Конспект уроку «Хімічні джерела електричного струму. Гальванічний елемент» з хімії для 11 класу
- Тип
- Конспект уроку
- Клас
- 11 клас
- Предмет
- Хімія
- Етапів
- 7
- Тривалість
- 45 хв
Файл для друку: хід уроку, завдання з відповідями, безпека.
- PDF для друку
- Нотатки для вчителя
- Тести класу за посиланням у кабінеті
- Свій PDF або Word стає інтерактивним уроком
Кабінет вчителя безкоштовний, картку не питаємо.
Усередині: повний конспект уроку на 45 хвилин із 7 етапами, проблемним питанням, історичною довідкою про Гальвані й Вольту, 3 активностями вивчення нового (текст підручника § 14, таблиця в парах, демонстрація лимонного гальванічного елемента), 4 завданнями закріплення з відповідями, диференціацією, домашнім завданням (базовим і за вибором) і 2 власними схемами. Матеріал підійде вчителю для проведення уроку за підручником Григоровича, а учневі для самостійного повторення теми перед тестом. Практично: роздрукуйте таблицю «Будова і робота гальванічного елемента» для пар, підготуйте лимон, дві пластини й вольтметр на демонстраційний стіл.
«Усе — отрута, усе — ліки; те й інше визначає доза» — Парацельс
Мета уроку
Знаннєві
- учень записує визначення гальванічного елемента і хімічних джерел струму
- учень називає анод і катод гальванічного елемента, а також три найпоширеніші різновиди ХДС: батарейки, паливні елементи, акумулятори
- учень називає історичні факти: роки винаходу вольтового стовпа (1800 рік), прізвища Гальвані і Вольти
Діяльнісні
- учень складає рівняння окиснення і відновлення на електродах для гальванічного елемента з двох заданих металів
- учень складає сумарне йонне рівняння реакції в гальванічному елементі
- учень порівнює активність металів за їхнім розташуванням у ряду активності і визначає полярність електродів
- учень пояснює принцип дії гальванічного елемента на прикладі елемента Якобі-Даниеля
Ціннісні
- учень оцінює небезпеку викидання відпрацьованих батарейок у довкілля (20 м² ґрунту, 400 л води від однієї батарейки)
- учень висловлює обґрунтовану думку щодо обов'язковості збирання і вторинної переробки гальванічних елементів
Проблемне питання уроку
Чому маленька батарейка, безпечна на дотик і потрібна в кожному годиннику, здатна забруднити 400 л води, і що робить хімічні джерела струму водночас корисними й небезпечними для людини?
Базові поняття і терміни
гальванічний елемент, хімічні джерела струму (ХДС), анод, катод, електрорушійна сила (ЕРС), акумулятор, паливний елемент.
Міжпредметні зв'язки
- Фізика — електричний струм як спрямований рух електронів, вольтметр і вимірювання напруги, ЕРС
- Основи здоров'я — вплив ртуті, кадмію та свинцю на організм людини, правила безпечного поводження з батарейками
- Екологія (географія) — забруднення ґрунту і водойм відпрацьованими гальванічними елементами, утилізація та вторинна переробка
Обладнання та реактиви
- два лимони (апельсини), цинкова й мідна пластини (стрижні або фольга), вольтметр
- виставка хімічних джерел струму: пальчикова батарейка (елемент Лекланше), ртутна «таблетка» від годинника, зразок літій-іонного акумулятора, світлина автомобільного акумулятора
- відеофрагмент про будову елемента Лекланше (у розрізі)
- підручник Григорович, § 14, с. 74–80
- роздаткові картки з таблицею «Будова і робота гальванічного елемента»
- ряд активності металів (настінна таблиця)
Демонстрації
Лимонний гальванічний елемент
вставляємо в лимон цинкову й мідну пластини і з'єднуємо їх із вольтметром: прилад показує напругу, отже фрукт із двома різними металами реально генерує струм
Виставка побутових хімічних джерел струму (батарейка Лекланше, ртутна батарейка, літій-іонний акумулятор)
учні бачать різні типи ХДС, читають маркування «Hg-Cd free» на етикетках
Відео будова елемента Лекланше в розрізі
учні бачать цинковий корпус-анод, пасту з MnO₂, амоній хлориду і графіту, графітовий стрижень-катод
Безпека
- Заборонено розкривати, нагрівати і спалювати батарейки та акумулятори: їхній електроліт є їдким, ртуть і кадмій дуже небезпечні для здоров'я
- Після демонстрації з лимонами фрукти їсти не можна, їх викидають у контейнер для відходів
- Стежте, щоб електроліт або розчини солей не потрапляли на шкіру, в очі і на одяг; у разі потрапляння змийте великою кількістю води
- Вольтметр підключаємо лише в межах шкали, не з'єднуємо «наскрізь» обидва вимірювальні дроти мокрими руками
Що відкриває безкоштовний кабінет
З PDF або Word в інтерактивний урокЗавантажте свій файл із завданнями, кабінет перетворить його на онлайн-тест з автоперевіркою.
Конструктор тестів за 5 хвилинСкладіть тест із власних запитань і видайте класу за посиланням.
Автоперевірка та журнал класуУчні проходять без реєстрації, результати й типові помилки класу в одному місці.
Матеріал на запит позачерговоПотрібна тема, якої немає на сайті? Замовте, зробимо для вас безкоштовно.Картку не питаємо, реєстрація за дві хвилини.
Структура уроку
- Організаційний момент — 1 хв
- Актуалізація — 5 хв
- Мотивація — 3 хв
- Вивчення нового — 21 хв
- Закріплення — 9 хв
- Рефлексія — 4 хв
- Домашнє завдання — 2 хв
Хід уроку
Організаційний момент — 1 хв
Учитель: Вітає клас, перевіряє готовність до уроку, повідомляє, що сьогодні клас розкриє «секрет» звичайної батарейки.
Учні: Вітаються, готують зошити, розсаджуються для роботи в парах.
Зміст етапу
«Доброго дня! Приберіть усе зайве з парт, відкрийте зошити. Сьогодні ми з'ясуємо, як маленька батарейка змушує працювати годинник і чому її так небезпечно викидати.»
Актуалізація — 5 хв
Учитель: Проводить мозковий штурм: п'ять коротких запитань до попередньої теми і опорних понять. Кожен учень письмово одним рядком у зошиті відповідає на всі запитання, після цього учитель фронтально збирає відповіді швидким опитуванням.
Учні: Самостійно письмово відповідають одним рядком на кожне запитання, потім звіряють і виправляють під час фронтальної перевірки.
Зміст етапу
Запитання мозкового штурму з очікуваними відповідями: 1) Окиснення — це віддавання електрона чи його приймання? (Віддавання електрона.) 2) Відновлення — це віддавання чи приймання електрона? (Приймання електрона.) 3) Який метал активніший: цинк чи мідь, і як це видно в ряду активності? (Цинк, він розташований лівіше за мідь.) 4) Які речовини називають електролітами? (Речовини, розчини чи розплави яких проводять електричний струм.) 5) Яку реакцію називають реакцією заміщення? (Реакцію, у якій проста речовина заміщує елемент у складній, наприклад активніший метал витісняє менш активний із розчину його солі.)
Мотивація — 3 хв
Учитель: Показує готову виставку побутових джерел струму: пальчикову батарейку (елемент Лекланше), ртутну «таблетку» від годинника, літій-іонний акумулятор від смартфона, світлину автомобільного акумулятора. Пропонує прочитати маркування «Hg-Cd free» на етикетці. Ставить проблемне питання уроку і фіксує його на дошці.
Учні: Розглядають об'єкти виставки, висловлюють припущення, чому безпечний на дотик предмет здатен забруднити воду, записують проблемне питання в зошит.
Зміст етапу
«Перед вами речі, які щодня у нас у кишенях і годинниках. Пригадайте епіграф Парацельса: усе — отрута, усе — ліки, те й інше визначає доза. Проблемне питання уроку: чому маленька батарейка, безпечна на дотик і потрібна в кожному годиннику, здатна забруднити 400 л води, і що робить хімічні джерела струму водночас корисними й небезпечними для людини? Дайте попередню відповідь, а в кінці уроку звіримо її з науковою.» Очікувані припущення: усередині батарейки є небезпечні метали (ртуть, кадмій, свинець), які вимиваються у ґрунт і воду.
Вивчення нового — 21 хв
Учитель: Проводить три активності. Активність 1 (7 хв): робота з текстом підручника. Пропонує прочитати першу частину § 14 (Григорович, с. 74, від початку параграфа до опису елемента Якобі-Даниеля) і показує Схему 1, розбирає рівняння електродних процесів. Активність 2 (7 хв): робота в парах з таблицею «Будова і робота гальванічного елемента», демонструє відео будови елемента Лекланше в розрізі, за потреби коригує. Наприкінці активності додає короткий блок про фізіологічну дію речовин ХДС (1–2 хв): ртуть, кадмій і свинець із гальванічних елементів отруйні, сполуки Меркурію вражають центральну нервову систему і по харчових ланцюгах потрапляють в організм людини, тому відпрацьовані елементи живлення обов'язково здають на переробку (за додатковим джерелом, Савчин, § 13). Активність 3 (7 хв): демонстрація лимонного гальванічного елемента з вольтметром, обговорення спостережень, далі разом з класом заповнює частину таблиці про різновиди ХДС і їхні ЕРС (с. 76–77).
Учні: Активність 1: читають текст, розглядають Схему 1, записують у зошити визначення гальванічного елемента, рівняння Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e⁻ і Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰, сумарне Zn⁰ + Cu²⁺ → Cu⁰ + Zn²⁺ та молекулярне Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu. Активність 2: у парах заповнюють таблицю (склад елемента Якобі-Даниеля, анод, катод, напрямок руху електронів, роль сольового містка, що спостерігається на електродах); записують у зошит висновок про токсичність ртуті, кадмію і свинцю та обов'язкову здачу батарейок у пункти збирання. Активність 3: спостерігають за показами вольтметра, відповідають на запитання для спостереження, виписують ЕРС різних ХДС (елемент Якобі-Даниеля близько 1,3 В, батарейки 1,5 В, свинцевий акумулятор близько 2 В, нікель-кадмієвий 1,36 В) та записують рівняння акумулятора (Схема 2).
Зміст етапу
Запитання до тексту (Активність 1): «Що називають гальванічним елементом і хімічними джерелами струму?» (Гальванічний елемент є пристроєм, який перетворює енергію хімічної реакції безпосередньо на електричну енергію; гальванічні елементи також називають хімічними джерелами струму, ХДС.) «У чому особливість перебігу окисно-відновної реакції в гальванічному елементі порівняно із звичайною реакцією заміщення?» (Електрони від відновника до окисника переносяться не безпосередньо між частинками, а зовнішнім електричним ланцюгом, тому вони можуть здійснювати електричну роботу.) «Чому електрони рухаються саме від цинку до міді?» (Цинк у ряду активності розташований лівіше, він активніший відновник і легше віддає електрони.) Фізіологічна дія (Активність 2, коротке повідомлення вчителя): ртуть і важкі метали (кадмій, свинець) токсичні, сполуки Меркурію вражають центральну нервову систему, особливо шкідливі вони вагітним і дітям; на сміттєвалищах батарейки руйнуються, і отруйні речовини вимиваються у ґрунт і водойми, звідки по харчових ланцюгах потрапляють в організм людини, тому відпрацьовані елементи живлення потрібно здавати на вторинну переробку. Запитання для спостереження під час демонстрації (Активність 3): «Що показує вольтметр, коли пластини не торкаються лимона?» (Нуль, струм не тече.) «Що змінилося після занурення пластин?» (Вольтметр показує напругу, отже виникла електрорушійна сила.) «Чи показники залежать від металу пластин і від фрукта? Як це пояснити?» (Так, ЕРС більша, коли метали в ряду активності далі один від одного.) Запитання до відео (Активність 2): «Що є анодом, а що катодом у елементі Лекланше?» (Цинковий корпус є анодом і позначається знаком мінус, графітовий стрижень у пасті з MnO₂, амоній хлориду і графіту є катодом.)
Закріплення — 9 хв
Учитель: Організовує виконання чотирьох завдань з розділу нижче: перші два фронтально, третє індивідуально в зошитах, четверте в парах з подальшою перевіркою. Стежить за часом, за потреби показує підказку слабшим учням.
Учні: Виконують завдання, взаємоперевіряють роботу в парах, виправляють помилки.
Рефлексія — 4 хв
Учитель: Пропонує письмово відповісти в зошиті одним абзацом на проблемне питання уроку, а потім усно провести прийом «Три речення»: кожен учень вимовляє одне речення з трьох рамок «Я дізнався…», «Мене здивувало…», «Я тепер буду…». Вислуховує кількох учнів, повертається до епіграфа Парацельса.
Учні: Письмово відповідають на проблемне питання, потім усно завершують речення-рамки.
Домашнє завдання — 2 хв
Учитель: Записує і коментує базове та вибіркове завдання, нагадує про безпеку під час виконання вибіркового досліду.
Учні: Записують домашнє завдання у щоденники, ставлять уточнювальні запитання.
