1.7. Застосування електролізу. Розв’язування задач

 Після лабораторної роботи " Визначення електрохімічного еквівалента речовини" урок 7 потрібно побудувавати як урок перенесення знань із експерименту в практичний контекст. Учні вже встановили експериментально залежність 

$m=kI\mathrm{t<span\; style="text-align:\; justify;">,\; тому\; на\; цьому\; уроці\; немає\; потреби\; знову\; виводити\; закони\; Фарадея.</span>}$

Натомість логіка буде:

лабораторний результат → що дає електроліз → практичні застосування → аналіз реальних технологій → задачі → підготовка переходу до газів.

Це також узгоджується з підходом модельної програми, де результати мають формуватися через дослідження, опрацювання інформації, пояснення закономірностей і розв'язання проблем. (Міністерство освіти і науки України)

Тип уроку: урок застосування знань, формування вмінь розв'язувати фізичні задачі та пояснювати практичне використання електролізу.

Основна ідея уроку:
Спираючись на результати лабораторної роботи №3, учні узагальнюють закономірності електролізу та з'ясовують, як кероване виділення речовини на електродах використовується в техніці, промисловості та повсякденному житті. Розглядають гальваностегію, очищення металів, добування речовин, нанесення захисних і декоративних покриттів. Під час розв'язування задач застосовують залежності $Q=It$, $m=kQ$, $m=kIt$, визначають масу речовини, силу струму, час електролізу та електрохімічний еквівалент. Наприкінці уроку учні переходять від електролізу як прикладу йонної провідності до нового запитання: чи можуть електричний струм проводити гази і за яких умов?

---

Результати навчання у фокусі уроку

Група результатів	Що формуємо на уроці
ГР1. Пізнання світу природи засобами наукового дослідження	Аналізують результати лабораторної роботи №3; використовують експериментальні дані для пояснення практичного застосування електролізу; прогнозують результат зміни сили струму або часу електролізу.
ГР2. Опрацювання, систематизація та представлення інформації	Опрацьовують схеми технологічних процесів; порівнюють різні способи застосування електролізу; працюють із формулами, таблицями та умовами задач.
ГР3. Усвідомлення закономірностей природи, ролі природничих наук і техніки	Пояснюють фізичні основи гальваностегії, рафінування металів та добування речовин; встановлюють зв'язок між законами Фарадея і практичними технологіями.
ГР4. Розвиток наукового мислення, розв'язання проблем	Розв'язують якісні та кількісні задачі; обирають необхідні фізичні величини й формули; аналізують технологічні ситуації та прогнозують результати зміни умов електролізу.

---

Хід уроку

І. Організаційний етап

Учитель звертається до результатів попередньої лабораторної роботи.

На попередньому уроці ми не просто вивчили закон Фарадея. Ми експериментально визначали електрохімічний еквівалент речовини.

На дошці:

$$Q=It$$ $$m=kQ$$ $$\boxed{m=kIt}$$

Запитання

— Що ми визначали експериментально?

— Які величини вимірювали безпосередньо?

— Які обчислювали?

— Що означає отримане нами значення $k$?

---

ІІ. Актуалізація результатів лабораторної роботи

Учні пригадують алгоритм:

$$m=m_2-m_1$$ $$Q=It$$ $$k=\frac{m}{It}.$$

Учитель:

Якщо ми можемо керувати масою речовини, яка виділяється на електроді, то чи можемо використати це явище для практичних потреб?

Проблемне запитання

Що можна робити за допомогою електролізу, якщо ми можемо керувати кількістю речовини, яка виділяється на електроді?

Учні висловлюють припущення.

---

ІІІ. Від експерименту до технології

На дошці:

$$\boxed{\text{електричний струм}}$$

↓

$$\boxed{\text{рух йонів}}$$

↓

$$\boxed{\text{реакції на електродах}}$$

↓

$$\boxed{\text{виділення або розчинення речовини}}$$

↓

$$\boxed{\text{керований технологічний процес}}$$

Учитель:

Саме можливість керувати цим процесом зробила електроліз важливим для промисловості та техніки.

