Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CÁC DẠNG BÀI TẬP ỨNG DỤNG DÃY ĐIỆN HÓA VÀ QUY TẮC TRONG CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC KHỐI 12 Người thực hiện: PHAN NGỌC HỒNG Lĩnh vực nghiên cứu:
Trang 1TRUNG TÂM HỌC LIỆU HÓA HỌC TRỰC TUYẾN CHỌN LỌC-ĐẦY ĐỦ-CHẤT LƯỢNG
http://HOAHOC.edu.vn ─ http://LUUHUYNHVANLONG.com
“Học Hóa bằng sự đam mê”
Thầy LƯU HUỲNH VẠN LONG
(Giảng viên Trường ĐH Thủ Dầu Một – Bình Dương)
TUYỂN CHỌN VÀ GIỚI THIỆU
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐẠT GIẢI CÁC CẤP MÔN
HÓA HỌC 12
KHÔNG tức giận vì muốn biết thì KHÔNG gợi mở cho
KHÔNG bực vì KHÔNG hiểu rõ được thì KHÔNG bày vẽ cho
Khổng Tử
Trang 2SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI
Mã số:
(Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi) SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CÁC DẠNG BÀI TẬP ỨNG DỤNG DÃY ĐIỆN HÓA VÀ QUY TẮC TRONG CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC KHỐI 12 Người thực hiện: PHAN NGỌC HỒNG Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục
- Phương pháp dạy học bộ môn: HÓA
- Lĩnh vực khác:
(Ghi rõ tên lĩnh vực)
Có đính kèm: Các sản phẩm không thề hiện trong bản in SKKN
Mô hình Phần mềm Phim ảnh Hiện vật khác
Năm học: 2012- 2013
BM 01-Bia SKKN
Trang 3SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC
I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN
7 Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Đình Chiểu
II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO
- Đại học sư phạm
- Chuyên ngành Hóa học
- Năm nhận bằng: 1986
III KINH NGHIỆM KHOA HỌC
- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: dạy môn Hóa
- Số năm có kinh nghiệm: 27 năm
BM02-LLKHSKKN
Trang 51
CÁC DẠNG BÀI TẬP ỨNG DỤNG DÃY ĐIỆN
HÓA HỌC KHỐI 12
I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI :
Chương trình hóa học 12 ban A khác ban B và chương trình cũ và nặng hơn ở chỗ các tác giả đã mạnh dạn đưa chương điện hóa vào và học sinh được nghiên cứu tương đối kỹ: điện cực chuẩn Hidro, điện cực kim loại, thế điện cực chuẩn của kim loại, pin điện, ý nghĩa của thế điện cực chuẩn, điện phân anot trơ và anot tan
…Đây là những lý thuyết khô khan, khó hiểu đối với trình độ học sinh phổ thông
và kể cả với giáo viên Nhưng việc nghiên cứu các vấn đề về điện hóa sẽ giúp cho học sinh hiểu sâu hơn về chiều hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng oxi hóa-khử Bên cạnh đó việc áp dụng lý thuyết điện hóa cho phép chúng ta tạo ra các nguồn điện khác nhau (pin, acquy) các kỹ thuật điện khác ( điều chế, tinh chế kim loại bằng các phương pháp mạ điện, đúc điện…) các thiết bị dùng trong khoa học
và thực tiễn hàng ngày ( máy đo pH )
Bên cạnh đó, trong chương trình thi đại học, cao đẳng từ năm học 2007 đến nay, dạng bài tập liên quan đến kiến thức dãy điện hóa chiếm số lượng tương đối nhiều trong đề thi Vì vậy việc nghiên cứu điện hóa có ý nghĩa rất lớn về lý thuyết cũng như thực tế nên chúng tôi viết chuyên đề này dành cho học sinh nghiên cứu, học hỏi để nắm chương điện hóa trong trường phổ thông nhằm phục vụ tốt cho thi tốt nghiệp, thi đại học và thi học sinh giỏi ở cấp trung học phổ thông
II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1 Cơ sở lí luận của đề tài:
Sách giáo khoa phổ thông là tài liệu đã được tập thể các giáo sư đầu ngành hóa học biên soạn và đã được thẩm định nhiều lần trước khi đưa vào giảng dạy,
BM03-TMSKKN
Trang 6nên đây là tài liệu quan trọng cho học sinh sử dụng trong học tập và thi cử và là tài liệu gối đầu giường của học sinh thi đại học cao đẳng
Dãy điện hĩa và quy tắc là 2 nền tảng cơ bản của chương ĐẠI CƯƠNG
VỀ KIM LOẠI trong sách giáo khoa ban A và B của chương trình hĩa học 12 phổ thơng
2 Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài
Phần I: TĨM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ĐIỆN HỐ
2.1.1 Điện hố học là gì?
