Tài liệu Vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các tình huống thực tiễn tình huống ứng dụng hiện tượng điện phân trong việc mạ điện

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TÂY HỒ ›š BÀI DỰ THI VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN CHO HỌC SINH THPT Nhóm học sinh 1. Bùi Lan Nhi Ngày sinh: 18/12/1998 2. Đậu Hồng Quân Ngày sinh: 22/3/1998 Lớp: 11A1 Lớp: 11A1 Ứng dụng kiến thức liên môn Vật lí và Hóa học Năm học 2014 - 2015 SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TÂY HỒ ›š BÀI DỰ THI VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN CHO HỌC SINH THPT Nhóm học sinh 3. Bùi Lan Nhi Ngày sinh: 18/12/1998 4. Đậu Hồng Quân Ngày sinh: 22/3/1998 Lớp: 11A1 Lớp: 11A1 2 Năm học 2014 – 2015 ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN TRONG VIỆC MẠ ĐIỆN (Ứng dụng kiến thức môn Vật lý và Hóa học) I . MỤC TIÊU GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG - Giải thích được cơ sở khoa học của hiện tượng điện phân trong việc mạ điện - Ứng dụng để mạ điện một số sản phảm. - Một số tồn tại và biện pháp hạn chế trong việc mạ điện . II. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG 1. Phương pháp thu thập kiến thức, tài liệu. 2. Phương pháp tự học, tự nghiên cứu 3. Phương pháp quan sát và tự thực hành thí nghiệm 4. Phương pháp thực hành mạ điện một số sản phẩm. III . GIẢI PHÁP GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG - Thành lập nhóm nghiên cứu. - Tiến hành nghiên cứu thực tế về lý thuyết và thực hành. - Tổng hợp các kết quả, đề xuất và kiến nghị. IV . TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG A. Lời mở đầu Mạ điện là quy trình công nghệ áp dụng khoa học kĩ thuật mang tính ứng dụng cao trong đời sống của con người, là một trong những phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn trong môi trường và khí quyển. Các vật mạ điện có giá trị trang trí cao, bền và rẻ. Từ những vật dụng nhỏ nhất chúng ta thường thấy: đinh tán, ốc vít, trang sức,... cho đến máy móc, chi tiết nội thất,... đều phải thông qua quá trình mạ điện mới đến tay người tiêu dùng. Như vậy, ngành mạ điện đóng vai trò hết sức quan trọng đối với cuộc sống của con người! Để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp, nước ta hiện nay cũng đang chú trọng đến công nghệ này trên hình thức các cụm công nghiệp làng nghề truyền thống. Nhưng qua khảo sát thực tiễn của nhóm chúng em, kĩ thuật mạ thủ công của từng hộ gia đình tư nhân ở các làng nghề còn rất lạc hậu, nhiều hạn chế, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường mà chất lượng sản phẩm cũng không được đảm bảo. Chính vì lí do đó nên 3 nhóm chúng em quyết định chọn đề tài nghiên cứu về quy trình mạ điện hi vọng có thể đưa ra những đề xuất khắc phục tình trạng trên, đồng thời nâng cao kiến thức và kĩ năng thực hành của bản thân! B. Cơ sở lý thuyết: I. Kiến thức trong chương trình: 1. Môn Vật lý: Bài 19: Dòng điện trong chất điện phân – Định luật Faraday – SGK nâng cao vật lý 11 2. Môn Hóa học: Bài 22; Sự điện phân – SGK nâng cao Hóa học 12 II. Tổng hợp một số kiến thức liên quan đến quá trình mạ điện 1. Mạ điện: - Mạ điện là quá trình điện phân, trong đó anot (cực dương) xảy ra quá trình oxy hóa (hòa tan kim loại hay giải phóng khí oxi), còn catot (cực âm) xảy ra quá trình khử (khử ion kim loại từ dung dịch mạ thành lớp kim loại bám trên vật mạ hay quá trình phụ giải phóng khí hiđro…) khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch mạ. Ví dụ: Khi mạ đồng, anot được làm bằng một thanh đồng nối với cực dương của nguồn điện, catot là một vật cần mạ nối với cực âm của nguồn điện, cả anot và catot được nhúng trong dung dịch CuSO4, sau một thời gian điện phân thanh đồng bị tan một phần vào dung dịch còn ở bề mặt catot có một lớp đồng mỏng bám vào. 2. Thí nghiệm ( clip) Xin kính mời Quý vị đại biểu, Ban giám khảo và các thầy cô xem đoạn clip mà nhóm chúng em đã thực hiện làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Vật lý – trường THPT Tây Hồ. 3. Giải thích hiện tượng: a. Theo bài “ Sự điện phân – Hóa học 12”. Ở anot ( cực +), các nguyên tử Cu bị ôxi hóa thành Cu2+ đi vào dung dịch: Cu (r)  Cu2+ (dd) + 2e Trong sự điện phân này anot dần dần bị hòa tan. Ở catot ( cực -), ion Cu2+ bị khử thành nguyên tử Cu bám trên bề mặt catot : Cu2+ (dd) + 2e  Cu (r) Phương trình điện phân: Cu (r) + Cu2+ (dd)  Cu2+ (dd) + Cu (r) Phương trình điện phân cho thấy nồng độ của Cu 2+ trong dung dịch làm không đổi. Sự điện phân này được coi như là sự chuyển dời kim loại từ anot về catot. b. Theo bài “ Dòng điện trong chất điện phân – Định luật Faraday – Vật lý 11” Khi hòa đồng sunfat vào dung môi, trong dung dịch xuất hiện các dung ion Cu 2+ và (SO4)2 -. Đặt vào hai cực của bình điện phân một hiệu điện thế, do tác dụng của điện 4 trường, các ion Cu2+ dịch chuyển về catot, nhận hai eelectron từ nguồn điện đi tới trở thành nguyên tử đồng bám vào catot: Cu2+ + 2e-  Cu. Ở anot, êlectron bị kéo về cực dương của nguồn điện, tạo điều kiện hình thành Cu 2+ trên bề mặt anot tiếp xúc với dung dịch: Cu  Cu2+ + 2eKhi (SO4)2 – chạy về anot, nó kéo Cu2+ này vào dung dịch. Đồng ở anot sẽ tan vào dung dịch gây ra hiện tượng cực dương tan. Kết quả là cực dương làm bằng đồng bị hao dần đi, còn ở catot lại có đồng bám vào. c. Định luật Fraday về điện phân Nhà vật lí học đã phát minh ra định luật. Khối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực được tính bằng công thức: m 1 A It F n Với F = 96.500: Hằng số Faraday A: Số khối n: Hóa trị I: Cường độ dòng điện chạy qua t: Thời gian dòng điện chạy qua. C. Ứng dụng thường gặp Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lí, hóa... đáp ứng được các yêu cầu mong muốn của người sử dụng. Mạ kim loại không chỉ nhằm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng cụ máy móc và đồ trang sức... Chúng em xin được giới thiệu những ứng dụng của mạ điện mà tất cả chúng ta đều thấy được hàng ngày! 5 1. Mạ inox  Các chi tiết nội thất phòng tắm 6  Dụng cụ nhà bếp 7 2. Mạ đồng  Các vật dụng trang trí bàn thờ  Trang sức 8 3. Mạ Niken  Đinh tán, ốc vít  Chìa khóa 9 D. Chuyến đi khảo sát thực tiễn tại làng nghề mạ điện Đại Bái – Bắc Ninh Từ nghiên cứu trên lí thuyết và thực hành thí nghiệm, chúng em đã đến một cơ sở mạ điện thủ công tư nhân, trải nghiệm thực tế quá trình mạ niken lên phụ tùng nhỏ trong thiết bị máy móc bằng phương pháp mạ quay. Có cơ hội trở thành người trong nghề, tự tay làm ra sản phẩm mạ điện, sau đây là những kiến thức cùng kinh nghiệm nhóm chúng em đúc kết được sau chuyến đi bổ ích ấy! Kính mời thầy cô cùng các bạn theo chân chúng em đến cơ sở mạ điện trong clip ghi lại chuyến đi thực tế đến Bắc Ninh! 1. Quy trình mạ Niken a. Chuẩn bị dụng cụ - Vật cần mạ - Một đôi găng tay dày - Dung dịch axit sungfuric - Dung dịch axit clohidric - 1 Lồng nhựa có một thanh kim loại dẫn điện xuyên qua và những lỗ thủng nhỏ xung quanh - Thanh kim loại Niken nguyên chất - Một bể mạ chứa dung dịch muối của Niken ( VD: Niken Sunfat) 10  Chú ý: - Do yêu cầu dòng điện chạy qua bể mạ phải là dòng điện một chiều mà mạng điện gia đình là dòng điện xoay chiều nên nhất thiết phải có một bộ chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều sang một chiều. - Trong quá trình thực hiện luôn đeo găng tay để tránh tiếp xúc với hóa chất. b. Các bước thực hiện quá trình mạ thủ công Công đoạn - Bước 1: Ngâm vật cần mạ lần lượt vào hai dung dịch axit sunfuric và dung dịch axit clohidric. - Bước 2: Đặt thanh kim loại Niken nguyên chất ngập khoảng 2/3 vào bể mạ và tiếp xúc với cực dương của nguồn - Bước 3: - Đổ vật cần mạ vào lồng nhựa rồi đặt vào bể mạ sao cho thanh kim loại xuyên qua lồng phải tiếp xúc với cực âm của nguồn - Vật cần mạ phải ngập hoàn toàn trong dung dịch muối của niken trong bể - Bước 4: Bật cầu dao để bể mạ thực hiện quá trình mạ điện, chờ một thời gian Với phương pháp mạ quay, một đầu thanh kim loại của lồng được ghép với động cơ giúp lồng quay được trong bể mạ. - Bước 5: Kêt thúc quá trình mạ, ngắt cầu dao, đem lồng ra khỏi bể mạ, kiểm tra sản phẩm.   Mục đích - Làm sạch bụi bẩn, dầu nhớt bám trên bề mặt vật cần mạ. - Giúp niken bám dễ dàng lên vật cần mạ - Đảm bảo lớp mạ khi ra sản phẩm được đều - Tùy vào mục đích, nhu cầu sử dụng sản phẩm mà thời gian mạ có thể ngắn hoặc dài - Vật cần mạ liên tục được đảo trong lồng đảm bảo niken bám đều và bám chặt. Kết quả: Vật cần mạ được làm bằng đồng ban đầu có màu vàng , sau khi mạ xong đã chuyển sang màu trắng của Niken. 2. Những hạn chế tồn tại của quy trình mạ thủ công  Nguy hiểm đối với người trực tiếp tham gia vào quy trình mạ điện:  Dụng cụ bảo hộ lao động sơ sài.  Dòng điện ở hai cực của nguồn tiếp xúc trực tiếp với không khí.  Ô nhiễm môi trường:  Không khí: mùi hóa chất bốc lên  Đất và nước: Chất thải, hóa chất dư thừa của quá trình mạ được xả thẳng ra đường cống sinh hoạt của người dân. Dưới đây là những hình ảnh chúng em chụp được ở đường cống ở ngay hai bên đường của làng nghề! 11 12 13 Chất cặn bẩn màu xanh chính là phế phẩm của dung dịch muối Niken đã qua sử dụng V. KẾT QUẢ TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG 1. Đề xuất và kiến nghị - Cần có những khóa đào tạo bài bản, khoa học cho những tư nhân có cơ sở mạ điện thủ công cả về mặt kiến thức vật lí, hóa học mạ điện cùng quy trình lao động an toàn. - Chú trọng đầu tư trang thiết bị, máy móc, dụng cụ hiện đại để nâng cao chất lượng sản phẩm sau khi được mạ điện. - Chất thải xuyên suốt quá trình mạ điện phải được qua xử lí hóa học kĩ lưỡng trước khi xả ra môi trường (bao gồm cả chất thải khí và lỏng). - Cần nghiên cứu thêm những phương pháp mạ điện mới, mang lại hiệu quả tốt hơn. 2. Ý nghĩa của việc giải quyết tình huống Kết thúc quá trình nghiên cứu, nhóm học sinh chúng em nhận thấy: - Mạ điện là ngành mang tính ứng dụng rất quan trọng và thú vị kết hợp giữa hai môn vật lí và hóa học. Các sản phẩm của mạ điện xuất hiện ở mọi nơi xung quanh chúng ta, giúp đỡ con người, đặc biệt trong công nghiệp. Chúng đảm bảo tiêu chí về cả mặt thẩm mĩ lẫn nâng cao chất lượng! - Vận dụng kiến thức liên môn vào giải quyết tình huống này còn giúp học sinh chúng em bồi dưỡng thêm khả năng đánh giá, tổng hợp, xâu kết các kiến thức đã học và ứng dụng vào thực tế hàng ngày. Biết vận dụng học đi đôi với hành. Thấy được việc vận dụng lí thuyết vào thực tế có hiệu quả, do đó càng cảm thấy hứng thú học hỏi. Cuộc thi “Vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết tình huống thực tiễn cho học sinh THPT” đã cho chúng em cơ hội được giao lưu, học hỏi, nâng cao kĩ năng mềm cho bản thân! Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô đã xem qua bài thuyết trình của chúng em! Nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đánh giá, nhận xét của các thầy cô để có thể hoàn thiện hơn đề tài này! Tây Hồ, ngày 5 tháng 1 năm 2015 Nhóm nghiên cứu tình huống 14