Phương pháp dạy bài sự điện phân ở lớp 12 THPT NAM SƠN

Lời mở đầu : Qua nhiều năm giảng dạy lớp khối 12 và tham gia ôn luyện thi đại học, trung học chuyên nghiệp, tôi nhận thấy phải có một bài soạn ngắn gọn, phù hợp với điều kiện và khả năn

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I Lời mở đầu :

Qua nhiều năm giảng dạy lớp khối 12 và tham gia ôn luyện thi đại học, trung học chuyên nghiệp, tôi nhận thấy phải có một bài soạn ngắn gọn, phù hợp với điều kiện và khả năng tiếp thu của học sinh Trong đó phần điện phân là một vấn đề khó mà đa số học sinh đều lưu ý và cần được hướng dẫn cẩn thận Nếu chỉ để học sinh học theo SGK và thầy dạy theo SGK về phần điện phân trong bài điều chế kim loại thì tất nhiên học sinh sẽ không giải quyết trọn vẹn một số bài toán có liên quan đến điện phân

II Thực trạng vấn đề nghiên cứu

1 Thực trạng :

Qua thực tế những năm trước đây chưa có bài giảng ngoại khoá ngoài thì trong quá

trình hướng dẫn học sinh gặp rất nhiều khó khăn Nhận thức về điện phân là rất mơ hồ.

2 Kết quả, hiệu quả của thực trạng trên

Để đáp ứng nhu cầu của học sinh, góp phần giải trọn vẹn những đề thi đại học và trung học chuyên nghiệp Tôi đã mạnh dạn nghiên cứu tài liệu để biên soạn bài ngoại khoá nghiên cứu này và đã sử dụng trong nhiều năm Kêt quả tiếp thu phần điện phân của học sinh lớp 12 đã năng lên rõ rệt

( qua kiểm tra đối chứng hàng năm, giữa giai đoạn chưa cung cấp và sau khi ngoại khoá phần điện phân này )

Với sự tìm tòi, tự kiểm chứng và bài soạn mang tính chất tự phục vụ trong phạm vi hẹp, nên chắc chắn còn có thiếu sót không tránh khỏi, mong quý vị thông cảm

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Các giải pháp thực hiện

1 Cơ sở kiến thức :

a Phương pháp điện phân dùng để điều chế kim loại là một phần của điện phân nói

chung

- Phương pháp điện phân : dùng dòng điện một chiều trên ca tốt ( cực âm )

để khử ion kim loại trong hợp chất Bằng phương pháp này có thể điều chế được hầu hết các kim loại với độ tinh khiết cao.

b Bằng điện phân có thể dùng điều chế kim loại, mạ kim loại, tinh chế và tách kim loại

ra khỏi nhau.

c Bản chất của quá trình điện phân là quá trình cho nhận e gián tiếp ( qua các điện cực )

phải nhờ điện cực bên ngoài và quá trình không tự diễn biến

Vậy phản ứng trong quá trình điện phân giống và khác nhau với phản ứng

ôxi hoá khử :

- Đều là các quá trình cho nhận e ( là các quá trình ôxi hoá - khử )

- Phản ứng ôxi hoá khử : sự cho nhận e xảy ra trực tiếp do va chạm của các nguyên tử , phân tử ion và quá trình tự diễn biến còn quá trình điện phân không tự diễn biến mà phải nhờ dòng điện bên ngoài

2 Các trường hợp điện phân

2.1 Điện phân nóng chảy :

Muối – oxit – kiềm dùng để điều chế kim loại hoạt động : K – AI

2.1.1 Muối Halogen

MX n M + X 2

2.1 2 Ôxít :

R X O Y x R + y O 2

2

2.1 3 Hyđrô xít kim loại kiềm:

4 MOH 4M +O 2 + 2 H 2 O

Ví dụ minh hoạ:

a, Ôxít :

Al2O3 = 2Al3+ + 3O

2-Ca tốt ( - ) : Al3t + 3 e = Al 4

A nốt ( + ) : 2O2 - 4 e = O 2 3

PTĐP : 2Al2O3 đpnc 4 Al + 3O2

b, Muối Halogen :