a Khái niệm về điện hĩa học
Điện hố học là một lĩnh vực lý thuyết của hố học chuyên nghiên cứu về sự chuyển đổi tương hỗ giữa điện năng và hố năng Tức là nghiên cứu mối quan hệ giữa dịng điện và phản ứng hố học
b Khái niệm về cặp oxi hĩa- khử của kim loại
Trong các phản ứng, kim loại cĩ thể nhường electron (chất khử) để trở thành ion dương kim loại và ion dương kim loại cĩ thể nhận electron (chất oxi hĩa) để trở thành nguyên tử kim loại
2e
chất khử chất oxi hoá chất oxi hoá
chất khử
Mỗi chất khử và chất oxi hĩa của cùng một nguyên tố kim loại tạo thành cặp oxi hĩa khử của kim loại
VD: Fe2+/Fe, Cu2+/Cu, Ag+/Ag,…
c Dãy điện hĩa của kim loại
d Ý nghĩa dãy điện hĩa:
+ Giúp dự đốn chiều phản ứng xảy ra giữa 2 cặp oxi hĩa khử, đĩ là chiều: chất
oxi hĩa mạnh sẽ oxi hĩa chất khử mạnh tạo thành chất oxi hĩa và chất khử yếu
hơn ( Quy tắc )
Trang 7Vd: phản ứng giữa 2 cặp Zn2+/Zn và Cu2+Cu xảy ra theo chiều ion Cu2+ oxi hóa Zn thành ion Zn2+ và Cu (hay Zn khử ion Cu2+ thành Cu và Zn2+)
VD:
+ Tính được suất điện động chuẩn của pin điện hóa:
E0pin Ecatot0 Eanot0
Trong đó kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn( có tính khử mạnh hơn) là anot( cực âm) ; đó kim loại có thế điện cực chuẩn lớn hơn( có tính khử yếu hơn) là catot( cực dương)
VD: Cho biết phản ứng oxi hoá – khử xảy ra trong pin điện hoá Fe – Cu là:
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu ; E0 (Fe2+/Fe) = – 0,44 V, E0 (Cu2+/Cu) = + 0,34
V Suất điện động chuẩn của pin điện hoá Fe – Cu là
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2008)
Giải: Ta có E0 (Fe2+/Fe) = – 0,44 V< E0 (Cu2+/Cu) = + 0,34 vậy Fe là cực âm
(anot), Cu là cực dương( catot) nên :
2.1.2.1 Khái niệm: Phản ứng OXH – khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số
OXH của các nguyên tố
2.1.2.2 Nguyên nhân của sự thay đổi số OXH trong các phản ứng OXH – khử:
là do có sự di chuyển electron từ các phần tử này sang phần tử khác (phần tử ở đây được hiểu là nguyên tử, phân tử và ion)
Trang 8Phần tử cho đi electron được gọi là chất khử hay chất bị OXH
Phần tử nhận thêm electron được gọi là chất OXH hay chất bị khử
Như vậy trong phản ứng OXH – khử luôn luôn xảy ra đồng thời hay quá trình: Quá trình cho electron gọi là quá trình OXH hay sự OXH
Quá trình nhận electron gọi là quá trình khử hay sự khử
2.1.2.3 Mối quan hệ giữa phản ứng OXH – khử và dòng điện:
Đối với các phản ứng OXH – khử tự xảy ra khi nó tự xảy ra thì luôn luôn kèm theo quá trình biến đổi năng lượng: Hoá năng thành nhiệt năng hoặc thành điện năng tuỳ thuộc vào cách tiến hành phản ứng:
- Nếu thực hiện phản ứng OXH – khử bằng cách cho chất khử tiếp xúc trực tiếp với chất OXH thì hóa năng của phản ứng sẽ chuyển thành nhiệt năng
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu ΔH0298 = -51,82Kcal
Trong trường hợp này sự OXH và sự khử xảy ra ở cùng một vị trí và electron
sẽ di chuyển trực tiếp từ chất khử sang chất OXH
