Презентація «Хімічні джерела електричного струму. Гальванічний елемент» з хімії для 11 класу

Привітайте клас і скажіть, що сьогодні розберемо, як хімічна реакція вмикає пульт від телевізора. Нагадайте, що окиснення є віддаванням електрона, а відновлення його прийманням, це знадобиться за дві хвилини. Слайд тримаєте на екрані, доки клас формулює тему за загадкою.

Озвучуйте підказки по одній і дайте класу висловити версії після кожної. Відповідь: хімічні джерела струму, зокрема гальванічний елемент, якого ми знаємо як батарейку. 1800 року Александр Вольта презентував вольтів стовп і назвав його гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані. Типова помилка: учні кажуть «акумулятор», уточніть, що акумулятор є лише одним із різновидів, про які поговоримо далі.

Розкажіть історію: італійський фізіолог Луїджі Гальвані спостерігав скорочення м'язів задніх кінцівок жаби, закріплених на мідних гачках, під час дотику до них сталевим скальпелем, він назвав це «тваринною електрикою». Фізик і хімік Алессандро Вольта зацікавився дослідом і 1800 року сконструював пристрій із мідної та цинкової пластин із просоченою кислотою тканиною між ними, вольтів стовп. Елемент удосконалювали англійський хімік Даниель і незалежно від нього фізик-винахідник Якобі. На честь Вольта названо одиницю напруги, вольт. Факти за додатковим джерелом (Савчин, с. 63).

Проговоріть, що саме учень має вміти після уроку, і що ці вміння перевірятимуться міні-тестом і домашнім завданням. Наголосіть на четвертому пункті, оскільки порівняння джерел за ЕРС і призначенням буде на окремому слайді. Це орієнтир, до якого варто повертатися в кінці уроку на етапі підсумку.

Ключова думка слайда: електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо, а зовнішнім електричним ланцюгом, і саме завдяки цьому виконують роботу. Підкресліть, що в звичайній пробірці та сама реакція лише гріє розчин, а в гальванічному елементі вона дає струм. Типова помилка: учні думають, що електрика «береться нізвідки», зверніть увагу, джерелом є енергія окисно-відновної реакції.

Покажіть на схемі кожну деталь і назвіть її: анод, катод, електроліти, сольовий місток. Поясніть роль містка, він замикає електричне коло всередині елемента. Типова помилка: учні плутають, у який резервуар занурений який електрод, підкресліть, що цинк стоїть у розчині своєї солі, мідь у своїй.

Поясніть, чому рівновага на цинковому електроді зміщується в бік йонів Zn²⁺, на ньому виникає нестача електронів, бо вони йдуть дротом до міді. Зверніть увагу класу, що окиснення завжди відбувається на аноді, це запам'ятають краще за назву «негативний електрод». Типова помилка: учні називають анодом позитивний полюс, як у побутових уявленнях про батарейку.

Покажіть логіку: електрони, що прийшли від цинку, захоплюються йонами купруму з розчину, і мідь осідає на пластині. Додатково можна згадати, що синє забарвлення розчину купрум(II) сульфату послаблюється, бо концентрація йонів Cu²⁺ падає. Типова помилка: учні пишуть «Cu + 2e⁻», забуваючи заряд йона, перевіряйте записи в зошитах.

Головний висновок слайда: та сама хімічна реакція, що йде і просто в розчині, у гальванічному елементі організована так, щоб електрони йшли через зовнішнє коло. Саме тому гальванічні елементи називають хімічними джерелами струму (ХДС). Типова помилка: учні вважають, що сумарне рівняння є якимось особливим, підкресліть, це звичайне заміщення.

Відповідь: анодом є магній, бо він активніший за срібло і стоїть лівіше в ряду активності, тому віддає електрони, Mg⁰ − 2e⁻ → Mg²⁺. На катоді відновлюються йони срібла: Ag⁺ + e⁻ → Ag⁰. Обговорення: запитайте, у який бік рухаються електрони в дроті, від магнію до срібла, і запропонуйте порівняти ЕРС цього елемента з елементом Якобі-Даниеля, різниця активності металів тут більша, тож ЕРС вища. Типова помилка: вибір анода за розміром пластини, а не за положенням у ряду активності.

Розберіть рядки за чергою і запишіть у зошит значення ЕРС, вони знадобляться в міні-тесті. Зверніть увагу на останній рядок, акумулятор є гальванічним елементом, який можна регенерувати, під дією зовнішнього струму реакція в ньому йде у зворотний бік. Типова помилка: учні вважають акумулятор окремим видом пристрою, не пов'язаним із гальванічними елементами.

