Sáng kiến kinh nghiệm môn Hóa học: Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu bài toán điện phân

MỤC LỤC<br /> <br /> PHẦN 1: Lý do viết sang kiến kinh nghiệm………………………………....2<br /> <br /> PHẦN 2: Nội dung của sang kiến kinh nghiệm………………………….......3<br /> <br /> 2.1. Tình hình thực tế và biện pháp thực hiện……………………………….3<br /> <br /> 2.1.1. Tình hình thực tế trước khi thực hiện đề tài………………….…3<br /> <br /> 2.1.2. Biện pháp thực hiện đề tài…………………………………….…3<br /> <br /> 2.2. Nội dung……………………………………………………………….......3<br /> <br /> 2.2.1. Lí thuyết……………………………………………………….. ...3<br /> <br /> 2.2.2. Một số ví dụ minh họa……………………………………………7<br /> <br /> 2.2.3. Một số lí thuyết mở rộng về điện phân và ứng dụng……….......17<br /> <br /> 2.2.4. Cơ sở thực nghiệm.......................................................................20<br /> <br /> PHẦN 3. Kết luận và đề xuất………………………………………………. 21<br /> <br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> 1. Bài tập cở sở lí thuyết các quá trình hóa học­Vũ Đăng Độ chủ biên­Nhà xuất bản <br /> giáo dục<br /> <br /> 2. Bài tập hóa lí­Lâm Ngọc Thiềm­ Trần Hiệp Hải­Nguyễn Thị Thu.<br /> <br /> 3. Bộ đề luyện thi đại học 1996<br /> <br /> 4. Đề thi đại học, cao đẳng các năm (từ 2007 đến 2012)<br /> <br /> 5. Đề thi học sinh giỏi tỉnh­quốc gia các năm (2001 đến 2012)<br /> <br /> 6. Hóa học đại cương­ Lê Mậu Quyền­ Nhà xuất bản giáo dục<br /> <br /> 7. Phản ứng điện hóa và ứng dụng­Trần Hiệp Hải­Nhà xuất bản giáo dục 2005<br /> <br /> 8. Sách giáo khoa hóa học 12­nâng cao­Nhà xuất bản giáo dục 2012<br /> <br /> 9. Tạp chí hóa học và ứng dụng các năm gần đây<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br />  PHẦN 1:<br /> <br /> LÝ DO VIẾT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM<br /> <br /> ­ Hoá học là môn khoa học cơ bản được giảng dạy ở các trường THCS, THPT. Đây  <br /> là môn mà học sinh mới được trang bị  kiến thức từ  khi học lớp 8 bậc THCS. Tuy nhiên, <br /> đây cũng là môn thường xuyên sử  dụng thi tốt nghiệp THPT và là một trong ba môn bắt  <br /> buộc trong kì thi tuyển sinh vào ĐH, CĐ, THCN khối A, B.<br /> <br /> ­ Kể từ năm 2007, Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã chuyển cấu trúc thi tuyển sinh đại <br /> học, cao đẳng môn hoá học từ tự luận sang trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn 100%. <br /> Điều đó cũng đồng nghĩa trong vòng 90 phút, học sinh phải thật bình tĩnh để  lựa chọn  <br /> phương án trả lời tối ưu nhất trong thời gian ngắn nhất. Nắm bắt được điều đó, các giảng  <br /> viên đại học, cao đẳng, các chuyên gia và các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm đã xuất bản  <br /> rất nhiều sách và tài liệu tham khảo về các phương pháp giải nhanh trắc nghiệm. <br /> <br /> ­ Thông qua các đề thi đại học, cao đẳng hiện nay chúng tôi nhận thấy trong  đề thi  <br /> đại học cao đẳng luôn có 1 đến 2 câu  liên quan đến điện phân. Đây là dạng  toán khó mà  <br /> học sinh hay bị  lúng túng xử  lí để có đáp án đúng.  <br /> <br /> ­ Trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và quốc gia thông thường cũng hay có bài toán <br /> điện phân, theo thống kê của chúng tôi từ năm 2000 trở về đây có ít nhất một câu trong đề <br /> thi quốc gia liên quan đến điện phân­pin điện.<br /> <br /> ­ Qua 7 năm giảng dạy ở trường THPT kết hợp với những kiến thức tích luỹ được <br /> khi ngồi trên giảng đường đại học và cao học chúng tôi đúc kết được kinh nghiệm về <br /> giảng dạy bài điện phân đó là “ Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện  <br /> phân”.<br /> <br /> Trong đề  tài này phần nội dung chúng tôi đưa ra bốn phần  chính đó là lý thuyết  <br /> tổng quát về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học­cao đẳng và học sinh  <br /> giỏi (tỉnh, quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phân.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br />  PHẦN 2<br /> <br /> NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM<br /> <br /> 2.1. Tình hình thực tế và biện pháp thực hiện<br /> <br /> 2.1.1. Tình hình thực tế trước khi thực hiện đề tài.<br /> <br /> ­ Qua những năm giảng dạy tại trường phổ thông và nhiều năm đi gia sư  khi ngồi  <br /> trên ghế giảng đường đại học, tôi nhận thấy rất nhiều học sinh khi làm bài tập điện phân <br /> thường hay lung túng­khúc mắc. Điều đó, sẽ mất nhiều thời gian làm bài và đôi khi không  <br /> làm ra được kết quả do điện phân chỉ được học trong 1 tiết ở lớp 12.  <br /> <br /> ­ Thực tế là học sinh hay giải bài tập phần điện phân nhầm do không hiểu hết các <br /> vấn đề của điện phân. Xác định không rõ vai trò, viết sai các quá trình oxi hóa­khử.<br /> <br /> ­ Vì vậy để nâng cao hiệu quả giải bài tập điện phân trong đề thi đại học­cao đẳng <br /> cũng như trong đề thi học sinh giỏi tỉnh­quốc gia chúng tôi chọn đề  tài phương pháp giải  <br /> bài tập điện phân này nhằm đưa học sinh tới hiểu thấu đáo hơn và giải quyết vấn đề  tốt  <br /> hơn. <br /> <br /> 2.1.2. Biện pháp thực hiện đề tài.<br /> <br /> 2.1.2.1. Những kiến thức cần trang bị. <br /> <br /> ­ Nắm vững quy tắc catot, anot<br /> <br /> ­ Viết được các quá trình khử và quá trình oxi hoá tại catot và anot<br /> <br /> ­ Áp dụng hệ quả định luật Farađây<br /> <br /> ­ Xử lí các dữ kiện bài toán: số mol, thể tích khí, khối lượng…..<br /> <br /> 2.1.2.2. Những điểm cần lưu ý.<br /> <br />      ­ Trong điện phân thì số mol e nhường tại A bằng số mol e nhận tại K<br /> <br />      ­  Hằng số Farađây trong công thức: F = 96500 C∙mol−1 ứng với t là s, F=26,8 ứng với t <br /> là h<br /> <br /> 2.2. Nội dung<br /> <br /> 2.2.1. Lí thuyết<br /> <br /> 2.2.1.1. Định nghĩa: Điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt điện cực <br /> dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dụng dịch chất điện li hoặc chất điện li  <br /> nóng chảy.<br /> <br /> Trong điện phân có 2 điện cực:<br /> <br /> <br /> 3<br /> ­ Cực âm (­) gọi là catot (kí hiệu K): tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)<br /> <br /> ­ Cực dương (+) gọi là anot (kí hiệu A): tại đây xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)<br /> <br /> * Bạn đọc chú ý: Catot cả trong điện phân và pin điện đều xảy ra quá trình oxi hóa, và Anot  <br /> là nơi mà ở đó xảy ra quá trình khử<br /> <br /> Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2:<br /> <br /> Ta có trong dung dịch: CuCl2 Cu2+  +   2Cl­<br /> <br /> Tại catot (K ­ ): Cu2+ + 2e   Cu<br /> <br /> Tại anot (A + ): 2Cl­  Cl2 + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân: CuCl2  dp<br />  Cu + Cl2<br /> <br /> * Hai loại điện phân chủ yếu: điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch<br /> <br /> 2.2.1.2. Điện phân nóng chảy (muối, bazơ, oxit)<br /> <br /> a. Điện phân nóng chảy muối (chủ yếu là muối halogen của kim loại kiềm và kiềm thổ): <br /> <br /> Công thức muối: MXn (n là hóa trị của M, X= F, Cl, Br, I)<br /> <br /> MXn  nc<br />  Mn+  +  nX­<br /> <br /> Tại K (­): Mn+ + ne   M<br /> <br /> Tại A (+): 2Cl­   Cl2 + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát : MXn  dpnc<br /> M + X2<br /> <br /> Ví dụ : Điện phân nóng chảy NaCl, CaCl2<br /> <br /> ­ Điện phân nóng chảy NaCl : NaCl nc<br /> Na+ + Cl­<br /> <br /> Tại K (­) : Na+ + 1e   Na;  Tại A (­): 2Cl­   Cl2 + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl  dpnc<br /> 2Na + Cl2<br /> <br /> ­ Điện phân nóng chảy CaCl2 : CaCl2 nc<br /> Ca2+ + 2Cl­<br /> <br /> Tại K (­) : Ca2+ + 2e   Ca;  Tại A (­): 2Cl­   Cl2 + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: CaCl2 dpnc<br /> Ca + Cl2<br /> <br /> b. Điện phân nóng chảy hiđroxit M(OH)n (M là kim loại kiềm, kiềm thổ)<br /> <br /> M(OH)n  nc<br />  Mn+  +  nOH­<br /> <br /> Tại K (­): Mn+ + ne   M Tại A (+): 4OH­   2H2O + O2 + 4e<br /> <br /> <br /> <br /> 4<br />  Phương trình điện phân tổng quát : 4M(OH)n  dpnc<br /> 4M + 2nH2O + nO2 <br /> <br /> Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH:<br /> <br /> NaOH  nc<br />  Na+  +  nOH­<br /> <br /> Tại K (­): Na+ + e   Na Tại A (+): 4OH­   2H2O + O2 + 4e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát : 4NaOH  dpnc<br /> 4Na + 2H2O + O2<br /> <br /> c. Điện phân nóng chảy oxit kim loại M2On <br /> <br /> M2On  nc<br /> 2Mn+  + nO2­<br /> <br /> Tại K (­): Mn+ + ne   M Tại A (+): 2O2­   O2 + 4e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát : 2M2On  dpnc<br /> 4M + nO2<br /> <br /> Ví dụ: Điện phân nóng chảy Al2O3<br /> <br /> Al2O3  nc<br /> 2Al3+ + 3O2­<br /> <br /> Tại K (­): Al3+ + 3e Al Tại A (+): 2O2­   O2 + 4e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: 2Al2O3  dpnc<br /> 4Al + 3O2<br /> <br /> 2.2.1.3. Điện phân dung dịch<br /> <br /> 2.2.1.3.1. Vai trò của H2O trong điện phân: <br /> <br /> ­ Giúp chất điện li phân li ra ion<br /> <br /> ­ Vận chuyển các ion đến các điện cực<br /> <br /> ­ Có thể  tham gia vào quá trình oxi hóa khử  tại bề mặt các điện cực, tức tham gia <br /> vào quá trình điện phân, cụ thể:<br /> <br />     Tại K(­): 2H2O + 2e   2OH­ + H2        Tại A (+): 2H2O   4H+  + O2  + 4e<br /> <br /> 2.2.1.3.2. Quy luật chung, quy tắc K, quy tắc A<br /> <br /> Quy luật chung: ­ Ở catot (K): ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử, ví dụ: Tại K:  <br /> Ag+; Cu2+ thì Ag+ + 1e Ag rồi mới đến Cu2+ + 2e Cu<br /> <br /> ­ Ở anot (A): ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa, ví dụ: Tại A: Br ­; Cl­ thì 2Br­<br /> Br2 + 2e rồi mới đến 2Cl­ Cl2 + 2e.<br /> <br /> a. Quy tắc ở K: Ở K có mặt cation kim loại Mn+ và H+( do nước hoặc axit phân li) thì:<br /> <br /> ­ Nếu Mn+ là cation kim loại trước Al3+ và Al3+ thì cation này không nhận electron (không bị <br /> khử) mà cation H+ nhận electron (bị khử):<br /> <br /> <br /> <br /> 5<br /> H+ do nước phân li:  2H2O 2H+ + 2OH­<br /> <br />    2H+ + 2e  H2<br /> <br />            2H2O   +  2e  H2  + 2OH­<br /> <br /> H+ do axit phân li: 2H+ + 2e  H2<br /> <br /> ­ Nếu Mn+  là cation kim loại sau Al3+  thì cation nhận electron (bị  khử) để  tạo thành kim  <br /> loại: Mn+  +  ne M<br /> <br /> ­ Cation có tính oxi hóa càng mạnh thì càng dễ nhận e, ví dụ tại K(­) gồm: Ag+; Fe3+; Cu2+; <br /> H+;  H2O thi thứ tự nhận electron sẽ như sau:<br /> <br /> Ag+ + 1e  Ag      (1) Fe3+ + 1e Fe2+  (2)<br /> <br /> Cu2+ + 2e Cu (3) 2H+ + 2e H2 (4)<br /> <br /> Fe2+ + 2e Fe (5) 2H2O  + 2e 2OH­ + H2 (6)<br /> <br /> b. Quy tắc ở anot: Ở anot có mặt anion gốc axit và OH­ (do nước và bazơ phân li)<br /> <br /> * Đối với anot trơ (là anot không tham gia vào quá trình phản ứng)<br /> <br /> ­ Nếu anot có mặt các anion: I­; Br­; Cl­; S2­; RCOO­; … thì các anion này sẽ  nhường <br /> electron cho điện cực (bị oxi hóa) và anion có tính khử càng mạnh càng dễ nhường electron  <br /> và thứ tự nhường electron đã được thực nghiệm tìm ra như sau: S2­ > I­> Br­ > Cl­ > RCOO­ <br /> > H2O<br /> <br /> Ví dụ tại A(+): Cl­, I­; H2O thì thứ tự nhường electron như sau:<br /> <br />  2I­ I2 + 2e (1); 2Cl­ Cl2 + 2e (2);  2H2O 4H+ + O2 + 4e (3)<br /> <br /> ­ Nếu anot có mặt các ion gốc axit vô cơ chứa O như: NO 3− ; SO42­; CO32­; ... và F­ ; OH­ thì <br /> những anion này không nhường electron (không bị  oxi hóa) mà H2O sẽ  nhường electron <br /> thay: 2H2O  4H+ + O2 + 4e<br /> <br /> * Đối với anot hoạt động: đó là anot làm bằng các kim loại Cu, Zn, ...thì các anot sẽ tham  <br /> gia vào quá trình oxi hóa, nó sẽ nhường electron thay cho các anion:<br /> Zn  Zn2+  +2e; Cu Cu2+ +2e<br /> <br /> Chú ý: Hiện tượng dương cực tan thì: <br /> <br /> Độ tăng khối lượng tại K = độ giảm khối lượng tại A<br /> <br /> Ví dụ 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân tổng quát khi điện phân điện phân điện cực  <br /> trơ:<br /> <br /> 6<br />  a. dung dịch FeCl2 b. dung dịch CuSO4<br /> <br /> c. dung dịch NaCl d. dung dịch KNO3<br /> <br /> Hướng dẫn giải:<br /> <br /> a. FeCl2 Fe2+ + 2Cl­<br /> <br /> Tại K (­): Fe2+; H2O: Fe2+ + 2e   Fe  Tại A(+): Cl­; H2O:  2Cl­   Cl2 +2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát:  FeCl2  dpdd<br /> Fe + Cl2<br /> <br /> b. CuSO4   Cu2+  +  SO42­<br /> <br /> Tại K (­): Cu2+; H2O:  Cu2+ + 2e   Cu<br /> <br /> Tại A (+): SO42­; H2O:  2H2O   4H+ + O2  + 4e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: 2Cu2+ + 2H2O  dpdd<br />  2Cu + 4H+ + O2<br /> <br /> hay 2CuSO4 + 2H2O  dpdd<br />  2Cu + 2H2SO4 + O2<br /> <br /> c. NaCl   Na+  +   Cl­<br /> <br /> Tại K (­): Na+; H2O:  2H2O  + 2e   2OH­ +  H2<br /> <br /> Tại A (+): Cl­; H2O: 2Cl­   Cl2  + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: 2Cl­  +  2H2O  dpdd<br /> 2OH­  + H2  + Cl2<br /> <br /> hay: 2NaCl  +  2H2O  dpdd<br /> 2NaOH  + H2  + Cl2<br /> <br /> d. KNO3   K+  +  NO3­<br /> <br /> Tại K (­): K+; H2O: 2H2O   4H+ + O2  + 4e<br /> <br /> Tại A (+): NO3­; H2O: 2H2O  + 2e   2OH­ +  H2<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát: 2H2O  dpdd<br /> 2H2  + O2<br /> <br /> Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối:  <br /> <br /> ­ dung dịch muối của ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit không chứa O <br /> <br /> ( trừ F­) thì pH dung dịch không đổi<br /> <br /> ­ dung dịch muối ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit chứa O, F­ thì pH dung dịch <br /> giảm dần do tạo ra H+<br /> <br /> ­ dung dịch muối ion kim loại trước Al3+ và ion gốc axit không chứa O <br /> <br /> ( trừ F­) thì pH dung dịch tăng dần do tạo ra OH­<br /> <br /> <br /> <br /> 7<br />  ­ dung dịch muối ion kim loại trước Al3+ và ion gốc axit chứa O, F­ thì pH dung dịch <br /> không đổi<br /> <br /> Ví dụ 2: Viết phương trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực anot là Cu.<br /> <br /> Hướng dẫn giải:<br /> <br /> CuSO4   Cu2+  + SO4­<br /> <br /> Tại K (­): Cu2+; SO4­: Cu2+  +  2e    Cu<br /> <br /> Tại A (+) là Cu: SO42­; H2O: Cu   Cu2+ + 2e<br /> <br /> Phương trình điện phân tổng quát:<br /> <br />    Cu   +    Cu2+   Cu   +   Cu2+  <br /> <br /> (A)  (K)<br /> <br /> Ví dụ 3: Viết phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 a mol; <br /> <br /> NaCl b mol trong các trường hợp:<br /> <br /> a. b = 2a b. b > 2a   c. b  2a thì: Cu2+ + 2Cl­  dpdd<br />  Cu  + Cl2  <br /> <br /> hay CuSO4 + 2NaCl dpdd<br /> Cu + Cl2  + Na2SO4<br /> <br /> sau đó: 2Cu2+ + 2H2O  dpdd<br />  2Cu + 4H+ + O2<br /> <br /> hay 2CuSO4 + 2H2O  dpdd<br />  2Cu + 2H2SO4 + O2<br /> <br /> <br /> <br /> 8<br /> c.  b  mdung dịch giảm đề cho nên Cu2+  phải dư.<br /> <br /> Nếu tại A mà Cl­ dư thì ne nhường   0,1 mol, lúc đó nCu ở K   0,1/2 = 0,05 mol nên mdung dịch giảm <br />  0, 05.71 + 0,05. 64 = 6,75 gam  ECo2+ / Co  nên thứ tự nhận e là: Cu2+ > H+ > Co2+<br /> <br /> 0, 0592<br /> Khi 10% Cu2+ bị điện phân thì,  ECu 2+ / Cu = ECu<br /> 0<br /> 2+log[Cu 2+ ] = 0,285V lúc đó <br /> +<br /> 2 / Cu<br /> <br /> <br /> H2 chưa thoát ra và nếu ngắt mạch điện, nối đoản mạch hai cực của bình điện phân sẽ tạo  <br /> ra pin điện có cực dương (catot) là O2/H2O và cực âm (anot) là cặp Cu2+/Cu. Phản ứng xảy <br /> +   <br /> ra là: Trên catot: O2   +  4H + 4e  → 2H2O<br /> <br /> Trên anot: Cu   →  Cu2+  + 2e<br /> <br /> Phản ứng  xảy ra trong pin là: 2Cu + 4H+ + O2   2Cu2+  +  2H2O<br /> <br /> Sự phóng điện của pin chỉ dừng khi thế của 2 điện cực bằng nhau.<br /> <br /> 3.   Để   tách   được   hoàn   toàn   ion   Cu2+  thì   thế   cần   đặt   vào   catot   là: <br /> E2 H + / H < Ec < ECu 2+ / Cu . Khi Cu2+ bị điện phân hoàn toàn thì [Cu2+] = 0,005%.0,020 = 10­6M.<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> 0, 0592<br /> Lúc đó:  ECu 2+ / Cu = ECu<br /> 0<br /> 2+ + log[Cu 2+ ]  = 0,159V<br /> / Cu<br /> 2<br /> <br /> Và [H+] = 0,01 (ban đầu) + 2. (0,020 ­10­6)(tạo ra)   10­5V<br /> <br /> 0, 0592<br /> E2 H + / H = E20H + / H + log[ H + ]2 = ­ 0,077V<br /> 2 2<br /> 2<br /> <br /> Vậy  trong  trường  hợp  tính không kể đến quá  thế của H2  trên điện cực platin  thì <br /> 2+ <br /> thế catot cần khống chế trong khoảng ­ 0,077 V