Завдання для закріплення
У гальванічному елементі один електрод залізний, другий мідний. Визначте, який електрод є анодом, а який катодом, і який знак заряду має кожен.
Відповідь
Залізо в ряду активності стоїть лівіше за мідь, тому воно активніший відновник. Залізний електрод є анодом і має негативний заряд, мідний є катодом і має позитивний заряд.
Установіть відповідність між назвою джерела струму та його характеристикою: 1) елемент Лекланше; 2) кислотний свинцевий акумулятор; 3) паливний елемент; 4) нікель-кадмієвий акумулятор. А) реагенти потрапляють ззовні, паливо у запасному контейнері; Б) найпоширеніша побутова батарейка; В) ЕРС близько 1,36 В, використовується там, де критичні маса і розміри; Г) ЕРС зарядженого близько 2 В, електроди у 33%-му розчині сульфатної кислоти.
Відповідь
1-Б, 2-Г, 3-А, 4-В.
Опишіть роботу гальванічного елемента, що складається зі срібла та магнію і розчинів аргентум(I) нітрату та магній нітрату: напишіть рівняння процесів на аноді та катоді і сумарне йонне рівняння.
Відповідь
Магній активніший, тому магнієвий електрод є анодом: Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺ (окиснення). На срібному електроді (катоді) відновлюються йони срібла: 2Ag⁺ + 2e⁻ → 2Ag⁰. Сумарне йонне рівняння: Mg⁰ + 2Ag⁺ → Mg²⁺ + 2Ag⁰. ЕРС цього елемента більша за ЕРС елемента Якобі-Даниеля, бо магній і срібло в ряду активності розташовані далі один від одного, ніж цинк і мідь.
Учні досліджували три батарейки з позначками rechargeable, alkaline і heavy-duty в одній і тій самій іграшці, періодично вимірюючи ЕРС. Які батарейки слід обрати, щоб пристрій працював якнайдовше, і які «виснажаться» найшвидше? Поясніть.
Відповідь
Якнайдовше працює батарейка alkaline: її ЕРС знижується найповільніше, і вона залишається робочою найдовше (за графіком — до 6 год). Найшвидше «виснажується» heavy-duty: її ЕРС падає нижче 1 В уже приблизно за 1 год. Батарейка rechargeable тримає стабільну ЕРС близько 1,2–1,3 В майже 2 год, але потім швидко сідає.
Диференціація
Сильним: Складіть сумарне молекулярне рівняння реакції для гальванічного елемента, у якому на аноді відбувається Ni⁰ + 2OH⁻ − 2e⁻ → Ni(OH)₂, а на катоді Ni(OH)₃ + e⁻ → Ni(OH)₂ + OH⁻ (завдання 195 підручника), і поясніть, до якого типу ХДС цей елемент належить.
Підтримка: Опорна картка зі зразком на ІНШІЙ парі металів: «Приклад (алюміній і мідь): Al⁰ − 3e⁻ → Al³⁺ (анод, окиснення); Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰ (катод, відновлення); сумарно Al⁰ + Cu²⁺ → Al³⁺ + Cu⁰. Правило: активніший метал (лівіше в ряду активності) є анодом, електрони в зовнішньому колі рухаються від анода до катода». Зразок застосовуйте до завдання 3 із парою магній-срібло.
Домашнє завдання
Базове: Прочитати § 14 (с. 74–80), вивчити ключові терміни; виконати письмово завдання 191 і 192 з підручника (визначити особливості паливних елементів та електричних акумуляторів; охарактеризувати поширеність гальванічних елементів у побуті та техніці).
За вибором: Виконати міні-дослід «Лимонний гальванічний елемент» за описом підручника (завдання 199, с. 80): у розрізи лимона вставити цинкову і мідну пластини, з'єднати з вольтметром і записати покази; повторити з іншими пластинами або з апельсином. Пам'ятайте: після дослідів використані фрукти їсти не можна! Або міні-проєкт (завдання 197): проаналізувати написи на етикетках батарейок удома, пояснити, що означає «Hg-Cd free» і навіщо цю інформацію зазначають.
Рефлексія
Письмово, у зошиті: повна відповідь на проблемне питання уроку (чому батарейка водночас корисна і небезпечна) з використанням щонайменше трьох термінів: гальванічний елемент, анод, катод, акумулятор, ХДС. Усно: прийом «Три речення», кожен учень завершує одну рамку: «Я дізнався…», «Мене здивувало…», «Я тепер буду…».
