1.5. Струм в електролітах. Електроліз. Закони Фарадея

 Тут урок 5 варто побудувати не як повний виклад усієї теми, а як підготовку до лабораторної роботи "Визначення електрохімічного еквівалента речовини" у якій учні наступного уроку мають експериментально визначати електрохімічний еквівалент речовини: вимірювати силу струму й час електролізу, визначати масу виділеної речовини та використовувати залежність 

$m=kIt$. (Лр9Клас)

Тому логіка двох уроків має бути такою:

урок 5:
«Хто переносить заряд в електролітах? → що таке електроліз? → що відбувається на електродах? → від чого залежить маса виділеної речовини? → закони Фарадея → підготовка до експерименту»

урок 6:
«Перевіряємо закон експериментально → визначаємо $k$ → порівнюємо з табличним значенням → аналізуємо похибку».

Це добре відповідає логіці модельної програми, яка орієнтує навчання на формування результатів природничої освітньої галузі та на дослідницьку діяльність. (Міністерство освіти і науки України)

Тип уроку: урок формування нових знань із елементами проблемного навчання та підготовки до лабораторного дослідження.

Основна ідея уроку:
Учні переходять від електронної провідності металів до іншого механізму проходження електричного струму — йонної провідності електролітів. З'ясовують, хто є носіями заряду в електролітах, як вони рухаються в електричному полі, що відбувається на електродах під час електролізу. На основі спостережень і аналізу експериментальної ситуації формулюють закони Фарадея та встановлюють залежність маси речовини, що виділяється на електроді, від сили струму і часу. Наприкінці уроку учні планують майбутню лабораторну роботу №3 — визначення електрохімічного еквівалента речовини. Наступний урок буде присвячений експериментальній перевірці цієї закономірності. (Лр9Клас)

---

Результати навчання у фокусі уроку

Група результатів	Очікувані результати діяльності учнів
ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження	Спостерігають і пояснюють проходження струму в електролітах; аналізують явища на електродах; формулюють гіпотезу щодо залежності маси виділеної речовини від сили струму та часу; визначають величини, які необхідно виміряти під час майбутнього експерименту.
ГР2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації	Порівнюють електронну та йонну провідність; працюють зі схемами електролітичної ванни; опрацьовують формули $Q=It$, $m=kQ$, $m=kIt$; аналізують таблиці та експериментальні дані.
ГР3. Усвідомлення закономірностей природи, ролі природничих наук і техніки	Пояснюють фізичну природу струму в електролітах; розрізняють катіони й аніони, катод і анод; пояснюють електроліз; формулюють перший закон Фарадея та встановлюють фізичний зміст електрохімічного еквівалента.
ГР4. Розвиток наукового мислення, розв'язання проблем	Розв'язують якісні та кількісні задачі на електроліз; встановлюють причинно-наслідкові зв'язки; прогнозують результат зміни сили струму або часу електролізу; планують майбутнє експериментальне дослідження.

---

Хід уроку

І. Організаційний етап

Коротке налаштування на дослідницьку роботу.

Учитель демонструє або показує схему:

металевий провідник → електричний струм

і ставить запитання:

У металах носіями електричного струму є вільні електрони. А чи обов'язково електрони переносять заряд у всіх речовинах?

Це запитання логічно продовжує попередній урок про надпровідність.

---

ІІ. Актуалізація опорних знань

«Перед переходом до нового середовища»

Учитель пропонує швидко пригадати:

1. Що називають електричним струмом?

2. Що є носіями струму в металах?

3. У якому напрямку рухаються електрони?

4. Яку дію електричного струму ми спостерігаємо в металевому провіднику?

5. Чи можуть електричний струм проводити розчини?

Проблемне запитання

Якщо взяти дистильовану воду та розчинити в ній кухонну сіль, чи стане розчин провідником електричного струму?

Учні висловлюють припущення.

Учитель не повідомляє відповідь одразу.

