Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Відкриття й подальший розвиток так званих гальванічних елементів, більш відомих як батареї, має велике значення для нашого нинішнього рівня життя. Вони уможливлюють мобільне живлення найрізноманітніших електроприладів.
Неметали, як і метали, теж розвивають різні тиски розчиненняі тим самим потенціали, коли утворюють у придатних розчинниках окисно-відновні системи. Різницю потенціалів між водневим і кисневим напівелементами технічно використовують, наприклад, у паливних елементах, щоб екологічно виробляти електрику.
Інша інформація для вчителя (1/10)
Інша інформація для вчителя (1/10)
Попередні знання
Учні мають були працювати з гальванічними елементами в теорії та на практиці.
Принцип
Неметали, так само як і метали, розвивають різні тиски розчинення й тим самим різні потенціали, щойно вони можуть утворити у відповідних розчинниках окисно-відновні системи.
Інша інформація для вчителя (2/10)
Навчальна мета
Досі учні докладніше розглядали звичайні гальванічні елементи. У цьому досліді учні дізнаються, що гальванічні елементи можна виготовити й з неметалів.
Завдання
Учні мають виготовити спрощений стандартний водневий електрод, а також кисневий, хлорний, бромний та йодний напівелементи. Ці напівелементи треба потім з'єднати в гальванічні елементи, стандартні потенціали яких слід виміряти.
Інша інформація для вчителя (3/10)
Якщо, наприклад, з'єднати стандартний водневий електрод із напівелементом, у якому міститься окисно-відновна система
то можна виміряти сталу електричну напругу. Між водневим і кисневим напівелементами також існує різниця потенціалів, яку використовують, наприклад, у так званих паливних елементах для вироблення електрики.
Оскільки з неметалів на кшталт кисню чи хлору не вдається виготовити тверді електроди, вдаються - як і у випадку водневого електрода - до перевіреного прийому: беруть провідний матеріал-носій, наприклад, графітове вугілля, і покривають його відповідним неметалом.
У наступних дослідах це покривання відбувається електролізом, який передує власне вимірюванням потенціалів.
Інша інформація для вчителя (4/10)
При електролізі сульфатної кислоти на мінус-полюсі (катоді) утворюється водень. При цьому йони оксонію відновлюються, приймаючи електрони:
Утворений водень формує тонкий, невидимий і здебільшого суцільний шар на поверхні платинового електрода. Так практично утворюється спрощений водневий електрод.
На плюс-полюсі (аноді) молекули води окиснюються, віддаючи електрони. При цьому утворюються кисень і знову йони оксонію:
Інша інформація для вчителя (5/10)
Кисень, що утворюється під час електролізу, вкриває вугільний електрод тонким шаром, так що той стає кисневим електродом. Після завершення електролізу маємо, отже, гальванічний водень-кисневий елемент - тобто простий паливний елемент.
Якщо з'єднати обидва електроди цього елемента дротом так, щоб міг протікати електричний струм, відбуваються такі процеси:
Водневий електрод (анод)
Внаслідок окиснення водню знову утворюються йони гідроксонію. Вивільнені при цьому електрони течуть зовнішнім колом до кисневого електрода. Через відтік електронів водневий напівелемент є анодом і утворює в гальванічному елементі мінус-полюс.
Інша інформація для вчителя (6/10)
Кисневий електрод (катод)
Кисень і йони оксонію відновлюються до води, приймаючи електрони. Кисневий електрод діє тим самим як катод гальванічного елемента.
Тлумачення
На водневому електроді і під час електролізу, і при віддаванні струму відбуваються ті самі реакції, що їх описано вище.
А на вугільному електроді елементів 3, 4 і 5 при електролізі відповідно хлорид-, бромід- або йодид-йони окиснюються, віддаючи електрони, до відповідних галогенів.
Інша інформація для вчителя (7/10)
При електролізі, наприклад, розчину калій йодиду йодид-йони окиснюються на вугільному електроді:
Утворений йод частково осідає на електроді або розчиняється у воді. У такий спосіб утворюється йодний електрод.
Якщо з'єднати його з водневим електродом, утворюється гальванічний елемент. Під час віддавання струму йод знову відновлюється:
Напруга, що виникає при цьому, зумовлена різницею потенціалів між галогенним електродом і водневим електродом.
Інша інформація для вчителя (8/10)
Стандартні потенціали галогенів становлять:
Вони спадають від хлору до йоду. Ці відмінності виявляються у виміряній напрузі відносно водневого електрода.
Інша інформація для вчителя (9/10)
Розчини можна приготувати на всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин калій хлориду :Додай калій хлориду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
- Розчин калій броміду :Додай калій броміду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
Необов'язкове приготування сульфатної кислоти :Налий у хімічний стакан дистильованої води. Піпеткою додай 96%-ї сульфатної кислоти й долий дистильованою водою до .
За такого обсягу приготування можна взяти хімічний стакан на . Ви знайдете його в інтернет-крамниці PHYWE.
Інша інформація для вчителя (10/10)
Розчини можна приготувати на всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин калій йодиду : Додай калій йодиду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
- Розчин калій нітрату :Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
За такого обсягу приготування можна взяти хімічний стакан на . Ви знайдете його в інтернет-крамниці PHYWE.
Правила безпеки
- На цей дослід поширюються загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук. Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідного реактиву.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні особи мають носити захисні окуляри!
