Застосування електролізу
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Застосування електролізу», розвиток критичного мислення, вміння аналізувати причинно-наслідкові зв'язки та застосовувати набуті знання на практиці.
💬 Провокативне питання для старту:
Використайте блок «Гачок (Hook)» нижче для 2-хвилинної розминки з класом перед поясненням нового матеріалу.
⏱️ Рекомендований таймінг 45-хвилинного уроку:
Тема: Розділ 1. Електричний струм у різних середовищах • с. 27. Застосування електролізу. Д/з: опрацювати матеріал уроку та завдання «У зошит» на платформі EZZ-SCHOOL BOOKS.
⚡ Фронтальне бліц-опитування класу на початку уроку (2 хв):
- Що є ключовим поняттям теми «Застосування електролізу» і чому воно важливе?
- Де у повсякденному житті, науці чи IT ми стикаємося з цим явищем/алгоритмом?
- Яка найпоширеніша помилка виникає під час першого знайомства з матеріалом?
🏠 Диференційоване домашнє завдання:
- Базовий рівень (обов'язковий): опрацювати конспект і блок «У зошит».
- Достатній рівень: скласти власну шпаргалку та пройти MiniCheck.
- Високий / STEM: виконати симуляцію у лабораторії та скласти BossQuiz на 100 XP.
📊 Критерії формувального оцінювання:
Твоя місія на цей урок
Натискай на цілі у міру їх опанування:
- 1Дізнатися про три головні напрями технічного електролізу: гальваностегію, гальванопластику та рафінування.Опанувати ➔
- 2Зрозуміти принцип гальваностегії для захисту від корозії (нікелювання, хромування, золочення).Опанувати ➔
- 3Вивчити винахід гальванопластики Б. С. Якобі для створення точних металевих копій рельєфів.Опанувати ➔
- 4Опанувати електролітичне рафінування кольорових металів (видобуток надчистої міді й алюмінію).Опанувати ➔
🏆 Як нанести золото товщиною в кілька мікронів на звичайну сталеву виделку?
Ювелірні вироби, антикорозійні хромовані бампери, друкарські матриці для банкнот і навіть легкі корпуси літаків з чистого алюмінію — усе це виробляють за допомогою струму в рідких ваннах. Як працюють гальваностегія, гальванопластика та електролітичне очищення металів?
1. Промислове рафінування металів та добування надчистих матеріалів
Електроліз відіграє фундаментальну роль у важкій металургії та електронній промисловості. Мідь, виплавлена у печах, містить до 2–3% домішок (залізо, цинк, нікель, а також благородні срібло та золото). Навіть 0,01% домішки заліза в мідному дроті збільшує його опір майже на 20%, що неприпустимо для електропроводки!
Для глибокого очищення застосовують електролітичне рафінування:
- Анод: відливають у вигляді товстих плит із неочищеної чорнової міді.
- Катод: тонкі листи надчистої міді або титану.
- Електроліт: водний розчин мідного купоросу CuSO_4 з додаванням сульфатної кислоти H_2SO_4.
Перебіг процесу: Під дією струму чорновий анод повільно розчиняється: Cu^0 - 2e^- ⟶ Cu²⁺. Йони міді мандрують крізь розчин і осідають на катоді з чистотою 99,99%. Більш активні метали (Zn, Fe) переходять у розчин і не осідають при такій напрузі, а менш активні золото, срібло та платина не окиснюються і падають на дно ванни у вигляді цінного анодного шламу, який потім збирають для вилучення дорогоцінних металів!
2. Електрометалургія: як людство підкорило алюміній (процес Холла — Еру)
Активні метали (алюміній, магній, натрій, калій, кальцій, титан) мають настільки високу хімічну активність, що їх неможливо відновити з руд коксом або чадним газом у доменних печах. Ба більше, їх не можна добути електролізом водних розчинів, бо замість металу на катоді бурхливо виділятиметься водень із води!
Вихід знайшли Чарльз Холл і Поль Еру (1886 р.): електроліз розплавів.
Виробництво алюмінію за методом Холла — Еру:
Чистий глинозем Al_2O_3 плавиться при надвисокій температурі 2050 °C. Щоб знизити енерговитрати, його розчиняють у розплавленому кріоліті (Na_3AlF_6). Отримана евтектична суміш плавиться вже при 950 °C!
Анод (вугільні блоки, що повільно згоряють): 2O²⁻ - 4e⁻ + C ⟶ CO₂↑
Рідкий алюміній, важчий за розплавлений кріоліт, збирається на дні ванни і періодично викачується вакуумним ковшем. Саме електроліз перетворив алюміній із «царського металу, дорожчого за золото» на наймасовіший конструкційний метал авіації та сучасної техніки!
3. Гальваностегія, гальванопластика та захист від корозії
Гальваностегія
Електролітичне осадження тонкого, міцного шару металу на поверхню готового металевого виробу.
Цілі:
1. Антикорозійний захист: цинкування кузовів авто, лудіння (покриття оловом) консервних бляшанок, хромування бамперів та труб.
2. Зносостійкість: нікелювання інструментів і деталей верстатів.
3. Декоративне оздоблення: золочення і сріблення годинників та посуду.
Гальванопластика (винахід Б. С. Якобі, 1838 р.)
Виготовлення точних металевих копій рельєфних предметів за допомогою електролітичного нарощування товстого шару металу.
Технологія: З оригінального барельєфа знімають зліпок із воску чи гіпсу, вкривають його найтоншим шаром графіту для створення електропровідності та підключають до катода. Після нарощування товстого шару міді віск витоплюють, отримуючи ідеальну металеву копію скульптури, друкарської форми чи матриці грампластинки!
Розрахунок товщини гальванічного шару d:
m = ρ · V = ρ · S · d = k · I · t ⟹ d = (k · I · t / ρ · S)
де ρ — густина нанесеного металу (кг/м^3), S — площа поверхні виробу (м^2), d — товщина шару (м).
4. Воднева енергетика та покроковий розрахунок гальванічного шару
Зелений водень: Електроліз води (2H_2O ⟶ 2H_2↑ + O_2↑) з використанням енергії СЕС та ВЕС є наріжним каменем декарбонізації. Водень слугує екологічним паливом, при спалюванні якого виділяється лише чиста водяна пара.
Практична задача: Деталь із загальною площею поверхні S = 200 см^2 покривають шаром нікелю за допомогою електролізу розчину нікель сульфату. Процес триває t = 2 год при силі струму I = 2,5 А. Обчисліть товщину нанесеного шару нікелю d, якщо електрохімічний еквівалент нікелю k = 0,304 мг/Кл, а його густина ρ = 8900 кг/м^3.
1. Обчислюємо масу виділеного нікелю за 2 години (t = 7200 c):
m = k · I · t = (0,304 · 10⁻⁶ кг/Кл) · 2,5 А · 7200 с = 5,472 · 10⁻³ кг = 5,472 г.
2. Переводимо площу поверхні в одиниці СІ:
S = 200 см^2 = 200 · 10⁻⁴ м^2 = 0,02 м^2.
3. Знаходимо товщину шару d:
d = m / (ρ · S) = (5,472 · 10⁻³ кг) / (8900 кг/м³ · 0,02 м²) = (5,472 · 10⁻³) / 178 ≈ 3,07 · 10⁻⁵ м = 30,7 мкм.
Висновок: Отримано рівномірне антикорозійне покриття завтовшки приблизно 31 мікрометр, що відповідає заводським стандартам захисту деталей машин!
Яке головне практичне призначення має гальваностегія?
Шпаргалка до § 3: Застосування електролізу
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
🛡️ Гальваностегія
Тонке нерознімне покриття деталей нікелем/хромом проти корозії.
🗿 Гальванопластика
Нарощування товстого шару на форму для створення точних копій (Б. Якобі).
✨ Рафінування
Очищення неочищених металів до 99.99% за допомогою розчинного анода.
⚡ Алюміній
Отримують виключно електролізом розплаву Al₂O₃ в кріоліті при ~1000 °C.
Самоперевірка (картки знань)
Натискай для перевороту (або Пробіл / ◀ ▶ на клавіатурі)
У зошит (за підручником)
Вправи з підручника «Фізика 9 клас (Бар'яхтар, Довгий та ін., Ранок 2026)», § 3, с. 27. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Співвіднесення технологічних процесів електролізу з їхнім призначенням
💡 Підказка від нас: Гальваностегія — захисна плівка; гальванопластика — рельєфна копія; рафінування — надчистий метал.
Розрахунок товщини шару нікелю при хромуванні
💡 Підказка від нас: Скористайся рівністю m = ρ · S · d = k · I · t. Товщина шару d = (k · I · t) / (ρ · S).
Визначення витрат електроенергії на добування 1 т алюмінію
💡 Підказка від нас: Енергія W = U · I · t = U · m / k. Врахуй, що на тонну алюмінію витрачається понад 15 000 кВт·год електроенергії!
Бос-тест до § 3: Застосування електролізу
Питання 1 з 3 • Завдай удару по босу теми