---

ІІІ. Проблемна ситуація «Що переносить заряд у розчині?»

Учитель пропонує уявити два досліди:

1. Електричне коло з металевим провідником.

2. Електричне коло, частиною якого є розчин електроліту.

Запитання:

Якщо в обох випадках у колі проходить струм, то що переносить електричний заряд у розчині?

Учні можуть припустити:

• електрони;

• молекули;

• частинки речовини;

• йони.

Учитель:

Саме тут відбувається важлива зміна нашої моделі електричного струму.

---

IV. Струм в електролітах

1. Що таке електроліти?

Електроліти — речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм завдяки наявності рухомих йонів.

Приклади:

• розчини солей;

• розчини кислот;

• розчини лугів;

• розплави деяких йонних сполук.

Порівняння

Середовище	Носії струму
Метали	вільні електрони
Електроліти	позитивні та негативні йони

Учитель наголошує:

Отже, електричний струм — це впорядкований рух заряджених частинок, але природа цих частинок може бути різною.

---

V. Як у розчині з'являються йони?

На прикладі кухонної солі:

$$NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-.$$

У водному розчині утворюються:

• позитивні йони $Na^+$ — катіони;

• негативні йони $Cl^-$ — аніони.

Під дією електричного поля вони починають рухатися впорядковано.

Напрям руху

$$Na^+ \rightarrow \text{катод}$$ $$Cl^- \rightarrow \text{анод}.$$

Тут важливо сформувати стійку пару:

катіони → катод

аніони → анод

---

VI. Навчальний діалог

Учитель ставить послідовність запитань.

— Який заряд має катіон?

Позитивний.

— Куди рухається позитивно заряджена частинка в електричному полі?

До негативного електрода.

— Як називають цей електрод?

Катод.

— А негативно заряджений аніон?

Рухається до позитивного електрода — анода.

На дошці:

$$\boxed{\text{катіони}\rightarrow\text{катод}}$$ $$\boxed{\text{аніони}\rightarrow\text{анод}}$$

---

VII. Що відбувається на електродах?

Тепер учитель створює нову проблему:

Йони рухаються до електродів. Але що відбувається з ними після того, як вони досягли електродів?

Учні висловлюють припущення.

Учитель пояснює на якісному рівні:

На електродах відбуваються електрохімічні реакції.

Наприклад, позитивні йони металу можуть прийняти електрони й перетворитися на атоми металу:

$$Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu.$$

Метал осідає на катоді.

Це означає, що проходження струму через електроліт може спричиняти хімічні перетворення речовини.

---

VIII. Електроліз

Електроліз — це сукупність процесів, що відбуваються на електродах під час проходження електричного струму через електроліт.

Учитель пропонує порівняти:

У металах

$$\text{електричний струм} \rightarrow \text{нагрівання}$$

В електролітах

$$\text{електричний струм} \rightarrow \text{хімічні перетворення}$$

Учитель:

Отже, ми отримали ще одну важливу дію електричного струму — хімічну.

---

IX. Демонстраційна ситуація

Якщо є можливість, учитель демонструє відео або реальний дослід електролізу розчину сульфату міді.

Учні повинні не просто спостерігати, а відповісти:

1. Що змінилося після проходження струму?

2. На якому електроді утворився осад?

3. Чому маса одного електрода може збільшуватися?

4. Від чого, на вашу думку, залежатиме кількість речовини, що виділилася?

Останнє запитання є переходом до законів Фарадея.

---

X. Проблема: від чого залежить маса речовини?

Учитель:

Припустімо, ми проводимо електроліз. Як зробити так, щоб на електроді виділилося більше речовини?

Учні пропонують:

• збільшити силу струму;

• збільшити тривалість електролізу;

• змінити речовину.

На дошці:

$$m\sim I$$ $$m\sim t$$

Учитель:

Чи можемо ми об'єднати ці залежності?