- Nếu thực hiện phản ứng theo một cách khác: Nhúng thanh Zn vào dd ZnSO4, nhúng thanh Cu vào dd CuSO4 Hai dung dịch nối với nhanh bằng một cầu nối đựng dd KNO3 bảo hòa để dẫn điện nhưng không cho hai dd trộn lẫn vào nhau Như vậy trong trường hợp này thanh Zn không tiếp xúc trực tiếp với dd CuSO4, nhưng nối thanh Zn và thanh Cu lại với nhau qua một dây kim loại thì dây Zn bị OXH thành Zn2+ tan vào dung dịch và Cu2+ bị khử thành Cu bám lên thanh Cu Trong trường hợp này: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Trong đó: Quá trình OXH xảy ra ở cực Zn: Zn – 2e Zn2+
Quá trình khử xảy ra ở cực Cu: Cu2+ + 2e Cu Điều đó chứng tỏ các electron đã di chuyển từ cực Zn sang cực Cu và các ion
Cu2+ trong dung dịch di chuyển về thanh Cu nhận electron từ Zn chuyển sang Các ion Zn2+ tách ra khỏi thanh Zn đi vào dung dịch Trong mạch xuất hiện một dòng điện Như vậy ở đây hoá năng đã chuyển thành điện năng
Trang 9Dụng cụ để thực hiện một phản ứng OXH – khử biến hoá năng thành điện năng gọi là nguyên tố Ganvanic hay pin điện
Đối với những phản ứng OXH – khử không tự xảy ra như:
2.1.2.4 Phân loại phản ứng OXH – khử: có nhiều cách phân loại phản ứng OXH
– khử khác nhau:
a Căn cứ vào cách tiến hành phản ứng OXH – khử: chia làm 3 loại:
Loại 1: phản ứng OXH – khử thông thường:
Là loại phản ứng OXH – khử được thực hiện bằng cách cho chất khử tiếp xúc trực tiếp với chất OXH
Ví dụ: Cho viên Zn vào dd H2SO4 loãng thì:
Zn + H2SO4 loãng Zn SO4 + H2
Đây là loại phản ứng OXH – khử thông thường
Loại 2: phản ứng OXH – khử trong pin điện:
Là loại phản ứng OXH – khử xảy ra trên các điện cực và có phát sinh dòng điện
Trang 10Khi nối cực kẽm với cực đồng thì e sẽ di chuyển từ cực Zn sang cực Cu và các ion Cu2+ di chuyển về cực Cu nhận e từ Zn chuyển sang, còn Zn2+ tách khỏi bề mặt thanh Zn đi vào dung dịch Kết quả trong mạch xuất hiện một dòng điện một chiều Phản ứng xảy ra trong pin điện biến hoá năng thành điện năng
Loại 3: Phản ứng OXH – khử trong điện phân:
Là loại phản ứng OXH – khử xảy ra trên bề mặt điện cực nhờ tác dụng của dòng điện một chiều ngoài đi qua chất điện phân ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch Phản ứng OXH khử trong điện phân là quá trình biến đổi điện năng thành hoá năng
b Căn cứ vào chất khử và chất OXH thì chia thành 3 loại:
Loại 1: phản ứng OXH – khử giữa các phân tử: Chất khử và chất OXH không thuộc cùng một phân tử
Loại 2: phản ứng tự OXH – khử: một chất giữ cả vai trò chất OXH và chất khử
Loại 3: phản ứng OXH – khử nội phân tử: chất khử và chất OXH nằm cùng trong một phân tử
a Thế điện cực của một điện cực: là đại lượng có trị số bằng sức điện động của
pin gồm điện cực đó và điện cực hidro chuẩn còn dấu là dấu của điện cực đó trong pin
Nếu thế điện cực đo ở điều kiện P = 1atm; và nồng độ đều bằng 1M thì thế điện cực đó gọi là thế điện cực chuẩn ký hiệu là Eo
b Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn:
Dựa và thế điện cực chuẩn chúng ta xác định được dễ dàng suất điện động chuẩn của một pin điện gồm 2 điện cực bất kỳ: Eopin = Eoanot – Eocatot
Trang 11Ví dụ: EoAg
+ /Ag = +0,8V > EoFe
Tính OXH của Ag+ mạnh hơn Fe3+
Tính khử của Ag yếu hơn Fe2+
