ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
НА ТЕМУ:
ЭЛЕКТРОЛИЗ – ЧТО ЭТО?
Выполнил: ученик 4 «Г» класса (10 лет) МБОУ «Гимназия № 1»
Научный руководитель: Шахмаева Гуля Александровна
Россия, Красноярский край, г. Норильск
2012
Оглавление
стр. | |
Введение ………………………………………………………………………………………………………………………………………… | 3 |
Глава I. Что происходит при электролизе? (принцип)………………………………………………………………… | 4 |
1.1. Что происходит с водой, когда через нее проходит электрический ток? (опыт с водой)………. | 6 |
Глава II. Электролиз меди………………………………………………………………………………………………………………. | 7 |
Глава III. Электролиз в промышленности……………………………………………………………………………………… | 8 |
Заключение…………………………………………………………………………………………………………………………………….. | 9 |
Список литературы………………………………………………………………………………………………………………………… | 10 |
Введение
Моя мама работает на Медном заводе. Этот завод выпускает чистую медь, которую получают из руды, добытой в наших горах. Мне стало интересно, как из «камней» получается металл?
Оказывается, сначала руду обрабатывают множеством способов, ее дробят, сушат, обогащают, плавят в больших специальных печах, пока не избавятся от «мусора» - шлака, и не останется почти чистый металл. Но и это еще не все! Чтобы получить по-настоящему чистую медь с ней делают простую, но удивительную вещь – Электролиз.
Тогда, я задался целью узнать поподробнее, что же это такое – электролиз?
Оказывается, это такой простой способ, разделить некоторые вещества с помощью электричества.
Чтобы достичь нашей цели, мы поставим перед собой задачи:
- узнать, что происходит при электролизе, как с помощью тока разделяют вещества;
- проведем простейший опыт с водой и солью;
- узнаем, как используется электролиз в промышленности.
Гипотеза: мы предположили, что процесс электролиза можно провести в домашних условиях и пронаблюдать как произойдут превращения веществ из одних в другие.
Объект – электролиз.
Предмет – выявление значимости электролиза в металлургии.
Конечно, воспроизвести полностью технологию получения чистейшей меди в домашних условиях слишком сложно. Для этого нужны разные вспомогательные вещества, да и та же медь.
В этом нам помогут такие источники знаний как соответствующая литература и учебники.
глава I. Что происходит при электролизе? (принцип).
Термин «электролиз» обозначает «разложение с помощью электричества». При этом явлении элементы, из которых состоит вещество, могут разделяться благодаря прохождению через него электрического тока. Давайте узнаем, почему и как это происходит.
Я думаю, что многие из вас уже знают, что все вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. У атомов есть положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательные электроны.
Обычно, в атоме одинаковое количество положительных частиц в ядре и отрицательных электронов вокруг ядра. Тогда, общий заряд атома равен нулю, то есть он не заряжен ни положительно, ни отрицательно. Такие атомы называют нейтральными.
Но электроны могут покидать свой атом или переходить к другому атому. Когда от атома отрывается электрон, положительных частиц в ядре становится больше, чем электронов вокруг ядра, и атом становиться положительно-заряженным.
И наоборот, когда в атом прилетает лишний электрон, атом становиться отрицательно-заряженным.
Такие атомы и молекулы, у которых электронов больше или меньше, чем в их нейтральном состоянии, называют ионами. То есть у атомов-ионов теперь есть плюс или минус электрический заряд.
А заряженные частицы (электроны и ионы) в электромагнитном поле начинают двигаться в разные стороны, то есть возникает электрический ток.
Чтобы через раствор пошел электрический ток, в жидкость погружаются два электрода; электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом; электрод, соединенный с отрицательным полюсом, - катодом. А сам раствор, через который пойдет ток, называется электролит.
Значит, опустив в разные стороны электролита анод и катод, мы можем разделить вещество на две части: в одной сторону, к катоду, побегут положительные ионы, а в другую к аноду – отрицательные ионы.
Явление электролиза было открыто в 1800 г. английскими учеными Никольсоном и Карлейлем, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении их в воду.
Давайте проведем простейший опыт с водопроводной водой и обычной солью из нашей кухни.
1.1. Что происходит с водой, когда через нее проходит электрический ток? (опыт с водой)
Нам потребуются:
· изолированные электрические провода с зачищенными концами,
· батарейки или источник тока небольшого напряжения (9-12 В),
· два больших винта (шурупа),
· стакан,
· вода,
· соль,
· прищепки «крокодилы» для закрепления винтов.
Ход опыта:
1. Подсоединим провода к источнику электрического тока.
2. На свободных концах проводов закрепим винты.
3. Нальем в стакан воды и добавим соли.
4. Опустим в стакан винты на достаточном расстоянии друг от друга.
Результат: Около одного из винтов образуются пузырьки (это катод).
5. Оставим на какое-то время винты в воде.
Результат: Вода вокруг винта с пузырьками становится желтоватой, а вокруг другого винта вода темнеет.
6. Отключим электрический ток и вытащим винты из воды.
Результат: На дне стакана виден осадок зеленоватого цвета.
Это потому, что наблюдаемое нами явление – химические преобразования – вызвано прохождением тока через воду. Электрический ток разлагает воду на кислород и водород (пузырьки наполнены водородом), соль, железо винтов и превращает их в другие вещества. Это можно увидеть, потому что они окрашивают воду или выпадают в осадок на дне стакана. Зеленоватый цвет осадку придает железо, которое выделяется из винтов в раствор.
ГЛАВА II. Электролиз меди.
Теперь, зная, как все происходит, вернемся к электролизу меди, который является последней стадией изготовления чистой меди на Медном заводе.
Когда руду очистят от различных примесей с помощью плавки, продувки и других способов, в ней все равно останутся еще десятые доли процента примесей (и среди них золото и серебро). Это называется «черновая медь». Но и это еще металл, где слишком много примесей других металлов!
Так остывают после печи и разлива по формам
будущие аноды –
толстые листы черновой меди.
Когда-то с этим приходилось мириться. Теперь можно идти дальше. Медь отправляется на электролиз. Выступающие в качестве катода тонкие листы чистой меди опускают в электролит, содержащий раствор сульфата меди и серную кислоту, а слитки неочищенной черновой меди подвешивают в этом же растворе, и они действуют как анод.
Будущие катоды – тонкие листы чистой меди
При пропускании электрического тока анод начинает растворяться, и ионы меди, вместе с некоторым количеством ионов железа и цинка, поступают в электролит. Остальные спутники меди, содержавшиеся в слитках (включая значительное количество серебра, золота и платины), выпадают в осадок и накапливаются на дне электролитической ванны. Ионы меди через электролит направляются к катоду и осаждаются на нем. А цинк и железо остаются в растворе.
В промышленных масштабах в подобных ваннах за месяц можно очистить всего несколько тонн меди, но при этом получается продукт 99,99-процентной чистоты. Более того, благодаря извлечению из осадка благородных металлов окупается весь процесс очистки. Кроме меди, электролитическим методом в промышленных масштабах очищаются также магний, натрий и алюминий.
Склад готовой продукции
ГЛАВА III. Электролиз в промышленности.
В промышленности электролиз широко используется для покрытия металлических предметов тонким слоем другого, более ценного металла: золота, серебра, хрома. Это делается в целях предохранения предмета от коррозии или для его украшения. Например, для того чтобы посеребрить чайную ложку, ее подвешивают к одному из электродов и опускают в раствор, содержащий серебро. В этот же раствор погружают другой электрод. При прохождении электрического тока частицы серебра выделяются и оседают на ложке.
Электролиз используется при производстве алюминия, для очистки металлов от посторонних примесей. В автомобильных аккумуляторах электролиз позволяет превращать электрическую энергию в химическую, то есть производить зарядку.
Химические реакции происходят на электродах. Фарадей провел фундаментальные исследования электролитов и создал законы, в которых говорится, что химические превращения связаны с потоком электронов (то есть электрическим током): чем больше электронов, тем больше химических превращений.
Добыча и получение цветных металлов имеют огромное народнохозяйственное значение. Ведь в ряде случаев цветные металлы просто незаменимы. Алюминий - «король воздуха» - основной материал в самолетостроении. Его главный помощник в сверхзвуковой авиации – титан. Титановые сплавы несколько тяжелее алюминиевых, но зато прочнее их и выдерживают вдвое более высокую рабочую температуру. Чистый титан отлично работает в растворах солей и кислот. Из него, поэтому делают насосы, трубы, краны для гидрометаллургических цехов.
Алюминий в то же время помощник и конкурент меди в электропромышленности, олова - в изготовлении консервных банок, бронзы и свинца - в оболочках электрокабелей. Проник алюминий и в строительство: из него делают оконные рамы и переплеты, различные облицовочные детали красивой окраски. Появляются и здания, конструкции и стены которых сооружены из алюминия и его сплавов. Из алюминиевых порошков делают взрывчатые вещества.
Заключение.
От металлургов требуется умение получать эти металлы в чистом или очень чистом состоянии. В металлах обычной чистоты допускают 0,01-0,1% примесей, в более чистых металлах - только 0,001-0,01%. Но иногда требуется металл такой чистоты, что счет примесям ведут уже не на проценты, а на атомы, допуская, например, лишь один атом примеси на миллиард атомов основного металла.
Мы узнали, что такое электролиз, как и почему он происходит. Самостоятельно провели опыт и произвели электролиз подсоленной воды, увидев, как раствор изменил свой цвет, и появился осадок. Узнали, какое большое значение он имеет для металлургического производства и в нашем городе в том числе.
Наш рассказ о применении электролиза для получения цветных металлов очень краток. Производство цветных металлов и сплавов - сложная наука. Ему посвящены труды многих знаменитых ученых. Это интересная специальность, которая может стать делом всей жизни инженера и ученого.
Список литературы
1. «Большая книга экспериментов»
2. Учебник по физике для 10 класса, автор
Интернет ресурсы:
1. Электронный учебник по физике, http://de. *****.
2. Журнал «Химия», № 14/2007, http://*****.