Оскільки

$$Q=It,$$

одержуємо:

$$m\sim Q.$$

Тобто маса речовини, яка виділяється під час електролізу, пов'язана з кількістю електрики, що пройшла через електроліт.

---

XI. Перший закон Фарадея

Формулюємо:

Маса речовини, яка виділяється на електроді під час електролізу, прямо пропорційна кількості електрики, що пройшла через електроліт.

Математично:

$$m=kQ.$$

Оскільки

$$Q=It,$$

то:

$$\boxed{m=kIt}.$$

де:

• $m$ — маса виділеної речовини;

• $k$ — електрохімічний еквівалент;

• $I$ — сила струму;

• $t$ — час електролізу;

• $Q$ — заряд.

---

XII. Фізичний зміст електрохімічного еквівалента

Учитель ставить запитання:

Що показує коефіцієнт $k$?

Із формули:

$$m=kQ$$

одержуємо:

$$k=\frac{m}{Q}.$$

Отже:

Електрохімічний еквівалент показує, яка маса речовини виділяється на електроді під час проходження через електроліт заряду 1 Кл.

Одиниця:

$$[k]=\frac{\text{кг}}{\text{Кл}}$$

або, якщо масу вимірюємо в грамах:

$$[k]=\frac{\text{г}}{\text{Кл}}.$$

---

XIII. Другий закон Фарадея

Учитель створює ситуацію:

Якщо через два різні електроліти пропустити однаковий заряд, чи обов'язково на електродах виділиться однакова маса речовини?

Очікувана відповідь:

Ні.

Для різних речовин електрохімічний еквівалент різний.

Учитель формулює другий закон:

Електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропорційні їхнім хімічним еквівалентам.

У шкільному курсі його можна записати у формі:

$$k=\frac{M}{nF},$$

де:

• $M$ — молярна маса речовини;

• $n$ — число електронів, які бере участь у перетворенні одного йона;

• $F$ — стала Фарадея.

Для розрахункових задач і підготовки до лабораторної роботи достатньо запам'ятати:

$$\boxed{m=kIt}$$

та

$$\boxed{k=\frac{M}{nF}}.$$

---

XIV. Важливий місток до лабораторної роботи "Визначення електрохімічного еквівалента речовини"

Учитель показує учням майбутню експериментальну задачу:

Нам потрібно експериментально визначити електрохімічний еквівалент речовини.

На дошці:

$$m=kIt.$$

Що нам потрібно знати?

$m$ — визначимо зважуванням електрода.

$I$ — виміряємо амперметром.

$t$ — виміряємо секундоміром.

Тоді:

$$\boxed{k=\frac{m}{It}}.$$

Саме таку логіку учні використають на наступному уроці під час лабораторної роботи №3. У запропонованій вами лабораторній роботі передбачено зважування електрода до і після електролізу, вимірювання сили струму та часу, обчислення $Q=It$, визначення експериментального $k$ і порівняння його з табличним значенням. (Лр9Клас)

---

XV. Планування майбутнього експерименту

Проблемне запитання

Як експериментально перевірити закон Фарадея?

Учні разом із учителем складають план.

1. Підготувати електроліт

Наприклад, розчин сульфату міді.

2. Встановити електроди

Один із них буде катодом, на якому може осідати мідь.

3. Виміряти початкову масу електрода

$$m_0$$

4. Пропустити через електроліт струм

Вимірювати:

$$I$$

та

$$t.$$

5. Виміряти кінцеву масу

$$m_1.$$

6. Визначити масу осаду

$$m=m_1-m_0.$$

7. Обчислити заряд

$$Q=It.$$

8. Визначити електрохімічний еквівалент

$$\boxed{k=\frac{m}{Q}=\frac{m}{It}}.$$

9. Порівняти результат із табличним

і зробити висновок.