NaCl nc Na+ + Cl—

Catốt ( - ) : Na+ + 1e = Cl 2

A nốt ( + ) : 2 Cl - – 2e = Cl2 1

PTĐP : 2 NaCl đpnc 2 Na + CI2

c, Hyđrôxit

NaOH đpnc Na + + OH

-Ca tốt ( - ) : Na + + 1e = Na 4

A nốt ( + ) : 4 OH - – 4 e = O2 + 2H2 O 1

PTĐP : 4 NaOH đpnc 4Na + 2 H2O + O2

( Có 1 phần nhỏ Na + H2 O )

2 2 Điện phân dung dịch :

Chủ yếu để điều chế các kim loại trung bình và yếu từ sau AI trở đi( Zn

Hg ) 2.2.1 Quá trình điện phân xảy ra ở Catốt ( - ) :

K+, Na+ ….AI3+ không tham gia điện phân

Zn 2+ H + … Cu 2+ ; Fe 3+ / Fe 2+ ; Hg + / Hg ; Ag + / Ag ; Hg 2+ / Hg tham gia điện phân Nếu ở Ca tốt chỉ có các ion K+  AI3+ thì H2O điện phân

2 H2O + 2e = H2 + 2 OH—

Nếu ở Ca tốt có Zn2+ … Hg2+ thì chúng tham gia điện phân

Mn+ + ne = M

Kết luận chung :Các ion có tính ôxi hoá càng cao thì khả năng nhận e càng lớn (

đễ bị điện phân trước ) theo thứ tự :

Hg2+ Ag+ – ( Fe3+ Fe2+ )Cu2+ H+ … Fe2+ e3+ Zn2+

Khả năng nhận e giảm dần

( Thứ tự điện phân từ trái sang phải )

Nếu ( H + ) nhỏ hoặc môi trường trung tính thì đồng thời xảy ra cả quá trình khử

2H+ H2+ và khử ion KL kim loại

( Tất nhiên trong dung dịch K+, Na+ … Mg2+ , AI3+ không điện phân )

2 2.2 Phản ứng điện phân xảy ra ở Anốt ( + ) ( trơ ) :

Các anion có tính khử càng mạnh ( khả năng nhường e càng lớn ) thì dễ bị điện phân trước, cụ thể thứ tự điện phân là :

S2 - I - Br - CI - … sau đó tới OH - của kiềm hoặc của H2O

Lưu ý : Các Anion: NO3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- ; PO 4 3- coi như không bị điện phân

Điện cực anốt : Anốt trơ

Có hai trường hợp Anốt tan

Các phản ứng điện phân xảy ra ở Anốt trên với điều kiện là A nốt trơ

Tổng quát Anốt trơ :

1 0 Ion âm ( anion ) không có ôxi : CI, Br, I , S2 -… thì tham gia điện phân

Ví dụ : 2 CI – 2e = CI2

2 0 Ion âm có ôxi ( SO42- ; NO3 ; PO4 3- …) không tham gia phản ứng mà H2O điện phân

H2O – 2e = 2H+ + O2

Với Anốt tan là Anốt làm bằng kim loại cùng tên với kim loại trong chất điện phân : kim loại của anốt nhường e tạo ion dương vào dung dịch chuyển về ka tốt thu e tạo kim loại bám vào Ka tốt : chất điện phân không tham gia điện phân

3 0 Ứng dụng Anốt tan để mạ kim loại

3 Một số ví dụ minh hoạ về điện phân dung dịch :

3.1 Điện phân dung dịch chứa một chất điện phân

Ví dụ 1 : Điện phân dung dịch NaCI

Dung dịch NaCI NaCI = Na+ + CI-

H2O H+ +

OH -

Ka tốt ( - ) A nốt ( + )

Na+ CI

H2O H+ + OH - H2O H + OH -

2H+ +2e = H2 2 CI - - 2e = CI2

( 2H2O + 2 e = H2 + 2 OH- )

PTĐP : 2 NaCI + 2 H2O đp có màng ngăn H2 + CI2 + 2 NaOH

Hoặc : NaCI = Na+ + CI

H2O H+ + OH

Ca tốt ( - ) 2H+ + 2e = H2

1 ( 2 H2O + 2 e = H2 + 2 OH - )