---

IV. Гальваностегія — покриття виробів металом

Учитель демонструє зображення або схему:

металевий виріб → електроліт → джерело струму → металеве покриття

Проблемне запитання

Як можна покрити металевий виріб тонким шаром іншого металу?

Учні пропонують механічне нанесення, фарбування тощо.

Учитель:

Один зі способів — електролітичне осадження металу.

Цей процес називають гальваностегією.

За допомогою електролізу на поверхні виробу можна отримати шар:

• міді;

• нікелю;

• хрому;

• срібла;

• золота та інших металів.

Діалог

— Чому виріб має бути електродом?

Тому що на ньому має виділятися метал.

— Яким електродом він буде?

Катодом, якщо на ньому відновлюються й осідають позитивні йони металу.

— Від чого залежатиме маса нанесеного металу?

Від сили струму, часу та електрохімічного еквівалента.

$$m=kIt.$$

---

V. Чому покриття може бути дуже тонким?

Учитель:

Якщо збільшувати час електролізу, маса осадженого металу збільшуватиметься. Але чи обов'язково потрібно отримувати товстий шар?

Ні.

Технологічний процес можна контролювати, змінюючи:

• силу струму;

• тривалість процесу;

• склад електроліту;

• умови електролізу.

Висновок

Закон Фарадея дозволяє не тільки пояснювати явище, а й розраховувати кількість речовини, яка повинна виділитися під час технологічного процесу.

---

VI. Практична ситуація «Захист від корозії»

Учитель ставить питання:

Чому деякі металеві деталі мають блискучу хромовану або нікельовану поверхню?

Учні висловлюють припущення.

Учитель узагальнює:

Електролітичне покриття може виконувати кілька функцій:

• захищати метал від корозії;

• підвищувати зносостійкість;

• покращувати зовнішній вигляд;

• надавати поверхні певних властивостей.

Діалогічне запитання

Чи завжди блискуче покриття означає, що весь виріб виготовлено з дорогого металу?

Ні. Покриття може бути дуже тонким, а основний матеріал — іншим.

---

VII. Очищення металів — електролітичне рафінування

Нова проблема:

Якщо електроліз дозволяє виділяти метал, чи можна за його допомогою очищати метал від домішок?

Так.

Учитель вводить поняття електролітичного рафінування.

На прикладі міді:

• неочищену мідь використовують як анод;

• чиста мідь осідає на катоді;

• домішки поводяться по-різному: частина переходить у розчин, частина утворює осад.

Узагальнення

$$\boxed{\text{електроліз}\rightarrow\text{виділення чистішого металу}}$$

---

VIII. Добування речовин за допомогою електролізу

Учитель:

А чи можна за допомогою електролізу не покривати метал, а добувати нові речовини?

Так.

Електроліз використовують для добування та очищення певних речовин, зокрема металів і газів.

Учні повинні побачити загальний принцип:

Електрична енергія → хімічні перетворення.

Це відрізняє електроліз від проходження струму в металевому провіднику.

---

IX. Систематизація застосувань

Учні заповнюють таблицю.

Застосування	Що відбувається?	Для чого використовують?
Гальваностегія	Осадження металу на виробі	Захист, декоративне покриття
Рафінування	Очищення металу	Отримання чистішого металу
Добування речовин	Електрохімічні перетворення	Отримання необхідних речовин
Електрохімічне нанесення покриттів	Кероване осадження	Надання поверхні потрібних властивостей

---

X. Зв'язок із лабораторною роботою

Учитель повертає учнів до формули:

$$m=kIt.$$

У лабораторній роботі ми визначали $k$.
У технології нам, навпаки, може бути відомо $k$, і ми можемо визначити, яку масу металу отримаємо або нанесемо.

Це дуже важливий перехід:

У лабораторній роботі

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

У практичній задачі

$$m=kIt.$$

Отже, одна й та сама фізична закономірність може бути інструментом дослідження і розрахунку технологічного процесу.

---

XI. Розв'язування задач

Задача 1. Маса металу

Під час електролізу через розчин протягом $20$ хв проходить струм силою $2$ А. Електрохімічний еквівалент металу дорівнює:

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

Визначте масу металу, що виділиться на електроді.

Розв'язання

$$t=20\cdot60=1200\ с.$$ $$Q=It=2\cdot1200=2400\ Кл.$$ $$m=kQ.$$ $$m=3{,}3\cdot10^{-4}\cdot2400$$ $$m=0{,}792\ г.$$

Відповідь: приблизно $0{,}79\ г$.

---

XII. Задача 2. Визначення часу електролізу

Скільки часу потрібно пропускати струм силою $1$ А через електроліт, щоб на катоді виділилося $0{,}66\ г$ речовини? Електрохімічний еквівалент:

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

Із:

$$m=kIt$$

знаходимо:

$$t=\frac{m}{kI}.$$ $$t= \frac{0{,}66} {3{,}3\cdot10^{-4}\cdot1} =2000\ с.$$ $$2000\ с\approx33{,}3\ хв.$$

Відповідь: приблизно $33$ хв.

---

XIII. Задача 3. Як змінити технологічний процес?

Під час електролізу за певний час на катоді виділилося $2\ г$ металу.

Як потрібно змінити силу струму, щоб за той самий час отримати $4\ г$ металу?

Оскільки:

$$m=kIt,$$

а $k$ і $t$ сталі, то:

$$m\sim I.$$

Маса повинна збільшитися вдвічі.

Отже, силу струму потрібно збільшити вдвічі.

---

XIV. Задача 4. Зміна часу

У процесі нанесення металевого покриття через електроліт проходить незмінний струм. Час електролізу збільшили втричі.

Як зміниться маса нанесеного металу?

$$m=kIt.$$

За сталих $k$ та $I$:

$$m\sim t.$$

Отже:

$$m_2=3m_1.$$

Відповідь: маса покриття збільшиться втричі.

---

XV. Задача 5. Експериментальна

Під час лабораторної роботи учні пропускали через електроліт струм $0{,}5$ А протягом $600$ с. Маса катода збільшилася на $0{,}10$ г.

Визначте експериментальний електрохімічний еквівалент.

$$k=\frac{m}{It}.$$ $$k= \frac{0{,}10}{0{,}5\cdot600}$$ $$k\approx3{,}3\cdot10^{-4}\ \frac{\text{г}}{\text{Кл}}.$$

Запитання

Що саме ми фактично робили на лабораторній роботі?

Учні мають побачити:

Ми не просто виконували розрахунок — ми експериментально визначали характеристику речовини.

---

XVI. Дослідницька задача «Спроєктуй процес»

Учитель пропонує ситуацію:

Потрібно нанести на деталь $1\ г$ металу. Електрохімічний еквівалент металу відомий. У розпорядженні є джерело струму, яке може забезпечити певну силу струму.

Запитання:

1. Які величини повинні бути відомими?

2. Якою формулою скористаємося?

3. Що можна змінювати, якщо маса покриття повинна залишатися сталою?

4. Як пов'язані сила струму і час?

Учні приходять до:

$$m=kIt=\text{const}.$$

Отже:

$$It=\text{const}.$$

Висновок

Якщо силу струму збільшити, час, необхідний для отримання тієї самої маси речовини, можна зменшити.

---

XVII. Проблемне запитання перед наступним уроком

Після завершення задач учитель повертається до початку теми.

Ми розглянули три середовища, в яких електричний струм має різну природу:

метали → електрони

електроліти → йони

А що відбувається в газах?

Учні можуть відповісти:

Звичайне повітря погано проводить струм.

Учитель:

Але тоді виникає ще цікавіше питання: чому блискавка проходить крізь повітря, а електрична іскра може перескочити між електродами?

Це проблема наступного уроку.

---

XVIII. Перехід до теми «Струм у газах»

На дошці:

$$\boxed{\text{метали}} \quad\rightarrow\quad e^-$$ $$\boxed{\text{електроліти}} \quad\rightarrow\quad \text{йони}$$ $$\boxed{\text{гази}} \quad\rightarrow\quad ?$$

Запитання

Якщо газ за звичайних умов майже не проводить струм, що повинно змінитися, щоб він став провідником?