Історична довідка
Італійський фізіолог і лікар Луїджі Гальвані (1737–1798) уперше виявив «тваринну електрику»: він описав скорочення м'язів задніх кінцівок жаби, закріплених на мідних гачках, у разі дотику до них сталевим скальпелем. Зацікавлений дослідом Гальвані Алессандро Вольта у 1800 році заявив про відкриття явища виникнення електричного струму й сконструював вольтів стовп, перший пристрій, що перетворював хімічну енергію безпосередньо на електричну. Цей пристрій Вольта назвав гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані, а на честь самого Вольти сьогодні називають одиницю різниці потенціалів — вольт.
Місце уроку в темі
Попередній урок: Гідроліз солей (§ 13): оборотний і необоротний гідроліз, кислотність розчинів солей, лабораторний дослід з визначення pH розчинів солей за індикаторами
Наступний урок: Загибель і захист металів від корозії, застосування електрохімічних уявлень (корозія як небажаний електрохімічний процес)
Часті запитання
Що називають гальванічним елементом?
Гальванічним елементом називають пристрій, який перетворює енергію хімічної реакції безпосередньо на електричну енергію. У ньому електрони від відновника до окисника переносяться не безпосередньо між частинками, а зовнішнім електричним ланцюгом, тому можуть здійснювати електричну роботу. Гальванічні елементи також називають хімічними джерелами струму (ХДС).
Який електрод є анодом, а який катодом у гальванічному елементі?
Анодом є електрод із більш активного металу, який стоїть лівіше в ряду активності: він окиснюється, віддає електрони і має негативний заряд. Катодом є електрод із менш активного металу: на ньому відновлюються йони металу з розчину і він має позитивний заряд. Наприклад, в елементі Якобі-Даниеля цинк є анодом, а мідь катодом.
Чому батарейки не можна викидати у смітник?
Відпрацьовані батарейки містять ртуть, кадмій, свинець та інші важкі метали, які на сміттєвалищах випаровуються або вимиваються. Вміст однієї батарейки забруднює майже 20 м² ґрунту або приблизно 400 л води, а сполуки Меркурію токсичніші за саму ртуть і по ланцюгах живлення потрапляють в організм людини. Батарейки потрібно здавати в пункти збирання для вторинної переробки.
Чим акумулятор відрізняється від звичайної батарейки?
Звичайна батарейка є джерелом одноразового користування: коли реагенти витрачаються, її ЕРС знижується і елемент стає непридатним. Акумулятор теж є гальванічним елементом, але під дією зовнішнього джерела струму окисно-відновна реакція в ньому перебігає у зворотному напрямку, і його можна відновити майже до первісного стану, тобто зарядити.
Що таке паливний елемент і чим він особливий?
Паливний елемент є різновидом гальванічного елемента, в якому відбувається реакція повного окиснення рідкого або газуватого палива (водню, метанолу тощо) киснем повітря. Його особливість у тому, що реагенти потрапляють ззовні: паливо зберігається в окремому контейнері, який можна взяти в запас. Паливні елементи розробляють для електромобілів, бо через електричну енергію хімічна енергія пального перетворюється на механічну ефективніше, ніж через теплову у двигуні внутрішнього згоряння.
Від чого залежить ЕРС гальванічного елемента?
ЕРС залежить від активності металів електродів: чим далі метали розташовані один від одного в ряду активності, тим більшу ЕРС матиме елемент. Стандартний елемент Якобі-Даниеля має ЕРС близько 1,3 В, звичайні батарейки близько 1,5 В, а більшість сучасних гальванічних елементів мають ЕРС у межах 0,8–2,1 В. Теоретично можливо досягти майже 6,5 В, але практично це поки що далека перспектива.
Джерела
- Григорович. Хімія, 11 клас, с. 73–80
- Савчин. Хімія, 11 клас, с. 63–66
Цей самий матеріал в інших форматах
Не знайшли потрібну тему?
Напишіть предмет, клас і тему. Зробимо матеріал для вас позачергово, безкоштовно, і повідомимо, коли він буде готовий.
Далі відкриється безкоштовна реєстрація кабінету вчителя, запит збережеться автоматично.
Створіть кабінет і проводьте тести з класом за посиланням
Перевірка автоматична, результати всього класу в одному місці, готові контрольні з 10 предметів, конструктор завдань і перетворення PDF або Word на інтерактивний урок. Потрібної теми немає? Зробимо на запит.