Anốt ( + ) 1 2CI - 2 e = CI2

PTĐP thu gọn : 2 CI + 2 H2O đp có màng ngăn H2 + CI 2 + 2 OH-

PTĐP : 2 NaCI + 2 H2O đpm.n H2 + CI2 + 2 NaOH

Ví dụ 2 : Điện phân dung dịch CuCI2

CuCI2 = Cu2+ +

H2O H+ + OH -

Ca tốt ( - ) : Cu2+ + 2 e = Cu 1

A nốt ( + ) : 2 CI - - 2 e = CI2 1

PTĐP: CuCI2 đpdd Cu + CI 2

Ví dụ 3 : Điện phân dung dịch Cu SO4

Cu SO4 = Cu2+ + SO42-

H2O H+ + OH

Ca tốt ( - ) : Cu2+ + 2e = Cu 2

A nốt ( + ) : 2 H2 O - 4e = O2 1

( 4 OH - - 4e = O2 + 2 H2 O )

PTĐP : 2 Cu2 + + 2 H2O = 2 Cu + O2 + 4 H+

Hay : 2 Cu SO4 + 2 H2O = 2 Cu + O2 + 2 H2SO4

Ví dụ 4 : Điện phân dung dịch muối kim loại kiềm với gốc a xít chứa ôxy

( I on kim loại kiềm + a ni on SO42 )

Điện phân dung dịch Na2 SO4 ( hoặc dung dịch K2SO4 )

Na SO4 = 2 Na+ + SO42-

H2O H+ + OH

Ka tốt ( - ) 2 H2O + 2 e = H2 + 2 OH - 2

A nốt ( + ) 2 H2O - 4 e = O2 + 4 H + 1

2 H2O 2 H2 + O2

3 2 Điện phân dung dịch chứa nhiều chất điện phân

Ví dụ : Điện phân dung dịch chứa ( điện cực trơ… )

KBr ; MgSO4 ; CuCI2; FeCI3 ; HCI ; Cu SO4

Phương trình điện ly :

KBr = K+ Br

MgSO4 = Mg2+ + SO42 -

Cu SO4 = Cu2+ + SO42

CuCI2 = Cu2+ + 2 CI-

FeCI3 = Fe3+ + 3 CI -

HCI = H+ + CI -

H2O H+ + OH -

Thứ tự điện phân ở Catốt lần lượt :

Fe3+ + 1e = Fe2 +

Cu 2 + + 2 e = Cu

2 H+ + 2e = H2

Fe 2+ + 2e = Fe

2 H2O + 2e = H2 + 2 OH

( 2 H + + 2e = H2 )

Thứ tự điện phân ở a nốt ( - ) lần lượt :

2 Br - - 2 e = Br 2

2 CI - - 2 e = CI 2

2 H 2O - 4 e = O 2 + 4 H +

( 4 OH - - 4 e = O2 + 2 H 2O

3 3 Điện phân dung dịch với a nốt tan

Ví dụ : Điện phân dung dịch Ni SO 4 với Anốt là Ni

Dung dịch : Ni SO 4 Ni 2 + + SO 4 2 -

H 2O = H + + OH –

Ca tốt ( - ) : Ni 2 + + 2 e = Ni bám vào Ca tốt

A nốt ( + ) : Ni - 2 e = Ni 2 + tan vào dung dịch

Kết quả : [ Ni 2 + ] không thay đổi trong dung dịch SO 42 - , H 2 O ở Anốt không xảy ra điện phân ( ứng dụng điện phân dung dịch với A nốt để mạ kim loại )

4 Điện phân các bình điện phân mắc nối tiếp :

Các bình điện phân mắc nối tiếp chú ý : sự thu hút hoặc nhường e ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở cực cùng tên tỉ lệ với nhau

Ví dụ :

Bình 1.: Ag NO3

Bình 2 : Cu SO 4 bình 1 và bình 2 mắc nối tiếp thì :

Bình 1 : 2 Ag + + 2 e = 2 Ag

Bình 2 : Cu 2 + + 2 e = Cu

Và n Ag = 2 n Cu

( hay số mol Ag tạo thành bằng 2 lần số mol của Cu )

5 Định luật FARADAY : AI t

m =

n F

m: Lượng chất thoát ra ở điện cực ( Tính theo gam )

A : Khối lượng mol nguyên tử ( hay ion )

( Nếu là khí thoát ra thì A : KL phân tử )

Ví dụ : O2 ; A = 32

I : Cường độ tính theo am pe

t : Thời gian ( s )

F : Số Faraday : 96.500 cu lông

n : là e tham gia ở điện cực

Ví dụ I : Điện phân dung dịch CuSO4

Ca tốt ( - ) Cu 2 + + 2e = Cu

A nốt ( + ) 2 H2O - 4 e = O 2 + 4 H +

Ca tốt : Cu 2+ + 2 e = Cu thì n = 2 ; A = 64

A nốt : 2 H 2O - 4 e = O 2 + 4 H + thì n = 4 ; A = 32

Ví dụ 2 :

Fe 3+ + 1 e = Fe 2 + thì n = 1 ; A = 56

Q = It gọi là điện lượng ; Q tính theo cu lông

F = 96.500 đơn vị cu lông khi thời gian điện phân tính theo giây

96500

F = 26,8 = 26,8

3600

A

Là đương lượng điện hoá = K

n F

Ait m It

m = = = n

n F A n F A

n A sô moI chất thoát ra ở điện cực

AI t

m =

96500 n

6 Hiệu suất điện phân

M T T

h% = 100 %

M L T

Mật độ dòng là cường độ dòng trên 1 đơn vị diện tích điện cực :

1 I : am pe – mi li am pe

d =

S S : m 2 - dm 2 - cm 2 = m m 2

7 Bài tập ứng dụng :

7 1 Một số ví dụ ứng dụng :

Ví dụ 1 : Viết các quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực khi điện phân

dung dịch hỗn hợp FeCI 3 , CuCI 2 , HCI biết thứ tự điện thế như sau :

Fe 3+ / Fe 2+ > Cu 2+ / Cu > 2 H+ / H 2 > Fe 2+ / Fe

ở Ca tốt ( - ) thứ tự điện phân :

Fe 3 + + 1 e = Fe 2+

Cu 2+ + 2 e = Cu

2H + + 2 e = H2+

Fe 2+ + 2 e = Fe

Sau đó H2O điện phân

ở A nốt thứ tự điện phân

2 CI - - 2e = CI 2

Sau khi nước điện phân :

Ví dụ 2 : Có thể dùng phương pháp điện điện phân để kiểm tra số AVOGADRO được không? Nếu được hãy trình bày nguyên tắc xác định số đó ?

Bài làm : 1e mang điện tích - 1, 60206 * 10 -19c

Khi điện phân nước, cứ H + nhận e để trở thành 1 nguyên tử H

H + + 1e = H

Muốn giải phóng 1 gam Hiđrô ( tức 6, 02 10 23 nguyên tử ) thì cần một đương lượng là :

6,02 10 23 1,6 10 – 19 = 96.500 cu lông

Số Avôgađrô xác định điện tích của mol e = 96500 cu lông

Ví dụ 3 :

a Nêu sự khác nhau về quá trình cho nhận e trong phản ứng điện phân

và trong phản ứng ôxi hoá - khử

b Viết các phương trình phản ứng điện phân xảy ra khi điện phân ( điện cực trơ, màng ngăn xốp ) dung dịch chứa a mol Cu SO 4 và b mol NaCI trong ba trường hợp

b = 2a , b < 2a , b > 2a

a Học sinh tự trả lời

b Cu SO4 = Cu 2+ + SO 4 2-

NaCI = Na+ + Cl -

H 2O = H + + OH-

- Khi dùng điện một chiều đi qua

Ca tốt ( - ) : Cu 2+ + 2e = Cu

Anốt (+ ) : 2C l - - 2e = C l 2

 Phương trình điện phân tối thiểu là :

Cu SO4 + 2 NaCl = Cu + Cl 2 + Na 2 SO 4 ( 1 )

a b

- Nếu b = 2a

Cu SO 4 , NaCl theo ( 1 ) tham gia hết dung dịch sau điện phân thì có Na2SO 4 Nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ tham gia :

H2O = H2 + O 2

- Nếu b > 2a

Theo ( 1 ) dung dịch ngoài Na2 SO4 ( a mol ) còn NaCl dư ( b – 2a ) mol Nếu tiếp tục thì NaCl điện phân cùng nước theo PTĐP

