skkn rèn tư duy học sinh thông qua một số dạng bài tập điện phân – hóa học 12 nâng cao

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘITRƯỜNG THPT CAO BÁ QUÁT GIA LÂMSÁNG KIẾN KINH NGHIỆM RÈN TƯ DUY HỌC SINH THÔNG QUA MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN – HÓA HỌC 12 NÂNG CAO Môn: Hóa học Tên tác

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘITRƯỜNG THPT CAO BÁ QUÁT GIA LÂM

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

RÈN TƯ DUY HỌC SINH THÔNG QUA MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN – HÓA HỌC 12 NÂNG

CAO

Môn: Hóa học

Tên tác giả: Nguyễn Thu Hòa

Chức vụ: Tổ phó tổ Hóa – Sinh - KTNN

(Trích “ Chiến lược phát triển kinh tế- xã hội 2001-2010” – Báo cáo của Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa VIII tại Đại hội đại biểu toàn quốc Đảng Cộng sản Việt Nam lần thứ IX).

Để nâng cao chất lượng giáo dục, chúng ta phải đổi mớinội dung và phương pháp dạy học ở tất cả các môn học, cáccấp học, các bậc học Mục tiêu cao nhất của quá trình dạy –học là rèn luyện tư duy cho học sinh Ngày nay , cùng với sựphát triển của khoa học kĩ thuật đòi hỏi con người phải biếtnhìn nhận và giải quyết vấn đề theo nhiều hướng khác nhau,

đưa ra phương án tối ưu trong trong gian nhanh nhất Muốn cóđược kĩ năng đó , đòi hỏi con người phải rèn luyện tư duy đahướng Trong dạy- học nói chung và dạy – học hóa học nóiriêng việc sử dụng bài tập, đặc biệt bài tập có nhiều cách giải

sẽ là phương pháp rèn luyện tư duy rất tốt cho học sinh, giúphọc sinh liên hệ tốt nhất kiến thức lý thuyết với việc giải quyếtmột vấn đề có thực trong quá trình nhận thức

Xuất phát từ lý do nêu trên tôi sử dụng một số bài tậpvấn thường gặp trong các sách tham khảo, các đề thi tuyểnsinh Đại học- Cao đẳng nhằm rèn luyện khả năng tư duy chohọc sinh

II PHẠM VI NGHIÊN CỨU :

Một số bài tập Điện phân trong chương trình hóa học vô cơ– 12 – nâng cao

PHẦN II: NỘI DUNG

I Kiến thức c ơ bản :

1 Phản ứng xảy ra ở điện cực

Khi nối 2 điện cực của bình điện phân đến 2 cực của nguồnđiện một chiều ( pin, acquy), ta có các hiện tượng sau:

- Cation đi về catot (điện cực âm), Anion đi về anot (điệncực dương).

- Tại catot xảy ra quá trình nhận electron (quá trình khử)các cation kim loại thành kim loại tự do hoặc nước, hoặc cảhai

Trong đó m: khối lượng chất ở điện cực (g)

A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ởđiện cực

n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặcnhận

I: cường độ dòng điện(A)

t: thời gian điện phân(s)

F: hằng số Faraday(F= 96500culong/mol)

- Số mol electron trao đổi ở 2 điện cực = (I.t)/96500

3 Điện phân muối hoặc oxit nóng chảy (không có nước)

a Điện phân muối halogenua nóng chảy (điện cực trơ):

2MXn → 2M + nX2

b Điện phân oxit nhôm nóng chảy (điện cực graphit C):

2Al2O3 → 4Al +3O2↑

Phản ứng ăn mòn điện cực C:

O2 + C → CO2↑

O2 + 2C → 2CO↑

Như vậy có thể thu được một hỗn hợp khí: O2, CO, CO2

4 Điện phân dung dịch muối, axit hoặc bazơ:

a Điện phân dung dịch axit:

- Điện phân dung dịch axit halogen hidric HX:

c Điện phân dung dịch muối:

- Căn cứ vào thứ tự điện phân ở điện cực, thời gian điện phân

để viết các quá trình ở điện cực , H2O có thể tham gia hoặc

không tham gia sự điện phân, từ đó viết và tính được lượngsản phẩm ở điện cực và trong dung dịch điện phân.

* Tại catot (cực âm)

Thứ tự nhận electron: Au3+/Au > Ag+/Ag > Cu2+/Cu > H2O >

Pb2+/Pb…Zn2+/Zn

( Lưu ý: các ion từ Pb2+…đến Zn2+ điện phân cùng nước, sảnphẩm rất phức tạp Các ion từ Al3+ đến K+ coi như không bịđiện phân khi có mặt nước)

M n+ + ne → M

H2O + 2e → H2↑ + 2OH

-Như vậy điện phân dung dịch muối của kim loại từ Na, Ca, Kthu được dung dịch kiềm, dẫn đến pH của catot tăng

Ví dụ: 2NaCl +2H2O → H2↑ + O2↑ + 2NaOH

* Tại anot (cực dương)

Như vậy điện phân dung dịch muối sunphat, nitrat thu

được dung dịch axit, dẫn đến pH của anôt giảm

Ví dụ: 2CuSO4 + H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4

- Nên sử dụng các bán phản ứng ở điện cực trong tính toán,thực hiện nguyên tắc bảo toàn electron

5 Phản ứng phụ giữa sản phăm điện phân với điện cực (khôngtrơ) hoặc giữa các sản phẳm với nhau:

- Phản ứng với anot: khi anot làm bằng kim loại thông thường(như Cu) thì kim loại bị sản phẩm điện phân oxi hóa tạo thànhcation Mn+ tan vào dung dịch (hiện tượng anot tan)

Ví dụ : Điện phân oxit nhôm nóng chảy (điện cực graphit C):

2Al2O3 → 4Al +3O2↑

Phản ứng ăn mòn anot(điện cực C):

O2 + C → CO2↑

O2 + 2C → 2CO↑

Như vậy có thể thu được một hỗn hợp khí: O2, CO, CO2

- Phản ứng giữa các sản phẩm điện phân với nhau: nhưđiện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn xốp

2NaCl +2H2O → H2↑ + O2↑ + 2NaOH

Clo cho thêm phản ứng: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O

II Một số dạng bài tập

Dạng 1: trường hợp nước bị oxi hóa hoặc bị khử ở điện cực

Bài 1(đề tuyển sinh đại học 1993): tiến hành điện phân (điện

cực trơ, màng ngăn xốp) một dung dịch chứa m gam hỗn hợp

CuSO4 , NaCl cho đến khi nước bắt đầu bị điện phân ở cả haiđiện cực thì dừng lại Ở anot thu được 0,448 lit khí (đktc).Dung dịch sau điện phân có khả năng hòa tan tối đa 0,68 gam

Al2O3

1, Tính m?

2, Tính khối lượng catot tăng lên trong quá trình điện phân?

3, Tính khối lượng dung dịch giảm trong quá trình điện phâncho rằng nước bay hơi không đáng kể?

Ph

ươ ng pháp cũ:

Giai đoạn 1: ở catot, Cu2+ bị khử; ở anot , Cl- bị oxi hóa

(I) CuSO4 + 2NaCl → Cu↓ + Cl2↑ + Na2SO4

Nếu Cu2+ và Cl- hết cùng một lúc (số mol NaCl = 2số molCuSO4), sau giai đoạn (I) chỉ còn lại Na2SO4 Nếu tiếp tục điệnphân trên thực tế là nước bị điện phân tạo dd axit hoặc kiềm

để có khả năng hòa tan Al2O3 Do đó Cu2 + và Cl- không hếtcùng một lúc Có hai trường hợp:

TH1: Sau giai đoạn (I), hết Cl-, dư Cu2+

Dung dịch chứa CuSO4 và Na2SO4

Giai đoạn 2: điện phân dung dịch CuSO4 (Na2SO4 không bịđiện phân)

(II) CuSO4 + H2O →Cu + 1/2O2 + H2SO4

Khi hết Cu2+ , nước bị điện phân ở cả hai điện cực (vì điệnphân dd H2SO4 và Na2SO4 trên thực tế là điện phân nước, thỏamãn điều kiện đầu bài) H2SO4 hoà tan Al2O3 theo pt:

3H2SO4 + Al2O3 = Al2(SO4)3 + 3H2O

0,02  0,68/102 mol

Theo (II) Cu= 0,02 mol; O2 = 0,01 mol

Tổng số mol khí ở anot = 0,02 = Cl2(I) + O2 (II)  Cl2(I) =0,01

Theo (I) NaCl = 0,02

Mặt khác Cu↓ ở 2GĐ = 0,01+0,02=0,03 = CuSO4

Do đó m= mNaCl + mCuSO4 = 0,02.58,5 + 0,03.160 = 5,97gam

Khối lượng catot tăng = m Cu bám vào = 0,03.64 = 1,92 gamKhối lượng dd giảm = m kim loại bám vào catot + m khí thoát

ra ở anot

= 1,92 + 0,01.32 + 0,01.71

= 2,95 gam

TH1: Sau giai đoạn (I), dư Cl-, hết Cu2+

Dung dịch chứa NaCl và Na2SO4

Giai đoạn 2: điện phân dd NaCl:

(III) 2NaCl + 2H2O = H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH

Khi hết Cl- nước bị điện phân ở cả hai điện cực NaOH hòatan Al2O3 theo pt:

Al2O3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + H2O

0,68/102 0,04/3 mol

Theo (III) H2 = Cl2 = 0,02/3

 Cl2(I) = 0,02- 0,02/3 = 0,04/3 mol

Theo (I) CuSO4 = 0,04/3 mol

Theo (I) v à(III) NaCl bd= 2n Cl2 = 0,04 mol

khối lượng 2 muối m= m CuSO4 + m NaCl = 4,473 gam

Khối lượng catot tăng = m Cu bám vào = 0,853 gam

Khối lượng dd giảm = m kim loại bám vào catot + m khí thoát

Cu2+ + 2e → Cu

x  2x mol

2Cl- → Cl2 + 2e2y  y  2y mol2H2O → O2 + 4H+ + 4e 0,01 0,04 0,04

số mol khí ở anot= 0,02 = số mol Cl2 + số mol O2 = y + 0,01

 số mol Cl2 = 0,01

Số mol e trao đổi = 2x = 0,04 + 2.0,01  x= 0,03

Dung dịch ban đầu: số mol Cu2+ = số mol SO42- = 0,03

số mol NaCl = 2 số mol Cl- = 0,02

m = m CuSO4 + m NaCl = 5,97 gam

Khối lượng catot tăng = m Cu bám vào = 0,03.64 = 1,92 gamKhối lượng dd giảm = m kim loại bám vào catot + m khí thoát

ra ở anot

= 1,92 + 0,01.32 + 0,01.71

= 2,95 gam

TH2: Dung dịch sau phản ứng hòa tan được Al2O3 là dd kiềm

 nước bị điện phân ở catot, khí thu được là Cl2

dung dịch sau điện phân…” các em sẽ lúng túng đặc biệt gặpbài toán cho thời gian điện phân

- Phương pháp mới sử dụng các bán phản ứng ở các điệncực : học sinh hiểu rõ các quá trình oxi hóa, quá trình khử diễn

ra như thế nào đặc biệt H2O bị điện phân như thế nào, khắcsâu được kiến thức về thứ tự dãy thế điện cực chuẩn của kimloại, giải quyết nhanh bài tóan có cho thời gian điện phân, bảnchất sự tồn tại các chât điện ly trong dung dịch, tính toánnhanh nồng độ các ion, pH c ủa dung dịch tại thời điểm dừngđiện phân…học sinh tự giải quyết vấn đề theo gợi ý của giáoviên, tự tin các bước làm, kiểm soát được từng bước giải củamình

Áp dụng :

Bài 2( đề 2009-B)

Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợpgồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, H =100%) vớicường độ dòng điện 5A, trong thời gian 3860s Dung dịch sauđiện phân có khả năng hòa tan m gam Al Tính giá trị lớn nhấtcủa m?

A 4,05 B 2,70 C 1,35 D 5,40

Gợi ý:

- Tính số mol các ion trước ĐP: Cu2+ = 0,05

Na+ = 0,25

- dung dịch sau thời gian điện phân trên là kiềm, hòa tan Altheo pt:

Al + OH- + 3H2O = [Al(OH)4]- + 3/2H2↑

0,1  0,1 mol

Khối lượng lớn nhất của Al là 2,7 gam

Phát triên bài: tăng thời gian điện phân là 14475s, không

dùng màng ngăn , dung dịch sau điện phân có khả năng hòatan bao nhiêu gam Al?

- Tính số mol e trao đổi: = I.t/96500= 5.14475/96500= 0,75mol

bảo t òan e:

2H2O + 2e → H2 + 2OH

0,65 0,05 0,65 mol

0,35  0,175 0,35 mol2H2O  O2 + 4e + 4H+

0,40,4 mol

- dung dịch sau thời gian điện phân:

Phản ứng trung hòa: H+ + OH- = H2O

0,4  0,4 mol kiềm dư = 0,25 , hòa tan Al theo pt:

A 3,920 B 4,788 C 4,480 D 1,680

Gợi ý:

- Dung dịch trước điện phân M2+ = a mol = 13,68/ (M+ 96)

Thí nghiệm 1: Điện phân với thời gian t(s): số mol e trao đổi

= I.t/96500

- Các phản ứng trên điện cực:

M2+ + 2e → M

0,070,14 0,07 mol

2H2O  O2 + 4e + 4H+

0,035 0,14 mol

- số mol e trao đổi = I.t/96500= 0,14  I.t = 13510

- Nhận xét: có thể ion M2+ chưa bị điện phân hết

Thí nghiệm 2: Điện phân với thời gian 2t(s), cường độ dòng

không đổi

số mol e trao đổi = I.2t/96500= 0,28

Đầu bài cho thu được khí ở cả hai điện cực  M2+ bị điện

phân hết, H2O bị điện phân ở cả hai điện cực

Bảo toàn electron: 2a + 0,109 = 0,28  a = 0,0855 = 13,68/

(M+ 96)  M = 64 là kim loại Cu.

Trở lại thí nhiệm 1: y = mCu = 64/2.0.14= 4,48 gam

Dạng 2: trường hợp điện phân dung dịch chứa 2 ion kim

loại

Dung dịch chứa ion Cm+ và Dn+ , tính oxi hóa Cm+ mạnhhơn Dn+ nên thứ tự điện phân như sau:

Bài 4: Điện phân 100 ml dung dịch A chứa Cu(NO3)2 8.10-3

M và AgNO3 16.10-3 M trong thời gian 7 phút 43 giây vớicừơng độ dòng điện 0,5A

1, Tính khối lượng kim loại bám vào catot và nồng độ mol/lcác ion trong dung dịch sau thời gian điện phân trên?

2, Nếu quá trình điện phân với anot bằng Cu đến khi dungdịch không còn chứa ion Ag+ nữa thì khối lượng các điện cựctăng hay giảm bao nhiêu gam? Biết ở anot Cu bị tan

- Số mol e trao đổi = 0,5.463/96500 = 0,0024 mol = 2,4.10-3

- Thứ tự điện phân tại catot:

(1) Ag+ + e → Ag

1,6.10-3  1,6.10-3 1,6.10-3 = 0,1728 gam

Số mol e còn lại = 0,8.10-3 của quá trình :

(2) Cu2+ + 2e → Cu

0,4.10-3  0,8.10-3  0,4.10-3 = 0,0256 gamKhối lượng kim loại bám vào catot = 0,1728 + 0,0256=0,1984 gam

- T ại anot: bảo toàn electron

NO3- = 3,2.10-3 mol  CM =3,2.10-2 M

2, Nếu điện phân với anot bằng Cu tan

PTĐP: Cu + 2Ag+ = Cu2+ + 2Ag↓

8.10-4  16.10-4  16.10-4 mol

Khôí lượng catot tăng = 16.10-4 108 = 0,1728 gam

Khôí lượng anot giảm = 8.10-4 64 = 0,0512 gam

Dạng 3: dự đoán quá trình điện phân dựa trên lượng sản phẩm thoát ra ở điện cực

Trong trường hợp quá trình điện phân gồm nhiều giai đoạn kếtiếp dựa vào lượng sản phẩm xuất hiện ở điện cực ta có thể dựđóan các giai đoạn nào có thể xảy ra:

- Nếu thời gian tăng n lần, lượng sản phẩm (khối lượng kimloại thoát ra ở catot) tăng n lần thì bên điện cực ấy chỉ có mộtphản ứng khử duy nhất: Mn+ + ne→ M↓

- Nếu thời gian tăng n lần, lượng sản phẩm tăng ít hơn nlần, có thể kết luận:

+ Đã điện phân hết Mn+ và lượng kim loại thu được ởcatot]ngs với toàn thể Mn+ trong dung dịch ban đầu

+ Sau khi điện phân hết Mn+, bên catot chuyển qua mộtgiai đoạn khử khác (thường là khử H2O)

Bài 5 (đề tuyển sinh đại học 1993)

Mắc nối tiếp 2 bình điện phân : bình X chứa 800 ml dd muốiMCl2 a mol/l và HCl 4amol/l, bình Y chứa 800 ml dd AgNO3.Sau 3 phút 13 giây điện phân thì ở catot bình X thoát ra 1,6gam kim loại, còn ở catot bình Y thoát ra 5,4 gam kim loại.Sau 9 phút 39 giây điện phân thì ở catot bình X thoát ra 3,2gam kim loại, còn ở catot bình Y thoát ra 16,2 gam kim loại Biết cường độ dòng điện không đổi và hiệu suất điện phân

=100%

Sau 9 phút 39 giây thì ngừng điện phân Lấy 2 dd thu được sau

điện phân đổ vào nhau thi thu được 6,1705 gam kết tủa và dd

1, Bình X: M2+ = 0,8a mol; H+ = 1,6a mol; Cl- = 4,8a mol

thời gian tăng lên 3 lần, khối lượng kim loại thu được ở catot

tăng 2 lần  chứng tỏ khối lượng kim loại M trong X ban đầu =

3,2 gam, lúc t2 = 2t1 thì M2+ bị điện phân hết, thời gian còn lại

3, n Ag+ bị điện phân = 16,2/108 = 0,15 mol

-Bình Y : nAgNO3 bd = 0,15 + 0,043 = 0,193 mol  CM =0,241M

- Bình X : nCuCl2 = nCu = 3,2/64 = 0,05 mol  CM =0,0625M

* Chứng minh giả thiết Ag+ hết

Cu2+ = 0,8a mol = 0,05  a = 0,0625  nCl- bd = 4,8.0,0625

= 0,3

Với t= 9phut 39 giây  I.t /96500= số mol e trao đổi=3.4825/96500 = 0,15

nCl- bị điện phân = 0,15 mol  số mol Cl- dư sau điện phân 9phút 39 giây là 0,15, phản ứng với Ag+ là 0,043 mol nên còn

dư là đúng

PHẦN III: KẾT LUẬN

Trên đây là một số bài tập trong số nhiều bài tập tôi đã sửdụng khi dạy cho học sinh một số thao tác tư duy khi giảiquyết một số vấn đề trong nảy sinh trong quá trình học phầnĐiện phân trong chương trình Hóa học -12- Nâng cao Việc

sử dụng những bài tập trên đã đạt được một số kết quả sauđây:

- Về phía học sinh:

1 Nắm trắc kiến thức lý thuyết

2 Vận dụng sâu kiến thức lý thuyết vào giải quyết những vấn

đề thực tế mà bài toán đặt ra

3 Từ việc giải quyết những vấn đề bài tập đặt ra giúp hiểusâu, có hệ thống, có qui luật những vấn đề lý thuyết

4 Thông qua những gợi ý, phân tích đầu bài của giáo viên,học sinh đã nắm điểm mấu chốt của một vấn đề, tự mình đưa

ra các giả thiết, tự lập kế hoạch và thực hiên kế hoạch để kiểmchứng các giả thiết đó, cuối cùng đạt được những kết luậnđúng đắn

Như vậy học sinh chủ động hoàn thiện một quá trình nhậnthức

Các bài tập trên đây được tôi sử dụng thường xuyên trong cácgiờ luyện tập, ôn tập tạo hứng thú cho học sinh, giúp các emtiếp cận có hiệu quả với các đề thi tuyển sinh vào Đại họcngay từ khi được học lý thuyết trên lớp hoặc các dề thi HSGcủa các Sở Giáo dục đào tạo

- Về phía giáo viên;

1 Bản thân việc tìm tòi để đưa ra cho học sinh các gợi ý, cácnhận xét giúp các em nắm bắt được điểm cốt lõi cần giải quyếtcũng đem lại hứng thú cho tôi, làm tôi say mê tìm tòi cácphương pháp dạy tốt hơn

2 Tôi đã xây dựng cho mình một hệ thống các bài tập theotừng chủ đề và sử dụng có hiệu quả, góp phần vào nhữngthành tích đạt được của học sinh.

Bài viết của tôi chắc không thể tránh được những thiếu sót,rất mong sự đóng góp của cấp lãnh đạo và đồng nghiệp để tôihoàn thành tốt hơn nữa công việc giảng dạy của mình

Tôi xin chân thành cám ơn!

XÁC NHẬN CỦA THỦ

TRƯỞNG ĐƠN VỊ

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tôi xin cam đoan đây làSKKN của mình viết, khôngsao chép nội dung của ngườikhác

(Ký và ghi rõ họ tên )

Nguyễn Thu Hòa