Заведіть опорний запис у зошит: три групи ХДС, одноразові батарейки, відновлювані акумулятори та паливні елементи, до яких реагенти надходять ззовні. Поясніть, чому теоретична межа ЕРС близько 6,5 В, але практично це далека перспектива. Типова помилка: учні плутають ЕРС із електричною ємністю, наголосіть, що ЕРС вимірюють у вольтах.

Розберіть будову на схемі і покажіть, чому корпус позначений знаком мінус, цинк окиснюється, отже це анод. Сухі елементи зручніші за елементи з розчинами, бо містять пасту, а не рідину. Додайте слова про екологію з додаткового джерела: одна батарейка забруднює майже 20 м² ґрунту або близько 400 л води, тому відпрацьовані батарейки здають у пункти збирання. Типова помилка: учні називають анодом стрижень, бо він «у центрі».

Поясніть регенерацію: під дією зовнішнього джерела струму окисно-відновна реакція всередині перебігає у зворотному напрямку, і акумулятор повертається майже до первісного стану. Наведіть приклади застосування: автомобіль, тролейбус, трамвай, джерела безперебійного живлення, смартфони й ноутбуки. Згадайте недоліки: кислотні громіздкі й потребують заміни кислоти, лужні дають меншу напругу і містять небезпечні метали. Типова помилка: учні вважають, що акумулятор «зберігає електрику», насправді в ньому накопичуються речовини на електродах.

Розберіть рівняння по частинах: свинець окиснюється, діоксид свинцю відновлюється, обидва переходять у сульфат свинцю. Не вимагайте запам'ятати рівняння напам'ять, важливий сам принцип, що робота й зарядка є прямою й зворотною реакціями. Типова помилка: учні шукають тут анод і катод серед «двох металів», поясніть, що електроди різні за природою процесу, а не лише за матеріалом.

Ключова особливість паливного елемента: окисно-відновна реакція повного окиснення палива киснем повітря, а реагенти можна брати із собою в запас. Такі пристрої виручають там, де немає можливості зарядити акумулятор, наприклад у пустелі чи лісі. Підкресліть ефективність: перетворення хімічної енергії пального через електричну енергію значно ефективніше, ніж через теплову в двигуні внутрішнього згоряння. Типова помилка: учні плутають паливний елемент з акумулятором, підкресліть, що паливо не зберігається всередині.

Відповідь: лимонний сік, це розчин кислот, тобто електроліт, а дві пластини з різних металів дають різницю активності, тож виникає гальванічний елемент і вольтметр фіксує ЕРС. Обговорення: запитайте, що станеться, якщо взяти дві пластини з одного металу, струму не буде, бо немає різниці активності металів. Можна згадати, що для точніших вимірів лимони з'єднують послідовно в батарейку, а після дослідів фрукти їсти не можна. Типова помилка: учні думають, що енергію «дає лимон», уточніть, джерелом є реакція окиснення цинку.

Правильна відповідь Б, на аноді атом металу віддає електрони, тобто окиснюється. Типова помилка: вибір варіанта А через плутанину анода з катодом. Нагадайте робочий орієнтир: анод у гальванічному елементі завжди негативний і на ньому завжди окиснення, катод позитивний і на ньому відновлення. Після відповіді попросіть когось із класу записати рівняння процесу для цинкового анода.

Правильна відповідь Г, ЕРС зарядженого свинцевого акумулятора близько 2 В. Типова помилка: вибір варіанта А, учні плутають значення з ЕРС елемента Якобі-Даниеля. Після відповіді швидко повторіть по ланцюжку, чия ЕРС 1,3 В, чия 1,36 В і чия 1,5 В.

Правильна відповідь Б, паливо зберігається в окремому контейнері і подається в реактор, а кисень надходить із повітря. Типова помилка: вибір варіанта В, учні забувають, що в паливному елементі йде звичайна окисно-відновна реакція повного окиснення палива. Проговоріть приклад: водневі елементи для електромобілів, де продуктом є вода.

Поверніться до очікуваних результатів і попросіть клас одним реченням пояснити принцип дії гальванічного елемента. Наголосіть на ключовій ідеї підручника: гальванічні елементи є економічнішими й ефективнішими пристроями для перетворення енергії хімічних зв'язків на корисну роботу. Останній пункт закріпіть питанням, що означає напис «Hg-Cd free» на етикетці, у батарейці немає ртуті й кадмію, які небезпечні для довкілля, а відпрацьовані елементи здають у пункти збирання. Домашнє завдання озвучте усно: опрацювати § 14, виконати завдання 193 (описати роботу елемента зі срібла й магнію, вказати анод, катод і порівняти ЕРС з елементом Якобі-Даниеля) та завдання 195 (скласти сумарне рівняння з заданих напівреакцій), за бажанням мініпроект «Лимонний гальванічний елемент».