2 NaCl + 2 H2O – H2 + Cl 2 + 2 NaOH

( b – 2a ) mol ( b -2a ) mol

Sau phản ứng có a mol Na2SO4 và ( b - 2a )mol NaOH

Tiếp tục điện phân thì H2O điện phân

- Nếu b < 2a theo (1 ) dung dịch có Na2SO4 mol

Còn Cu SO4 dư a - mol Nếu điện phân thì Cu SO4 điện phân

Cu SO4 + H2O - Cu + O2 + H2 SO4

a - a -

Sau lần điện phân này, dung dịch có ( ) mol Na2 SO4 ; ( a - ) mol H2SO4 Nếu tiếp tục điện phân thì nước điện phân

Ví dụ 4 :Viết phương trình phản ứng có thể xảy ra khi điện phân dung dịch hỗn

hợp HCl, CuCl 2 , NaCl với điện cực trơ, màng ngăn Hãy cho biết p H của dung dịch

sẽ thay đổi như thế nào ( tăng hay giảm ) trong quá trình điện phân

Sự điện ly: CuCl 2 = Cu2+ + 2 Cl-

HCl = H+ + Cl

NaCl = Na + + Cl –

H2O H + + OH -

Khi có dòng điện một chiều đi qua :

CuCl2 = Cu + Cl2

Dung dịch còn HCl nên PH < 7

Sau đó HCl tiếp tục điện phân

2HCl = H2 + Cl2

Hết HCl còn NaCl

Tiếp tục điện phân dung dịch NaCl

Catốt : H2O + 2e = H2 + 2OH 1

Anốt : 2Cl- - 2e = Cl2 1

2NaCl + 2H2O = H2 + 2NaOH + Cl2

Có màng ngăn trong dung dịch xuất hiện NaOH nên PH > 7

Và PH tăng dần đến khi hết NaCl  đến lúc dung dịch chỉ còn NaOH,

nếu tiếp tục điện phân thì H2O tham gia điện phân

2H2O = 2H2 + O2

Nước giảm dần, NaOH không đổi nên PH > 7 và tăng dần vì nồng độ mol của NaOH tăng dần

Ví dụ 5:

a Những quá trình nào xảy ra trên bề mặt điện cực bạch kim khi điện phân 1lít dung dịch AgNO3 Viết sơ đồ điện phân và PTĐP tổng quát

b Nếu môi trưuờng dung dịch sau khi điện phân có PH = 3, hiệu suất điện phân 80% Thể tích dung dịch không đổi Tìm nồng độ mol các chất trong ducng dịch sau điện phân, khối lượng AgNO3 ban đầu bao nhiêu ?

Bài làm :

AgNO3 = Ag+ + NO - 3

H2O H + + OH –

Khi có dòng điện 1 chiều đi qua

Catốt ( - ) : 2Ag+ + 2 e = Ag

Anốt ( + ) : H2O – 2e = 1/2 O2 + 2H+

PTTQ : 2AgNO3 + H2O = 2Ag + 1/ 2 O2 + 2HNO3

b Sau PƯ dung dịch xuất hiện HNO3 nên PH = 3

 [ H+] = 0,001 mol / lít

{ HNO3 } = [ H + ] = 0,001mol / lít

Vì dung dịch là lít  n HNO 3 sinh ra là 0,001 mol

 n AgNO3 tham gia điện phân : 0, 001 mol

HS điện phân 80% nên : 0, 001 x 100

n AgNO3 ban đầu = 0, 000125 mol

80

n AgNO3 còn lại = 0,00125 - 0,001 = 0,00025 mol

m AgNO3 ban đầu : 170 * 0, 000125 = 0,2125 g

[ HNO3 ] = 0,001M

[ AgNO3 ] = 0,00025M

Ví dụ 6 : Bài tập ứng dụng

a Từ dung dịch CuCl2 điều chế Cu

b Từ dung dịch hỗn hợp CuSO4 ; Na2SO4 điều chế Cu tinh khiế

7.2.Bài tập tự giải :

Bài tập 1 : Hãy giải thích tại sao lượng chất thoát ra ở điện cực khi điện hân tỉ lệ thuận với khối lượng nguyên tử ( hoặc khối lượng phân tử ) với cường độ dòng