогенів.
Додаткова інформація для вчителів (7/8)
Додаткова інформація (5/6)
Деякі з галогенів розчиняються у воді, інші осідають на поверхні вугільного електрода і покривають його тонким шаром. Таким чином практично створюються хлорний, бромний і йодний електроди. На відміну від водневих електродів, вони формують вимірювані напруги. Під час подачі струму відбуваються процеси, зворотні електролізу. Галогени повертаються в іонний стан, поглинаючи електрони (= відновлення), і дифундують у розчин.
Між окисно-відновною системою:
Додаткова інформація для вчителів (8/8)
Додаткова інформація (6/6)
та окисно-відновними системами
+
також можна виміряти електричну напругу. Вона зменшується від хлору до йоду. Стандартні потенціали мають значення (довідкові табличні значення) 1,358 В, 1,065 В і 0,535 В у порядку, зазначеному вище.
Інструкції з техніки безпеки
- Використовуйте захисні окуляри та рукавички.
- Розчини броміду калію та хлориду калію концентрації c = 1,0 моль/л і розчини сірчаної кислоти концентрації c = 0,5 моль/л чинять подразнювальну дію.
- Розчини сульфату цинку концентрації c = 1,0 моль/л та сірчаної кислоти концентрації c = 0,5 моль/л чинять подразнювальну дію.
- Розчини йодиду калію з концентрацією c = 1,0 моль/л шкідливі при ковтанні, можлива підвищена чутливість при контакті зі шкірою.
- Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки.
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Експериментальна установка
Відкриття і подальший розвиток так званих гальванічних елементів, більш відомих як батарейки, має особливо велике значення для людей. Серед іншого, це дозволило уможливити мобільне живлення найрізноманітніших електричних пристроїв, що значною мірою формує наш сьогоднішній рівень життя.
Неметали, як і метали, також створюють різні тиски розчинів і, відповідно, різні потенціали, як тільки вони можуть утворювати окисно-відновні системи у відповідних розчинниках. Саме це буде розглядатися в цьому експерименті.
Завдання
Зробіть простий стандартний водневий електрод, а також кисневий, хлорний, бромний та йодний напівелементи.
З'єднайте ці напівелементи між собою, щоб утворити гальванічні елементи, стандартні потенціали яких потрібно виміряти.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 4 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 1 |
| 5 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 2 |
| 6 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 7 | Кришки для блоку з заглибленнями, 8 шт. | 37683-00 | 1 |
| 8 | Графітовий електрод, d=5, l=150, 6 шт. | 44510-00 | 1 |
| 9 | Платиновий електрод, короткий | 45207-00 | 1 |
| 10 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 4 |
| 11 | Пляшка-крапельниця, пластик, 50 мл | 33920-00 | 1 |
| 12 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
Підготовка необхідних розчинів
Підготовка необхідних розчинів
- Сірчана кислота (0,5 моль/л):Налийте 100 мл дистильованої води в мензурку. Додайте 13,8 мл 96 % сірчаної кислоти та доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин хлориду калію (1 моль/л):Додайте 37,3 г хлориду калію до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин броміду калію (1 моль/л):Додайте 59,5 г броміду калію до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин йодиду калію (1 моль/л): Додайте 83 г йодиду калію до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин нітрату калію (1 моль/л):Додайте 55,5 г нітрату калію до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
Підготовка
Наповніть вимірювальні комірки 1 і 2 сірчаною кислотою (c = 0,5 моль/л), комірку 3 - розчином хлориду калію, комірку 4 - розчином броміду калію і комірку 5 - розчином йодиду калію. Потім з'єднайте 5 заповнених вимірювальних комірок смужками фільтрувального паперу, змоченими в розчині нітрату калію, як струмові ключі, і накрийте всі комірки кришками. Помістіть платиновий електрод у комірку 1 і вугільний електрод у кожну з інших 4 комірок.
Підключіть платиновий електрод в комірці 1 до негативного полюса, а вугільний електрод в комірці 2 - до позитивного полюса джерела постійної напруги (батарея 4,5 В або трансформатор з випрямлячем), а потім електролізуйте сірчану кислоту між цими двома електродами протягом приблизно 3-5 хвилин.
Експериментальна установка
Виконання роботи (1/2)
Після закінчення цього часу від'єднайте з'єднання на джерелі напруги і швидко підключіть вимірювальний прилад ( діапазон вимірювання 2 В-) до гальванічного елемента. (Підключіть платиновий електрод до роз'єма заземлення вимірювального приладу, а вугільний електрод - до роз'єму для підключення напруги (позитивний полюс) мультиметра).
Зчитайте напругу, що з'явилася на дисплеї.
Виміряйте напругу між напівелементами
Виконання роботи (2/2)
Підключіть напівелемент 1 (= водневий електрод) до негативного полюса, а напівелемент 3 - до позитивного полюса джерела постійної напруги і знову проведіть електроліз протягом 3-5 хвилин при напрузі 4-5 В-.
Потім виміряйте напругу між цими двома напівелементами.
Зробіть те ж саме з напівелементами 4 і 5 (завжди спочатку проводьте електроліз проти водневого електрода протягом 3-5 хвилин, а потім вимірюйте напругу).
Виміряйте напругу між напівелементами
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання