Tích hợp môn hóa học vào dạy học bài TIẾT 26, 27 bài 14 dòng điện trong chất điện phân sách giáo khoa vật lý 11

- Viết phương trình phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực và trong dungdịch trong hiện tượng điện phân.- Ý nghĩa của các đại lượng trong công thức của định luật Faraday: Như A, n, A/n,

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BẠC LIÊU TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

1 Họ và tên: Nguyễn Đức Thưởng

Ngày sinh 19/03/1965; Môn: Vật LíĐiện thoại: 0918440692; Email: taiducbl@yahoo.com.vn

2 Họ và tên: Trần Quang Điện

Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật LíĐiện thoại: 0913631226; Email: tqdien@sobaclieu.edu.vn

PHIẾU MÔ TẢ DỰ ÁN DẠY HỌC – MÔN VẬT LÝ

Sở Giáo dục – Đào tạo Bạc Liêu

1 Họ và tên: Nguyễn Đức Thưởng

Ngày sinh 19/03/1965; Môn : Vật Lí

Điện thoại: 0918440692; Email: taiducbl@yahoo.com.vn

2 Họ và tên: Trần Quang Điện

Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật Lí

Điện thoại: 0913631226; Email: tqdien@sobaclieu.edu.vn

1 Tên dự án dạy học

TIẾT 26, 27: BÀI 14: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN

Tích hợp môn hóa học vào dạy học bài “ Dòng điện trong chất điện phân.

Sách giáo khoa Vật lý 11

2 Mục tiêu dạy học

2.1 Kiến thức

2.1.1 Đối với môn Vật lý:

- Khắc sâu kiến thức về dòng điện, điều kiện để có dòng điện, dòng điệntrong kim loại, chất dẫn điện và chất cách điện, lực điện trường làm điện tíchdương di chuyển cùng chiều điện trường và các điện tích âm di chuyển ngượcchiều điện trường

-Trả lời được câu hỏi thế nào là chất điện phân, hiện tượng điện phân, nêubản chất của dòng điện trong chất điện phân

- Phát biểu được các định luật Fa-Ra-Đây về điện phân, áp dụng giải cácbài tập

- Các phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân, hiện tượng dương cựctan

- Các ứng dụng của hiện tượng điện phân trong sản xuất, KHKT

2.1.2 Đối với môn Hóa học:

- Các kiến thức về hóa học: cấu tạo của các axit, bazơ, muối, liên kết ion,khái niệm về hóa trị

- Sự phân li của chất điện phân, sự phân li của các chất phụ thuộc vàonhiệt độ

- Viết phương trình phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực và trong dungdịch trong hiện tượng điện phân.

- Ý nghĩa của các đại lượng trong công thức của định luật Faraday: Như

A, n, A/n, các điện tích nguyên tố, …

- Cách điều chế hóa chất

2.1.3 Đối với môn Toán:

- Các kiến thức về Toán học: Tính thể tích hình hộp, các kiến thức về sốlũy thừa

2.1.4 Đối với môn Sinh học:

a/ Sinh học lớp 10 Bài 11- VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG SINH

b/ Sinh h c l p 11 Bài 28 - ọc lớp 11 Bài 28 - ớp 11 Bài 28 - Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

- Điện thế nghỉ: là sự chênh lệch điện thế giữa hai bên màng tế bào khi tế bào nghỉ ngơi (không bị kích thích), phía trong màng tế bào tích điện âm so với phía ngoài màng tích điện dương

2.2 Kỹ năng

2.2.2 Đối với môn Vật lý:

+ Rèn kỹ năng thí nghiệm

+ Kỹ năng vận dụng kiến thức đã biết vào bài học như:

- Vận dụng kiến thức về dòng điện để kết luận trong chất điện phân có cáchạt tải điện tự do

- Vận dụng công thức F q Eđể tìm hiểu xem các hạt tải điện tự do trongchất điện phân chuyển động như thế nào dưới tác dụng của điện trường

- Vận dụng thuyết electron để giải thích số phân tử phân li phụ thuộc vàonhiệt độ

- Vận dụng định luật Ôm cho dòng điện trong chất điện phân

- Vận dụng đường đặc tuyến Vôn- Ampe của dòng điện trong chất điệnphân để xây dựng định luật I Faraday

+ Kỹ năng ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn: Mạ điện, đúc điện, luyệnkim

2.2.3 Đối với môn Hóa học:

+ Kỹ năng vận dụng kiến thức hóa học vào bài học như:

- Vận dụng thuyết điện li để tìm ra loại hạt tải điện trong chất điện phân và

sự hình thành của chúng

- Chứng minh số phân tử phân li phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân

- Xác định được chất khí thoát ra ở điện cực trong hiện tượng điện phândung dịch NaCl, sản xuất nhôm

- Vận dụng thuyết điện li và tính dẫn điện của chất điện phân để giải thíchcác đinh luật Faraday

- Làm thí nghiệm điều chế hóa chất: NaOH, khí clo và Hidro

* Ngoài ra còn rèn cho học sinh kỹ năng:

- Biết làm việc hợp tác, làm việc theo nhóm

- Biết tìm kiếm, khai thác thông tin từ các nguồn khác nhau, đặc biệt là quamạng Internet

- Rèn luyện kỹ năng giao tiếp và trình bày vấn đề

- Biết sử dụng các thiết bị tin học để trình chiếu các ý tưởng cũng như sảnphẩm

- Biết tự đánh giá năng lực và hứng thú của bản thân và đánh giá bạn bè

- Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước, làmsạch nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa vào tái sử dụng

- Phân loại nước thải : N ướp 11 Bài 28 - c th i đ ải được phân loại theo nguồn gốc phát ược phân loại theo nguồn gốc phát c phân lo i theo ngu n g c phát ại theo nguồn gốc phát ồn gốc phát ốc phát sinh Theo cách phân lo i này, có các lo i n ại theo nguồn gốc phát ại theo nguồn gốc phát ướp 11 Bài 28 - c th i sau đây: ải được phân loại theo nguồn gốc phát

Nước thải sinh hoạt; Nước thải công nghiệp; Nước thấm qua;Nước thải tự nhiên; Nước thải đô thị; …

2.2.4 Đối với môn Toán học: Rèn luyện kỹ năng tính toán, sử dụng máy tínhCasio

2.2.5 Đối với môn Sinh học:

- Rèn luyện kĩ năng quan sát, phân tích, so sánh, tổng hợp kiến thức

- Rèn luyện được khả năng quan sát hình, khai thác thông tin từ hình ảnh

- Rèn kĩ năng làm việc nhóm

- sự chênh lệch nồng độ Na+, K+ hai bên màng; tính thấm của màng đối với ion K+ (cổng Kali mở để ion kali đi từ trong ra ngoài); lực hút tĩnh điện giữa các iontrái dấu; hoạt động của bơm Na – K

2.3 Tư duy và thái độ:

- Có hứng thú học môn vật lý nói chung và bài dòng điện trong chất điệnphân nói riêng

- Yêu thích tìm tòi, khám phá các thành tựu khoa học

- Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong nghiêm túc, ham học hỏi

- Có tinh thần nhiệt tình, hợp tác làm việc

- Có ý thức vận dụng kiến thức đã biết vào bài học

- Theo tài liệu Giáo dục bảo vệ môi trường trong môn Sinh học THPT, liên hệ:

3 Đối tượng dạy học của bài học

- Tôi đã tiến hành dạy tại lớp 11C3 trường THPT Võ Văn Kiệt

- Số lượng học sinh tham gia: 37 học sinh trong đó có 23 nữ và 14 nam, họctheo chương trình cơ bản Nhận thức của học sinh tương đối đồng đều, đa số các

em có điều kiện thường xuyên sử dụng máy vi tính và làm quen với sự trợ giúpcủa máy vi tính

4 Ý nghĩa dự án:

4.1 Ý nghĩa của dự án đối với thực tiễn dạy học:

- Phát huy tính tích cực, tự chủ, tư duy sáng tạo của học sinh trong quá trìnhtham gia tìm tòi giải quyết vấn đề từ đó học sinh nắm được bài học sâu sắc hơn,hiểu về thực tiễn cuộc sống xung quanh và học được nhiều kỹ năng sống, làmviệc

- Vận dụng được kiến thức lý thuyết vào thực tiễn như điều chế hóa chất,luyện kim, mạ điện, đúc điện và vai trò của chúng trong cuộc sống

- Biết vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết vấn đề đặt ra trong cuộcsống

5 Thiết bị dạy học, học liệu

5.1 Thiết bị dạy học

- Máy tính, máy chiếu

- Bộ thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân: Nguồn một chiều, cácđiện cực, các dung dịch NaCl, NaOH, HCl, Đồng sunfat, nước cất, dây nối, cácbình đựng dung dịch, ống nghiệm

- Sách giáo khoa Vật lý 11 nâng cao, sách giáo viên vật lý 11 nâng cao, sách

để học tốt Vật ly 11 cơ bản, Bài tập định tính và câu hỏi thực tế Vật lí 11, sáchVật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí

- Các ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy và học:

+ Sử dụng máy tính, máy chiếu để hỗ trợ cho giáo viên trong quá trình giảngbài, học sinh báo cáo sản phẩm là bài trình chiếu đa phương tiện của 3 nhóm vềứng dụng của hiện tượng điện phân, đặt hiệu ứng mô tả chuyển động của các iondưới tác dụng của điện trường

+ Truy cập internet để tìm kiếm thông tin về công nghệ mạ điện, đúc điện,luyện kim, điều chế hóa chất bằng phương pháp điện phân phục vụ cho bài học

5.2 Học liệu:

ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG.

I Xử lý nước thải.

I.1 Định nghĩa.

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người

và bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng

Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước, làm

sạch nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa vào tái sử dụng

I.2 Phân loại.

Nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh Theo cách phân loạinày, có các loại nước thải sau đây:

- Nước thải sinh hoạt: là nước thải ra từ các khu dân cư, khu vực hoạt động

thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác

- Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả

nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu

Hình 2 Nước thải từ khu dân cư- xả trực tiếp xuống kênh Nhiêu Lộc- Thị Nghè (TP Hồ Chí Minh).

Hình 3 Sông Thị Vải bị ô nhiễm bởi nước thải chưa qua xử lý

từ công ty Vedan.

- Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách

khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga hay hốngười

- Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên Ở những

thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoátriêng

- Nước thải đô thị: nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ

thống cống thoát của một thành phố Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kểtrên

Hình 5 Nước mưa gây ngập úng ở các đô thị.

Hình 4 Sông Trà Khúc bị ô nhiễm bởi nước thải chưa qua xử lý từ công ty Đường Quãng Ngãi

I.3 Vai trò của việc xử lý nước thải.

Nền văn minh của nhân loại càng phát triển, các đô thị mọc lên và được

mở rộng một cách nhanh chóng Vì vậy, nước thải sinh hoạt và chất thải côngnghiệp từ các khu công nghiệp, thành phố gây ra sự ô nhiễm nặng nề đối với môitrường nước và ngày càng trở thành vấn đề cấp bách mang tính chất xã hội vàchính trị của cộng đồng Bản thân nước thải chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong

đó có rất nhiều các virut, vi khuẩn gây bệnh như tả, lị, thương hàn,… chất độcgây chết nhiều sinh vật, nếu đi vào cơ thể con người, sẽ tích tụ lại trong cơ thể vàgây bệnh Nhiều công ty, xí nghiệp không xử lý nước thải gây ảnh hưởng xấuđến môi trường đã phải chịu sự trừng phạt của pháp luật

Vì vậy, xử lý nước thải sẽ góp phần phát triển kinh tế, tiết kiệm nguồnnước sạch mà hơn hết nó góp phần bảo vệ sức khỏe cho con người, giữ cho môitrường thêm sạch đẹp

Các phương pháp xử lý nước thải bao gồm: Cơ học, hóa lý, hóa học và sinh học

I.4 Xử lý nước thải bằng điện phân.

Sử dụng các quá trình oxi hóa anot và khử của catot để làm nước thải

khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán Tất cả các quá trình này đều xảy ra trêncác điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải Phương pháp này có

Hình 6 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.

sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học nhưng lại tiêu hao điện năng lớn Phương pháp này có thể tiến

hành gián đoạn hoặc liên tục

Oxi hóa anot và khử của catot:

Xét sơ đồ bể điện phân:

Các quá trình đã được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chấtxyanua, ancol sunfo xyanua, các amin, andehit, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm azo,sunfit…Trong quá trình oxi hóa, các chất trong nước thải bị phân rã hoàn toàntạo thành CO2, NH3 và H2O tạo thành các chất không độc và đơn giản hơn để cóthể tách ra bằng phương pháp khác

Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tínhchất điện phân như graphit, macnetit (Fe3O4), PbO2…Catot được làm bằngmolipden, hợp kim của vonfram với sắt hay niken; từ than chì, thép không gỉ vàcác kim loại khác được phủ lớp molipden, vonfram hay hợp chất của chúng

Quá trình được tiến hành trong bể điện phân có hoặc không có màng

I.4.1 Khử độc xyanua.

I.4.1.1 Oxi hóa của anot.

Hình 7 Sơ đồ bể điện phân

1 Thân bể

2 Anot

3 Catot

4 Màng.

Nước thải của các nhà máy chế tạo máy, chế tạo dụng cụ, luyện kim đen

và luyện kim màu, công nghiệp hóa chất…ngoài chứa các xyanua đơn giản(KCN, NaCN) còn có các xyanua phức của kẽm, đồng, sắt và các kim loại khác

CNO + 2H O  NH + COQuá trình oxi hóa cũng có thể dẫn đến sự tạo thành nitơ:

2CNO + 4OH - 6e  N  + 2CO  + 2H OPhương pháp này có hiệu quả xử lý gần 100%

I.4.1.2 Kỹ thuật oxi hóa bằng NaOCl mới sinh.

Trong kỹ thuật này, NaOCl mới sinh do quá trình điện phân dung dịch NaClkhông có màng ngăn sẽ oxi hóa CN- theo phản ứng:

CN + ClO CNO + Cl 2CNO + 3ClO + 2H O 2CO + 3Cl + 2OH

I.4.2 Khử kim loại nặng.

Các quá trình khử của catot được ứng dụng để loại các ion kim loại ra khỏinước thải với sự tạo thành cặn, nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành cáchợp chất ít độc hơn hoặc về dạng dễ tách ra khỏi nước như cặn, khí Quá trìnhnày có thể được sử dụng để làm sạch nước thải ra khỏi các ion kim loại nặng độchại như Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, As3+ và Cr6+ Quá trình khử của catot đối với ionkim loại xảy ra như sau: Men+ + ne  Men Ở đây, các kim loại lắng lên catot vàđược thu hồi

Ví dụ: Quá trình khử hợp chất crom đã đạt đến mức độ làm sạch cao: nồng

độ của chúng từ 1000 tới còn 1g/ml Năng lượng tiêu tốn cho làm sạch vàokhoảng 0,12 kWh/m3 Trong điện phân nước thải chứa H2Cr2O7, giá trị tối ưu pH

 2 Phản ứng khử xảy ra theo phương trình sau:

II Điện phân sản xuất.

II.1 Sản xuất các chất vô cơ.

II.1.1 Điện phân nóng chảy.

- Phương pháp điện phân nóng chảy được dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al,…

+ Nhôm được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy Al2O3 nguyênchất ở 2000oC với criolit (criolit, một mặt tăng tính dẫn điện của chất lỏng điệnphân, tiết kiệm năng lượng, mặt khác, nó có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổilên trên và ngăn cản nhôm bị oxi hóa trong không khí)

Catot: 2Al + 6e 3+  2Al0

+ Các kim loại kiềm được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hidroxit hoặc

muối clorua của chúng trong điều kiện không cho sản phẩm tiếp xúc với khôngkhí Riêng kim loại kiềm thổ, thực tế chỉ điện phân muối clorua

2MOH dpnc

   2M +1/2 O2↑ + H2O↑ (M = Na, K,…)2MClx dpnc

2

1 2NaOH 2Na + O + H O

II.1.2 Điện phân dung dịch.

Dùng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu: Fe, Cu, Ag,…

và nước trong dung dịch đóng vai trò để các cation và anion di chuyển về các

Hình 8 Sơ đồ thùng điện phân Al 2 O 3 nóng chảy.

điện cực, đôi khi tham gia vào phản ứng điện cực Tuy nhiên, thực tế người ta ítdùng điện phân, thay vào đó là nhiệt luyện.

- Một lượng lớn xút, khí clo, khí oxi, khí hidro, các hợp chất chứa oxi củaclo (hypoclorit, clorat) được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch

+ Xút và khí clo được sản xuất từ nguyên liệu vô cùng rẻ là muối ăn

comang ngan

     Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH

Với điện phân có màng ngăn, hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH

là Cl2 và H2 Với điện phân không có màng ngăn, sản phẩm tạo thành là nướcGia- ven có ý nghĩa trong đời sống sinh hoạt và công nghiệp giấy, vải,…

Hình 9 Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Hình 10 Nước Gia- ven.

Ưu điểm:

- Công nghệ đơn giản.

- Sử dụng nguyên liệu và năng lượng toàn diện.

- Tạo được sản phẩm có giá trị và độ sạch cao.

Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều năng lượng.

+ Bên cạnh phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng được dùngrất phổ biến, oxi và hidro có thể được điều chế bằng cách điện phân nước Vềbản chất, nước nguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn Do vậy,muốn điện phân nước cần cho vào thêm các chất điện li mạnh như: muối tan,axit mạnh, bazơ mạnh,…

2H2O dp

  2H2↑ + O2↑+ Phương pháp điện phân còn được dùng để điều chế nước oxi già, cáchợp chất feroxit, pemanganat, mangan đioxit,…

Điện phân dung dịch H2SO4 50% hoặc dung dịch (NH4)2SO4 trong H2SO4

với mặt của dòng điện lớn và điện cực platin ở nhiệt độ 5- 10oC Tuy cơ chế chitiết của quá trình điện phân vẫn chưa biết rõ hoàn toàn, nhưng cơ chế chung nhưsau:

4

-2HSO  2- +

2 8

S O + 2H + 2e 2-

Axit peoxitdi sufuric (H2S2O8) được tạo nên khi điện phân sẽ kết hợp vớinước tạo thành H2O2: H S O + 2H O 2 2 8 2  2H SO + H O 2 4 2 2

Chưng cất hỗn hợp thu được ở áp suất thấp sẽ thu được dung dịch H2O2

loãng Nhược điểm: nguyên liệu đắt và tốn nhiều điện năng.

II.2 Tổng hợp các chất hữu cơ.

Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện phân là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã có rất nhiều công trình công bố

II.2.1 Điện phân theo phương pháp Kolbe.

Điện phân Kolbe hay phản ứng Kolbe là một phương pháp tổng hợp chất hữu đầu tiên bằng phương pháp điện phân và được đặt tên theo Adolph WilhelmHermann Kolbe

cơ-Phân li trong dung dịch: RCOONa → RCOO- + Na+

Hình 12 Adolph Wilhelm Hermann Kolbe

( 1818- 1884.)

Phản ứng điện cực:

II.2.2 Các hợp chất hữu cơ khác.

Ngày nay, người ta đã tiến hành tổng hợp các chất hữu cơ bằng phươngpháp điện phân, trên catot khử các hợp chất có liên kết đôi hoặc liên kết ba đểtạo ra các hợp chất có polime hoặc là no hóa các hidrocacbua không no; khử hóacác hợp chất nitro…Trên anot tiến hành các phản ứng oxi hóa, phản ứng thế,phản ứng kết hợp Phản ứng flo hóa:

C2H6 + 12F  → C2F6 + 6HF + 12eTuy nhiên cho đến nay, phương pháp điện phân dùng để tổng hợp chấthữu cơ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi

III Tinh luyện kim loại bằng điện phân.

Tinh luyện một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au…

Nguyên tắc: Dùng ngay kim loại cần tinh chế làm anot Khi điện phân,

kim loại anot bị hòa tan chuyển vào dung dịch và kết tủa lại trên catot dưới dạngtinh khiết (tạp chất hoặc chất không tan chuyển thành bùn anot, hoặc tan chuyểnvào dung dịch nhưng không kết tủa ở catot)

Luyện kẽm thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO4 Sản phẩm Znthu được có thể đạt 99,99% Do quá thế (*) của H2 trên Zn rất cao nên Zn có thểkết tủa trong môi trường axit với hiệu suất rất cao Tuy nhiên, ở một số vị trí, quáthế (*) hidro thấp, nên sự có mặt các tạp chất, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Znnhư: Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng mà còn ngăn khôngcho Zn kết tủa Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn là để tạo ra dung dịch kẽmsunfat không có tạp chất, tránh ảnh hưởng không tốt đến phản ứng catot

Đồng được sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất.Tạp chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu Phương pháp điện phântinh luyện sẽ cải thiện tính chất điện của Cu Lý do thứ hai của điện phân tinhluyện là tách các kim loại quý như Au, Ag, Pt, Pd Các kim loại tạp chất có mặt

ở anot đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe2+ và Zn2+ trong dung dịch songchúng không bị khử ở catot tại thế khử đồng Các kim loại có thế dương điệnhơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anot và đọng lại ở đáy bình điện phân khianot đồng bị hòa tan Bằng cách này đồng đạt độ tinh khiết là 99,5%

IV Tách và phân tích các chất trong hỗn hợp.

Phương pháp điện phân là một trong các phương pháp được dùng trong

phân tích và có tầm quan trọng nhất định Bởi phương pháp điện phân cho kết quả chính xác, thời gian phân tích không kéo dài và có khả năng khống chế cho phép tách đơn giản nhiều ion cùng có mặt.

IV.1 Phương pháp phân tích điện khối lượng.

Trong phân tích điện khối lượng, người ta tiến hành điện phân dung dịchphân tích trong các điều kiện thích hợp để toàn bộ ion chất cần phân tích bị điệnphân kết tủa định lượng lên bề mặt điện cực làm việc Trước khi điện phân, tacân điện cực làm việc Sau khi điện phân, đem rửa, sấy và cân lại điện cực có kếttủa bám vào Dựa vào khối lượng kết tủa sẽ tính hàm lượng chất cần phân tích

Phương pháp điện khối lượng thường được sử dụng để định lượng các ionkim loại có hoạt tính điện hóa và trong một số trường hợp cần dùng để xác địnhmột số anion có khả năng kết tủa điện hóa trên bề mặt điện cực làm việc Điệncực làm việc thường có dạng hình trụ lưới bằng platin đôi khi bằng bạc Cực phụtrở thường là một dây thường là một dây Pt dạng lò xo hoặc dạng thanh có kíchthước nhỏ

IV.2 Tách bằng phương pháp điện phân.

Catot thủy ngân là điện cực làm việc có rất nhiều ưu điểm và được sửdụng rộng rãi trong phân tích điện hóa

Ưu điểm: có thể tạo hỗn hống với nhiều kim loại nên việc điện phân các ion kim

loại đó dùng catot thủy ngân rất dễ dàng; điện cực Hg dễ được làm sạch, dễ chuẩn bị, có bề mặt rất đồng nhất nên các phép đo với các loại điện cực này có

độ lặp rất cao; hóa thế hidro trên điện cực rất lớn, nên khoảng thế để điện phân các ion kim loại và nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ là rất rộng Tách trong

trường hợp này là tách kim loại đã được hòa tan trong thủy ngân tạo thành hỗnhống mà không chuyển vào dung dịch nữa Sau đó cho thủy ngân bay hơi sẽ thuđược các kim loại, nhất là kim loại quý tinh khiết như vàng, bạc…

Ví dụ: Tách Cd khỏi Zn.

Giả sử có dung dịch chứa lượng vết Zn2+ bên cạnh lượng Cd2+ Để tách,người ta dùng nền axit sunfuric loãng Thêm vào 200ml dung dịch phân tích 4-5g hidrazin sunfat (để loại oxi hòa tan trong dung dịch) Tiến hành điện phân với

Hình 13 Sơ đồ thiết bị bình điện phân dùng catot đáy thủy ngân

điện cực AgCl là điện cực so sánh để kết tủa thực tế hoàn toàn Cd vào Hg Đểxác định lượng vết Cd đó, sau khi kết thúc điện phân, ta rửa sạch catot bằngnước cất rồi khuấy lớp thủy ngân đó với dung dịch Hg2+ loãng, toàn bộ Cd hòatan trong Hg sẽ chuyển vào trong dung dịch theo phản ứng:

Cd + Hg2+→ Cd2+ + HgSau đó xác định lượng Cd2+ trong dung dịch trên bằng phương pháp cực phổ

Ví dụ: Tách Cu2+; Pb2+; Bi3+

Trong nền tactrat 0,5M với pH= 4.5 hoặc 5 có mặt gielatin với nồng độ 0,005%các ion Cu2+; Pb2+; Bi3+ có thế nửa sóng tách nhau đủ lớn Cu2+ -0.09V; Bi3+ -0.23V; Pb2+ -0.48V; Cd2+ -0.64V (so với calomen bão hòa) Do đó để tách Cu2+

ra khỏi Bi3+ ta tiến hành điện phân dung dịch mẫu trong nền tactrat pH= 4.5 ở thế-0.16V, toàn bộ Cu sẽ được kết tủa vào catot Hg, Bi3+ còn lại trong dung dịch sau

đó được xác định bằng phương pháp cực phổ Để tách Bi3+ ra khỏi Pb2+ ta điệnphân ở thế -0,4V để kết tủa hết Bi Để tách Pb2+ ra khỏi Cd2+ ta điện phân ở thế -0.56V tách hoàn toàn Pb

IV.3 Phương pháp chuẩn độ điện lượng.

Đây không phải là phương pháp chuẩn độ thường dùng buret để đựngdung dịch chuẩn Tuy vậy, trong phương pháp này người ta vẫn thường sử dụngphản ứng hóa học để xác định các chất, trong đó ta dùng phương pháp điện phân

để điều chế thuốc thử R, thuốc thử này phản ứng hóa học với chất cần phân tích

X theo phản ứng hóa học: R+ X → RX

Biết được điện lượng điều chế thuốc thử R, ta tính được hàm lượng của Xvới điều kiện các phản ứng xảy ra định lượng Trong phương pháp này, người tathường sử dụng phương pháp điện phân khi cường độ dòng không đổi để việcxác định điện lượng được đơn giản và dễ dàng Vấn đề quan trọng là chọn thuốcthử sao cho hiệu suất điện phân là 100% đối với việc điều chế thuốc thử R và xácđịnh thời điểm phản ứng giữa thuốc thử R và chất cần phân tích X vừa kết thúc

Khi đặt một hiệu điện thế vào 2 điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớptrên khuôn đúc, dày hay mỏng là tùy thuộc vào thời gian điện phân Sau đóngười ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc Muốn vậy, người

ta chế tạo mẫu vật, chẳng hạn bằng nhôm rồi mạ lên nó lớp đồng có chiều dàycần thiết, sau đó hòa tan mẫu vật trong axit clohidric hay kiềm, nhôm tan đi đểlại sản phẩm bằng đồng có hình dạng và chiều dày mong muốn

VI Gia công điện phân qua ống hình.

VI.1 Giới thiệu.

Gia công điện phân qua ống hình là phương pháp gia công điện phân trong

đó sử dụng dung dịch điện phân axit Phương pháp này được phát triển và hoànthiện bởi General

Electric Aircraft Engine Group để gia công lỗ có tỉ lệ giữa chiều sâu và đườngkính lớn Loại lỗ này khó hoặc không thể gia công bằng khoan thông thườngcũng không gia công điện hóa thông thường được vì phương pháp điện hóathông thường tạo ra chất kết tủa không tan làm ngăn cản quá trình gia công Để

giải quyết khó khăn đó, phương pháp gia công điện phân qua ống hình sử dụngchất điện phân axit do đó hòa tan kim loại thành dung dịch thay cho việc tạo rachất kết tủa.

VI.2 Đặc điểm.

Tương tự như hệ thống gia công điện phân thông thường, hệ thống nàydùng điện áp một chiều có điện áp thấp để tạo ra phản ứng điện phân giữa anot(phôi) và catot dụng cụ Hệ thống gia công này có những đặc biệt sau:

- Độ cứng vững của hệ thống thấp hơn hệ thống gia công điện phân thông thường.

- Hệ thống phải chịu được axit.

- Cần phải đảo chiều dòng điện định kỳ vì chất điện phân làm tăng xu hướng mạ trên catot (dụng cụ) kim loại gia công.

Máy dùng cho điện phân qua ống hình phải có một hệ thống che kín đểtránh bắn tóe chất điện phân Thêm vào đó, máy cũng có hệ thống thông khí để

Hình 14 Sơ đồ hệ thống gia công điện phân qua ống hình.

thông khí H2 sinh ra trong quá trình điện phân Ngoài ra, máy phải có dụng cụ để

đo nồng độ chất điện phân

Catot trong gia công điện phân qua ống hình có vai trò tương tự như mũikhoan và được làm bằng titan nguyên chất Để đảm bảo độ chính xác gia côngđịnh kỳ cần nắn thẳng và mài lại catot Đồ gá kẹp chi tiết và dẫn hướng catotthường làm bằng titan nguyên chất để khi tiếp xúc với axit sẽ tạo ra một lớp bảo

vệ trên bề mặt Kẹp catot được làm bẳng thép không gỉ và phải đảm bảo dẫn điệnvào catot Các ống dẫn axit vào trong catot lằm bằng nhựa lexan hay acrylic

VI.3 Ưu điểm.

- Có thể gia công đồng thời nhiều lỗ rất sâu

- Có thể gia công với vật liệu rất cứng với lỗ có hình dạng bất kỳ

- Không cần phải có người điều khiển vì quá trình điện phân tự xảy ra bên trong

- Không làm cháy hay hỏng tổ chức tế vi lớp bề mặt

VI.4 Nhược điểm.

- Hệ thống, dụng cụ gia công phức tạp và thải ra nhiều chất độc hại cho môitrường

- Quá trình điện phân sử dụng dung dịch điện phân axit nên đòi hỏi thiết bị phải chịuđược axit

- Không thể gia công titan nguyên chất và kim loại chịu nhiệt

VI.5 Ứng dụng.

- Gia công các lỗ làm mát ở cánh quạt tuốc bin, van tuốc bin

- Gia công các đường dầu, các lỗ vòi phun nhiên liệu

- Gia công các lỗ không cho phép gia công xung điện vì có hiện tượng cháy.

- Gia công các dãy lỗ làm bằng kim loại chống ăn mòn có tính gia công thấphoặc bằng kim loại có độ bền cao

VII MẠ ĐIỆN.

VII.1 Định nghĩa.

Mạ điện dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, trang trí bề mặt, tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt

Trong mạ điện, yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiệm năng lượng,tăng hiệu suất mà là chất lượng mạ Vì vậy, phải tìm thành phần dung dịch, điềukiện điện phân, để đảm bảo lớp mạ có những tính chất sau:

- Bám chắc vào kim loại nền, không bong.

- Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ, độ bóng, dẻo, cứng phải cao.

VII.2 Lịch sử ra đời.

Ngành mạ điện được nhà bác học người Ý Luigi.V.Brugnatelli khai sinhvào năm 1805 Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp AlessandroVolta- pin Volta, để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên Phát minh của ông có ứngdụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chỉ được nghiên cứu trong cácphòng thí nghiệm

Năm 1839, hai nhà bác học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình

mạ kim loại đồng cho những nút bản in Ngay sau đó, John Wright, Birmingham(người Anh) sử dụng KCN cho dung dịch mạ vàng, bạc Tiếp bướcWright, George Richard Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sángchế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840 Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điệntại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới

Hình 17 Alessandro Volta ( 1745- 1827).

Hình 18 George Richard Elkington

(1801- 1865).

Hình 16: Luigi.V.Brugnatelli.

VII.3 Quá trình xử lý bề mặt.

Trước khi nhúng chi tiết vào bể điện phân, bề mặt chi tiết cần phải thật bằngphẳng, sắc nét, bóng, tuyệt đối sạch các chất dầu mỡ, các màng oxit có thể có.Trong điều kiện như vậy, lớp mạ thu được mới có độ bám tốt, không xước, khôngsần sùi, bóng sáng đều, toàn lớp mạ được đồng nhất Gia công bề mặt kim loạitrước khi mạ bao gồm hai phương pháp sau:

- Phương pháp gia công cơ khí: mài thô, mài tinh, đánh bóng, quay bónghay xóc bóng trong thùng quay, chải, phun cát,…

- Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa học: tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩylại làm bóng bề mặt, rửa sạch

Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phương pháp được lựachọn, kỹ thuật và điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt vật mạ, không được phépcoi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ

Trong phạm vi của tiểu luận, chỉ đề cập đến phương pháp gia công điện hóa học (sử dụng công nghệ điện phân).

VII.3.1 Mài điện hóa (sử dụng công nghệ điện phân).

VII.3.1.1 Định nghĩa.

Mài điện hóa là dạng đặc biệt của phương pháp gia công điện hóa trong

đó đá mài quay (catot) là một đĩa mài hình vành khăn dẫn điện có gắn các hạt kim cương, hoặc carbid silic hoặc cô ranh đông, được dùng để tăng cường sự hòa tan của bề mặt kim loại gia công (anot)