Такий алгоритм прямо відповідає структурі наступної лабораторної роботи. (Лр9Клас)

---

XVI. Розв'язування задач

Задача 1. Базова

Через електроліт протягом $10$ хв проходить струм силою $0{,}5$ А. Визначте електричний заряд, що пройшов через електроліт.

Дано:

$$I=0{,}5\ А$$ $$t=10\ хв=600\ с.$$

Розв'язання:

$$Q=It$$ $$Q=0{,}5\cdot600=300\ Кл.$$

Відповідь: $300\ Кл$.

---

XVII. Задача 2. Застосування першого закону Фарадея

Електрохімічний еквівалент міді дорівнює приблизно

$$k=3{,}3\cdot10^{-4}\ \frac{\text{г}}{\text{Кл}}.$$

Через електроліт протягом $10$ хв проходить струм $0{,}5$ А. Яка маса міді виділиться на електроді?

Спочатку:

$$Q=It.$$ $$Q=0{,}5\cdot600=300\ Кл.$$

Тоді:

$$m=kQ.$$ $$m=3{,}3\cdot10^{-4}\cdot300.$$ $$m=0{,}099\ г.$$

Відповідь: приблизно $0{,}10\ г$ міді.

---

XVIII. Задача 3. Прогноз

Через електроліт пропускають струм. Силу струму збільшили вдвічі, а час електролізу залишили незмінним.

Як зміниться маса речовини, що виділиться?

За законом:

$$m=kIt.$$

Якщо:

$$I\uparrow 2\text{ рази},$$

то:

$$m\uparrow 2\text{ рази}.$$

Відповідь: маса виділеної речовини збільшиться вдвічі.

---

XIX. Задача 4. Дослідницька

Учні провели два досліди з одним і тим самим електролітом.

У першому:

$$I_1=0{,}5\ А,\quad t_1=10\ хв.$$

У другому:

$$I_2=1\ А,\quad t_2=5\ хв.$$

У якому досліді виділиться більша маса речовини?

Учні порівнюють:

$$I_1t_1=0{,}5\cdot600=300$$

і

$$I_2t_2=1\cdot300=300.$$

Отже:

$$Q_1=Q_2.$$

Тому за однакових інших умов:

$$m_1=m_2.$$

Висновок

Вирішальним є не окремо сила струму і не окремо час, а кількість електрики $Q=It$.

Це дуже важливий висновок перед лабораторною роботою.

---

XX. Задача 5. Підготовча до лабораторної

Після електролізу маса катода збільшилася з $50{,}00\ г$ до $50{,}12\ г$. Через електроліт протягом $600\ с$ проходив струм $0{,}5\ А$.

Визначте експериментальний електрохімічний еквівалент.

Розв'язання

Маса виділеної речовини:

$$m=50{,}12-50{,}00=0{,}12\ г.$$

Заряд:

$$Q=It=0{,}5\cdot600=300\ Кл.$$

Електрохімічний еквівалент:

$$k=\frac{m}{Q}.$$ $$k=\frac{0{,}12}{300} =4\cdot10^{-4}\ \frac{\text{г}}{\text{Кл}}.$$

Відповідь:

$$\boxed{k=4\cdot10^{-4}\ \text{г/Кл}}.$$

Після розв'язання:

А тепер на наступному уроці ми зробимо це не на папері, а експериментально.

---

XXI. Формувальне оцінювання

Що оцінюємо	Дія учня	ГР
Розуміння нового середовища	Називає носіїв струму в електролітах	ГР3
Пояснення	Пояснює рух катіонів і аніонів	ГР3, ГР4
Аналіз досліду	Пояснює зміни на електродах	ГР1, ГР3
Застосування	Використовує $Q=It$	ГР2, ГР4
Застосування закону	Використовує $m=kIt$	ГР3, ГР4
Дослідницьке планування	Визначає послідовність дій лабораторної роботи	ГР1, ГР4

---

XXII. Рефлексія

Учитель пропонує учням завершити речення:

Сьогодні я зрозумів/зрозуміла, що...

На відміну від металів, в електролітах струм створюють...

Під час електролізу на електродах...

З формули $m=kIt$ я можу визначити...

Щоб експериментально визначити $k$, мені потрібно виміряти...

Фінальне проблемне запитання

Ми вже знаємо, хто переносить заряд, куди рухаються йони і що відбувається на електродах.
А чи можна експериментально визначити, скільки речовини виділиться на електроді за певної кількості електрики?

Учитель:

Саме це перевіримо на наступному уроці.

---

XXIII. Домашнє завдання

Обов'язкове

1. Опрацювати поняття:

   • електроліт;

   • йон;

   • катіон;

   • аніон;

   • електроліз;

   • катод;

   • анод;

   • електрохімічний еквівалент.

2. Вивчити формули:

$$Q=It,$$ $$m=kQ,$$ $$\boxed{m=kIt},$$ $$\boxed{k=\frac{m}{It}}.$$

3. Розв'язати задачі на визначення:

   • електричного заряду;

   • маси речовини;

   • електрохімічного еквівалента.

Підготовка до лабораторної роботи №3

Перед наступним уроком учень має вміти відповісти:

1. Що є носіями струму в електроліті?

2. Куди рухаються катіони?

3. Куди рухаються аніони?

4. Що відбувається на катоді?

5. Що таке електроліз?

6. Що визначає перший закон Фарадея?

7. Які величини потрібно виміряти, щоб експериментально визначити $k$?

8. Як обчислити заряд $Q$?

9. Як визначити масу речовини, що виділилася на електроді?

---

XXIV. Місце уроку в траєкторії формування результатів

Урок	Основне запитання	Результат
1. Електричний струм у металах	Хто створює струм у металах?	Сформовано уявлення про електронну провідність
2. Залежність опору металів від температури	Як температура впливає на опір?	Сформовано пояснення залежності $R(t)$
3. Лабораторна робота №1	Чи підтверджується закономірність експериментально?	Експериментально досліджено $R(t)$
4. Надпровідність. Задачі	Що відбувається з опором за дуже низьких температур?	Узагальнено знання про провідність металів, сформовано уявлення про надпровідність
5. Струм в електролітах. Електроліз. Закони Фарадея	Хто переносить заряд в електролітах і як кількісно описати результат електролізу?	Сформовано модель йонної провідності, поняття електролізу, закони Фарадея, підготовлено експеримент
6. Лабораторна робота №3	Чи підтверджується закон Фарадея експериментально?	Експериментально визначено $k$, обчислено $Q$, проаналізовано похибку та зроблено висновок

---

Загальна логіка уроків 4–6

Тут я б особливо зберіг саме таку послідовність:

$$\boxed{\text{Надпровідність}}$$

↓

«А чи однакові носії струму в усіх речовинах?»

↓

$$\boxed{\text{Електроліти}}$$

↓

«Хто переносить заряд?»

↓

$$\boxed{\text{Йони}}$$

↓

«Що відбувається на електродах?»

↓

$$\boxed{\text{Електроліз}}$$

↓

«Від чого залежить кількість виділеної речовини?»

↓

$$\boxed{m=kIt}$$

↓

«Чи справді це виконується?»

↓

$$\boxed{\text{Лабораторна робота №3}}$$

Урок 5 стає підготовкою до дослідження, а урок 6 — його експериментальним продовженням. Саме в лабораторній роботі учні мають зважити електрод до і після електролізу, виміряти $I$ і $t$, обчислити $Q$ та експериментальне $k$, після чого порівняти його з теоретичним/табличним значенням. (Лр9Клас)

Це також відповідає загальній логіці НУШ — результати не просто «повідомляються», а формуються через дослідження, опрацювання даних, пояснення закономірностей і розв'язання проблем. Модельна програма Кремінського та співавторів рекомендована МОН для 7–9 класів. (Міністерство освіти і науки України)