Це ключове запитання уроку 8.

Не варто давати відповідь повністю.

Можна лише сказати:

Щоб газ став провідником, у ньому мають з'явитися вільні заряджені частинки.

І залишити на наступний урок запитання:

Як вони утворюються?

---

XIX. Формувальне оцінювання

Що оцінюємо	Дія учня	ГР
Розуміння застосувань	Наводить приклади практичного використання електролізу	ГР3
Пояснення	Пояснює принцип гальваностегії	ГР3
Робота з формулою	Застосовує $m=kIt$	ГР2, ГР4
Аналіз залежностей	Прогнозує зміну маси за зміни $I$ або $t$	ГР4
Зв'язок із дослідом	Використовує результати лабораторної роботи	ГР1
Проблемне мислення	Формулює запитання про провідність газів	ГР4

---

XX. Рефлексія

Учні завершують речення:

• Тепер я можу пояснити, навіщо потрібен електроліз...

• Найцікавішим застосуванням електролізу для мене є...

• З формули $m=kIt$ я можу визначити...

• Якщо збільшити силу струму вдвічі, то...

• Якщо збільшити час електролізу втричі, то...

• Після вивчення електролізу мені цікаво дізнатися...

Останнє речення має підвести до газових розрядів.

---

XXI. Домашнє завдання

Обов'язкове

1. Повторити:

   • електроліти;

   • йонну провідність;

   • електроліз;

   • перший і другий закони Фарадея;

   • застосування електролізу.

2. Повторити формули:

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

3. Розв'язати задачі на:

   • визначення маси речовини;

   • визначення часу електролізу;

   • визначення сили струму;

   • визначення електрохімічного еквівалента.

За бажанням

Підготувати коротку відповідь на запитання:

«Чому повітря за звичайних умов майже не проводить електричний струм, але під час блискавки стає провідником?»

Це питання стане стартом наступного уроку.

---

XXII. Місце уроку в траєкторії формування результатів

Урок	Основне запитання	Результат
1. Електричний струм у металах	Хто створює струм у металах?	Електронна провідність
2. Залежність опору металів від температури	Як температура впливає на опір?	Фізичне пояснення залежності $R(t)$
3. Лабораторна робота №1	Чи підтверджується залежність експериментально?	Дослідження $R(t)$
4. Надпровідність. Задачі	Що відбувається з опором за дуже низьких температур?	Уявлення про надпровідність, застосування знань
5. Струм в електролітах. Електроліз. Закони Фарадея	Хто переносить заряд в електролітах?	Йонна провідність, електроліз, закони Фарадея
6. Лабораторна робота №3	Чи підтверджується закон Фарадея експериментально?	Експериментальне визначення $k$
7. Застосування електролізу. Задачі	Як використати електроліз для практичних потреб?	Гальваностегія, рафінування, добування речовин, розв'язування задач
8. Струм у газах. Іонізація. Газові розряди	Як газ, який зазвичай є ізолятором, стає провідником?	Нова модель провідності: заряджені частинки в газі

---

Логіка переходу від уроку 6 до уроку 8

Тут я б особливо не втрачав дослідницьку лінію, яку ми вже заклали:

$$\boxed{\text{лабораторний результат}}$$

↓

$$\boxed{m=kIt}$$

↓

«Що ця закономірність дозволяє робити?»

↓

$$\boxed{\text{застосування електролізу}}$$

↓

«Як керувати результатом?»

↓

$$\boxed{\text{задачі та прогнозування}}$$

↓

«А чи тільки метали та електроліти можуть проводити струм?»

↓

$$\boxed{\text{гази}}$$

↓

«Чому повітря зазвичай ізолятор, але блискавка проходить крізь нього?»

↓

$$\boxed{\text{іонізація}}$$

Таким чином, урок 7 краще зробити не перевантаженим новою теорією, а уроком застосування вже сформованого знання. Це дасть дуже природний перехід від йонної провідності до наступного принципово іншого типу провідності — провідності газів.