Dựa vào Eo chúng ta xác định được chiều của phản ứng OXH – khử ở điều kiện chuẩn: “Phản ứng OXH – khử xảy ra theo chiều phản ứng có Eo > 0 hay nói cách khác phản ứng OXH – khử xảy ra theo chiều chất OXH mạnh hơn tác dụng với chất khử mạnh hơn để tạo thành chất khử yếu hơn và chất OXH yếu hơn”
Ví dụ:
Cu2+ + 2e Cu Eo1 = +0,34V = EoCu2+/Cu
Fe – 2e Fe2+ Eo2 = +0,44V = EoFe2+/Fe
Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Eo = Eo1 + Eo2 = +0,78V > 0
=> phản ứng xảy ra từ trái sang phải
2.1.2.6 Hằng số cân bằng của phản ứng OXH – khử:
Đối với một số phản ứng OXH – khử chúng ta không những muốn biết chiều hướng của phản ứng mà chúng ta còn muốn biết mức độ hoàn toàn của phản ứng
Ví dụ trong phân tích định lượng người ta chỉ có thể dựa vào những phản ứng xảy
Trang 12Đối với phản ứng OXH – khử ta có: Go = -n.Eo.F (2)
Như vậy phản ứng Sn + Pb2+ Pb + Sn2+ xảy ra thuận nghịch
Phần II MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN HÓA VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
CÁC DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN HÓA Ở LỚP 12 BAN A 2.2.1 Dạng 1: Xác định chiều hướng của phản ứng
2.2.1.1 Phương pháp giải:
Phương pháp 1: Phương pháp lập sơ đồ phản ứng theo nguyên tắcα
Bước 1: Sắp xếp các cặp OXH – khử theo chiều tăng dần tính OXH của dạng
OXH và giảm dần tính khử của dạng khử
Trang 13Bước 2: Dựa vào phản ứng đã cho (xét theo chiều thuận) và kết quả sắp xếp ở
bước 1 nếu được sơ đồ sptg sptg thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận; nếu được
sơ đồ kiểu sau đây sptg sptg thì phản ứng xảy ra theo chiều nghịch
Áp dụng: Hãy cho biết các phản ứng sau xảy ra theo chiều nào (xét ở đkc)
=> Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch từ phải sang trái
Nhận xét:
Phương pháp lập sơ đồ phản ứng theo quy tắcαcó ưu điểm dễ nhớ, dễ áp dụng, thích hợp cho các đối tượng học sinh trung bình yếu nhưng phạm vi áp dụng thì hạn chế vì thực tế học sinh chỉ sắp xếp được tính OXH và tính khử của các cặp OXH – khử của kim loại mà thôi
Phương pháp 2: Phương pháp thế điện cực chuẩn:
Trang 14Bước 1: Viết phương trình cho và nhận e (các bán phản ứng) kèm theo thế
OXH chuẩn và thế khử chuẩn tương ứng với mỗi quá trình
Bước 2: Tổ hợp 2 quá trình được phương trình phản ứng dạng ion và tính sức
điện động chuẩn của phản ứng
Bước 3: Kết luận chiều hướng của phản ứng dựa vào dấu của sức điện động:
- Nếu Eopứ > 0 => phản ứng xảy ra theo chiều thuận
- Nếu Eopứ < 0 => phản ứng xảy ra theo chiều nghịch
Áp dụng: Hãy cho biết các phản ứng sau xảy ra theo chiều nào (xét ở đktc)
2+ 2Ag+ + 2Hg Eopứ = Eo1 + Eo2 = -0,01V < 0
=> phản ứng xảy ra theo chiều nghịch
d 1x Cr2O7
+ 6e + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O Eo1 = +1,33V 3x 2Cl- – 2e Cl2 Eo2 = -1,36V
2-Cr2O72- + 6Cl- + 14H+ 2Cr3+ + 3Cl2 + 7H2O
Trang 15Eopứ = Eo1 + Eo2 = -0,03V < 0
=> phản ứng xảy ra theo chiều nghịch
2.2.1.2 Bài tập về chiều hướng của phản ứng OXH – khử:
Trang 16Sn2+ + 2e Sn Eo2 = -0,136V
a Tính Eo của phản ứng sau: Pb2+ + Sn Pb + Sn2+ (1) Từ đó xác định chiều của phản ứng (1)
b Tìm điều kiện để phản ứng xảy ra theo chiều nghịch ở 25oC Biết
E = +0,53V;
-2
o 2Br /Br
E = +1,08V;
-2
o 2Cl /Cl
E = +1,36V;
-2
o 2F /F
có thể dùng Cl2, Br2, I2 thay cho F2 được không?
2.2.2 Dạng 2: Xác định mức độ hoàn toàn của phản ứng OXH – khử
2.2.2.1 Phương pháp giải: Tiến hành theo các bước sau:
Bước 1: Viết các phản ứng Kèm theo thế khử và thế OXH tương ứng ở điều
kiện chuẩn
Bước 2: Tổ hợp các bán phản ứng dạng ion và tính Eo của phản ứng
Bước 3: Tính nồng độ hay áp suất riêng phần (nếu là chất khí) của các chất
Áp dụng: Cho phản ứng thuận nghịch: Zn + Cu(NO3)2 Zn(NO3)2 + Cu (1)
a Hãy tính Eo của phản ứng từ đó xác định chiều của phản ứng
Trang 17b Hãy cho biết phản ứng (1) xảy ra hoàn toàn hay thuận nghịch ở 25oC Tại sao?
c Một hỗn hợp X gồm Zn và Au Để xác định hàm lượng Zn người ta dùng dung dịch Cu(NO3)2
2+
2+
[Zn ][Cu ]= 1038
=> hàm lượng của Zn2+ trong dung dịch lúc cân bằng là: (so với tổng Zn2+ và Cu2+)
% của Zn2+ =
38 38
b Từ Eo hãy xác định chiều xảy ra của phản ứng đó
c Từ K hãy xác định mức độ hoàn toàn của phản ứng là bao nhiêu %
d Phản ứng trên có ứng dụng gì trong hóa học phân tích
Câu 2: Cho các phản ứng sau: (giả sử như là thuận nghịch)
Trang 18a 2Al + 3Cu(NO3)2 2Al(NO3)3 + 3Cu
Câu 3: Người ta để một dung dịch Te+ 0,1M và HCl 1m ra ngoài không khí ở
25oC, áp suất 1atm cho đến khi Te+ bị OXH thành Te3+ Tính Te+ còn lại chưa bị OXH là bao nhiêu % về số mol
Biết: O2 + 4H+ = 2H2O Eo = 1,23V
Te3+ +2e = Te+ Eo = 1,25V
dd Fe(NO3)2 0,1M với dd AgNO3 0,1M với thể tích mỗi dd đem trộn đều là 100ml Tính nồng độ mol/l của mỗi ion trong dd sau khi phản ứng kết thúc Biết thể tích dung dịch không thay đổi khi đem trộn
2.2.3 Dạng 3: Các dạng bài tập trắc nghiệm trong đề thi đại học, cao đẳng vận dụng kiến thức về dãy điện hóa của kim loại
a Bài tập về dãy điện hóa của kim loại :
Câu 1: Để khử ion Fe3+ trong dd thành ion Fe2+ có thể dùng một lượng dư:
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)
Câu 2: Để khử ion Cu2+ trong dung dịch CuSO4 có thể dùng kim loại
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)
Câu 3: Cho kim loại M tác dụng với Cl2 được muối X; cho kim loại M tác dụng
với dung dịch HCl được muối Y Nếu cho kim loại M tác dụng với dung dịch muối X ta cũng được muối Y Kim loại M có thể là
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)
Trang 19Câu 4: Thứ tự một số cặp oxi hoá - khử trong dãy điện hoá như sau: Fe2+/Fe;
Cu2+/Cu; Fe3+/Fe2+ Cặp chất không phản ứng với nhau là:
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)
Câu 5: Cho các ion kim loại: Zn2+, Sn2+, Ni2+, Fe2+, Pb2+ Thứ tự tính oxi hoá
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)
Câu 6: Cho phản ứng hóa học: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Trong phản ứng trên
xảy ra
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2008)
Câu 7: Cho hỗn hợp bột Al, Fe vào dung dịch chứa Cu(NO3)2 và AgNO3 Sau
khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp rắn gồm ba kim loại là:
A Fe, Cu, Ag B Al, Cu, Ag C Al, Fe, Cu D Al, Fe, Ag
(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2008)
Câu 8: Hai kim loại X, Y và các dung dịch muối clorua của chúng có các phản
ứng hóa học sau: X+ 2YCl3 XCl2+ 2YCl2
Y+ XCl2 YCl2 + X
Phát biểu đúng là:
A Ion Y2+ có tính oxi hóa mạnh hơn ion X2+
B Kim loại X khử được ion Y2+