- Розчини калій броміду й калій хлориду з концентрацією , а також розчини сульфатної кислоти з концентрацією чинять подразнювальну дію.
- Розчини калій йодиду з концентрацією шкідливі для здоров'я при ковтанні, причому можлива сенсибілізація при контакті зі шкірою.
- Обережно: під час електролізу утворюються невеликі кількості галогенів у молекулярній формі. Вони мають здебільшого розчинитися у воді, проте задля безпеки можна працювати у витяжній шафі чи в добре провітрюваному місці!
Інформація для учнів
Мотивація
Схема досліду
Відкриття гальванічних елементів, тобто батарей, було важливим кроком для сучасної техніки. Вони уможливлюють мобільне живлення багатьох приладів, без яких сьогодні наше повсякдення годі уявити.
У цьому досліді йдеться про те, як і неметали, подібно до металів, можуть утворювати різні електричні потенціали. Ви досліджуєте, як із цього можна будувати гальванічні елементи з неметалів, і знайомитесь так із ще одним важливим принципом хімічного перетворення енергії.
Завдання
Як неметали розташовуються в ряді напруг?
Виготов спрощений стандартний водневий електрод.
Виготов кисневий, хлорний, бромний і йодний напівелементи.
Збери з цих напівелементів гальванічні елементи.
Виміряй стандартні потенціали утворених гальванічних елементів.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense Voltage - Датчик для вимірювання електричної напруги ± 30 В (Bluetooth + USB) | 12901-02 | 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 | Крапельниця, пластик, 50 мл | 33920-00 | 1 |
| 12 | Плоска батарея, 4,5 В, 3R 12 DIN 40869 | 07496-01 | 1 |
| 13 | Калій хлористий, 250 г | 30098-25 | 1 |
| 14 | Калій бромід, 100 г | 30258-10 | 1 |
| 15 | Калій йодид, 100 г | 30104-10 | 1 |
| 16 | Калій нітрат, 100 г | CHE-881204931 | 1 |
| 17 | Вода демінералізована, чиста, 10000 мл | CHE-882041145 | 1 |
| 18 | Сірчана кислота, 0,5 моль, 1000 мл | 48462-70 | 1 |
| 19 | Хроматографічний папір, 100 смужок | 32972-00 | 1 |
| 20 | Захисні окуляри, прозорі | 39316-00 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Матеріал | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Пінцет | 64610-01 | 1 |
Складання (1/5)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/5)
Приготування потрібних розчинів:
- Розчин калій хлориду : Додай калій хлориду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
- Розчин калій броміду : Додай калій броміду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
Необов'язкове приготування сульфатної кислоти :Налий у хімічний стакан дистильованої води. Піпеткою додай 96%-ї сульфатної кислоти й долий дистильованою водою до .
Складання (3/5)
Приготування потрібних розчинів:
- Розчин калій йодиду : Додай калій йодиду до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
- Розчин калій нітрату : Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і долий дистильованою водою до .
Складання (4/5)
Змочи по черзі чотири сольові містки (три короткі, один довгий) за допомогою пінцета в розчині калій нітрату й розмісти їх як містки між шістьма вимірювальними комірками у блоці вимірювальних комірок (див. рисунок).
Складання (5/5)
Наповни вимірювальні комірки 1 і 2 сульфатною кислотою , комірку 3 - розчином калій хлориду, комірку 4 - розчином калій броміду, а комірку 5 - розчином калій йодиду (див. рисунок).
Постав на кожну вимірювальну комірку кришку.
Виконання (1/4)
- Запусти measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на датчику кнопку «Пуск» приблизно на 3 секунди.
- Приєднай датчик, торкнувшись поряд з описом датчика в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (2/4)
1. Встав платиновий електрод у вимірювальну комірку 1, а вугільний електрод - у вимірювальну комірку 2.
2. Візьми два кабелі й закріпи на обох кінцях по затискачу «крокодил».
Далі зважай на полярність!
Платиновий електрод у комірці 1 - це мінус-полюс (синій), вугільний електрод у комірці 2 - плюс-полюс (червоний). Стеж за тим, щоб кольори було правильно зіставлено: синій (мінус-полюс) завжди до синього/чорного, червоний (плюс-полюс) завжди до червоного.
3. З'єднай один кінець кабелів з електродами, а другий кінець - із джерелом сталої напруги (батарея 4,5 В)
Виконання (3/4)
Піддай сульфатну кислоту між обома електродами електролізу протягом приблизно 3–5 хвилин.
Після цього від'єднай з'єднання від джерела напруги і швидко приєднай Cobra SMARTsense Voltage до гальванічного елемента.
Платиновий електрод при цьому з'єднати з мінус-полюсом (синім), а вугільний електрод - із плюс-полюсом (червоним)!
Зчитай показану напругу. Запиши свої спостереження: чи утворюються під час електролізу газові бульбашки?
Виконання (4/4)
Приєднай водневий електрод (напівелемент 1) до мінус-полюса, а напівелемент 3 - до плюс-полюса джерела сталої напруги і виконуй електроліз 3–5 хвилин.
Після цього від'єднай джерело напруги і виміряй знову напругу між напівелементами 1 і 3.
Повтори це з напівелементами 4 і 5: щоразу спершу електроліз, потім вимірювання напруги відносно водневого електрода.
Запиши свої спостереження: чи утворюються під час електролізу газові бульбашки? Як змінюються напруги між різними дослідами?
1
3
5
2
4
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання