Hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập điện phân dung dịch muối với điện cực trơ

PHẦN MỞ ĐẦU1.1.Lý do chọn đề tài: Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường trung học phổ thông,đặc biệt là quá trình ôn luyện cho học sinh thi trung học phổ thông Quốc gia,chuyên đ

I PHẦN MỞ ĐẦU

1.1.Lý do chọn đề tài:

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường trung học phổ thông,đặc biệt là quá trình ôn luyện cho học sinh thi trung học phổ thông Quốc gia,chuyên đề điện phân dung dịch muối là một chuyên đề khá hay và quan trọng.Tuy nhiên, quá trình giảng dạy, học tập của cả giáo viên và học sinh với nộidung này thường gặp không ít khó khăn Một nguyên nhân quan trọng là do kiếnthức về điện phân trong sách giáo khoa, kể cả cơ bản và nâng cao chưa nhiều,chưa chi tiết

Qua quá trình giảng dạy và việc tham khảo nhiều tài liệu, tôi đã hệ thốnghóa bài tập điện phân dung dịch muối thành các dạng khác nhau, tìm ra phươngpháp giải phù hợp cho từng dạng, giúp học sinh dễ hiểu, dễ vận dụng Nên tôi

lựa chọn đề tài nghiên cứu qua thực nghiệm năm học 2016- 2017: “Hướng dẫn học sinh lớp 12 giải bài tập điện phân dung dịch muối với điện cực trơ ”.

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Trên cơ sở tìm hiểu lý luận và thực tiễn, đề tài xây dựng và sử dụng hệthống bài tập điện phân dung dịch muối với điện cực trơ, giúp học sinh địnhhướng, nắm vững cách giải các bài tập liên quan

Chọn đề tài này sẽ phục vụ tốt hơn cho công tác giảng dạy phần điện phândung dịch muối

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu bản chất các quá trình khử và quá trình oxi hoá xảy ra ở

các điện cực trong quá trình điện phân Từ đó tìm phương pháp giải cho phùhợp

Đề tài được trực tiếp áp dụng ở lớp 12H,12D của trường trung học phổthông tôi đang trực tiếp giảng dạy

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết:

Khi nghiên cứu đề tài này, tôi đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứusau:

- Nghiên cứu phương pháp giải bài toán hóa học

- Nghiên cứu sách giáo khoa, các loại sách tham khảo để tìm bản chất các quá trình khử và quá trình oxi hoá xảy ra ở các điện cực trong quá trình điện

1.4.2 Phương pháp điều tra thực tế, thu thập thông tin:

Thông qua việc dạy và học môn Hóa học ở lớp 12 trung học phổ thông,tôi tổ chức thực nghiệm sư phạm để xem xét tính khả thi của đề tài Đó là giúp

học sinh rút ra một số nhận xét và phương pháp giải các bài toán thực tế liênquan tới điện phân.

1.4.3 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu:

Tiến hành dạy học và kiểm tra khả năng ứng dụng của học sinh nhằmbước đầu minh chứng cho khả năng giải quyết các bài toán thực tế liên quan tớiđiện phân

Nghiên cứu định tính: Mô tả, giải thích hành vi học tập của học sinh khi được giảng dạy theo kế hoạch bài học được thiết kế trong đề tài

Nghiên cứu định lượng: Thu thập, tổng hợp kết quả bài kiểm tra để xem xét hiệu quả việc sử dụng các phương án giải quyết vấn đề vào dạy học

II.NỘI DUNG

2.1 Cơ sở lý luận:

2.1.1 Vai trò của nước trong điện phân dung dịch:

Trước hết, nước là dung môi hòa tan các chất điện li, sau đó có thể thamgia trực tiếp vào quá trình điện phân Trong sự điện phân dung dịch, ngoài cácion do chất điện li phân li ra còn có các ion H+ và OH- của nước

2.1.2 Một số khái niệm về sự điện phân:

Khái niệm: Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực

khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chấtđiện li [7]

Trong bình điện phân có 2 điện cực:

- Cực âm (-) gọi là catot (kí hiệu K): Tại đây xảy ra quá trình khử (quá trìnhnhận electron) [6]

- Cực dương (+) gọi là anot (kí hiệu A): Tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron) [6]

- Điện cực trơ là điện cực được làm bằng chất liệu trơ, không có khả năng

phản ứng hóa học trong quá trình điện phân như than chì hay Pt, [2]

2.1.3 Dãy điện hóa của kim loại:

Tính oxi hóa của ion kim loại tăng dần

K+ Na+ Mg2 + Al3 + Zn2 + Fe2 + Ni2 + Sn2 + Pb2 + H+ Cu2 + Fe3 + Ag+ Pt2 + Au3 +

K Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H2 Cu Fe2 + Ag Pt Au

2.1.4 Quy tắc catot, quy tắc anot:

 Quy tắc catot (K) :

+ ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử

Ví dụ 1: Tại K có các ion Ni2+ ; Cu2+ thì trước tiên Cu2+ + 2e→ Cu rồi mới đến

Ni2+ + 2e → Ni

Ví dụ 2: Tại K có các ion Ag+, Cu2+, Fe3+ thì trước tiên Ag+ + e → Ag, tiếp theo

Fe3+ + e → Fe2+ và Cu2+ + 2e → Cu rồi cuối cùng mới đến Fe2+ + 2e → Fe [5].+ Các ion kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và ion nhôm không bị điện phân vì chúng có tính oxi hóa yếu hơn H2O; H2O bị điện phân theo phương trình:

2H2O + 2e → H2 + 2OH– [5]

Tóm lại:

K+ Na+ Mg2 + Al3 + Zn2 + Fe2 + Ni2 + Sn2 + Pb2 + H+ Cu2 + Fe3 + Ag+ Pt2 + Au3 +

H2O bị khử Mn+ bị khử, ion càng đứng sau càng dễ bị khử

 Quy tắc anot (A):

+ ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa,

ví dụ nếu tại A có S2 −, Cl-, Br-, I-, RCOO– ,OH– thì chúng bị điện phân trước

H2O theo thứ tự tính khử: S2 − >I- > Br- > Cl- > RCOO– > OH– > H2O

Phương trình điện phân tổng quát: S2 − → S + 2e; 2X- → X2 + 2e; Nếu là các ion: NO3-, SO42-, CO32-, PO43- thì chúng không bị điện phân

mà H2O bị điện phân theo phương trình: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e [5]

Lưu ý: Trong quá trình điện phân, sản phẩm điện phân có thể phản ứng

với nhau [1]

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn với điện cực trơ

Lúc đầu ta có: 2 NaCl +2 H2O  →đp 2 NaOH + H2 + Cl2

Do không có màng ngăn nên Cl2 tiếp xúc được với NaOH nên có thêmphản ứng tạo nước gia -ven: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O [5]

2.1.5 Biếu thức định luật Farađây:

2.1.5.1 Biếu thức định luật Farađây:

Dùng để tính khối lượng các chất thoát ra ở điện cực, giả sử tại điện cực Ahay K thoát ra chất X, ta có:

Với: A là khối lượng mol nguyên tử của X (gam/mol)

n là số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

I là cường độ dòng điện (A)

F là hằng số Farađây: F = 96500 (Culông/mol.s) nếu t tính bằng giây

hoặc F =26,8 nếu t tính bằng giờ

t là thời gian tính bằng giây (s) hoặc giờ (h) [2]

2.1.5.2 Hệ quả của biếu thức định luật Farađây:

Chia cả 2 vế của (1) cho

đây là hệ quả rất quan trọng sẽ sử dụng để tính toán trong các bàitập điện phân (ne là số mol electron trao đổi ở mỗi điện cực)

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi nghiên cứu sáng kiến kinh nghiệm

2.2.1 Thực trạng đối với học sinh:

Trường trung học phổ thông nơi tôi dạy có chất lượng mũi nhọn chưa cao, khảnăng tư duy, tự học, tự sáng tạo của một số học sinh còn hạn chế Vì vậy, khihọc giải toán điện phân, các em đều cho rằng rất khó

2.2.2 Thực trạng đối với giáo viên:

Sách giáo khoa lớp 12 viết về điện phân còn ít, nhưng bài tập điện phânđược đề cập nhiều trong các đề thi đại học, cao đẳng, thi THPT Quốcgia, Trong đó có nhiều bài khó, đòi hỏi giáo viên phải có kiến thức sâu rộng vềđiện phân để cung cấp cho học sinh

2.3 Các giải pháp thực hiện:

2.3.1 Một số cơ sở để giải bài tập điện phân:

 Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điệnphân bám vào

 Độ giảm khối lượng của dung dịch = khối lượng kết tủa + khối lượng khí

 mdd sau điện phân =mdd trước điện phân - mkết tủa - mkhí

 Nếu đề cho dung dịch sau điện phân hòa tan được Al, Al2O3,NaHCO3,

⇒ Quá trình điện phân tạo axit hoặc bazơ.

 Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau nên sự thuhoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra

ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau [6]

 Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc song song thì cường độ dòng điện trong mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện trong cácbình điện phân (bình điện phân được coi là có điện trở bằng nhau) Ta suy ra về

tỉ lệ cường độ dòng giữa các mạch rẽ, từ đó tính được số mol electron trao đổi ởmỗi bình và từ đó áp dụng định luật Farađây [6]

 Sốmol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot

2.3.2 Các bước thường dùng khi giải bài tập điện phân dung dịch muối:

2.3.2.1 Loại bài: Đã cho sẵn hoặc xác định được thời gian điện phân (t), cường độ dòng điện (I),số mol từng ion trong dung dịch trước điện phân:

Bước 1: Tính số mol electron trao đổi tại các điện cực theo công thức ne=

F

t I.

và tính số mol từng ion trong dung dịch trước khi điện phân

Bước 2: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân; xác định các ion

ở mỗi điện cực,xác định trật tự điện phân tại các điện cực

Bước 3: Trên cơ sở bước 2 viết các bán phản ứng, trình bày mối quan hệ số moltrong mỗi bán phản ứng mới viết (theo thứ tự) theo 3 dòng: Ban đầu(BĐ); phảnứng (P.ứng); sau phản ứng (Sau pư)

Bước 4: Tính kết quả theo yêu cầu đề bài

Ví dụ: Tính khối lượng các chất thoát ra ở mỗi điện cực khi điện phân (điện cực

trơ) 200 ml dung dịch chứa hỗn hợp NiCl2 0,1M; CuSO4 0,05M; KCl 0,3 M vớicường độ dòng điện là 3A, trong thời gian 1930 giây Bình điện phân có màngngăn, hiệu suất điện phân 100%

= 0,06 (mol)

Bước 2: Trật tự điện phân Tại catot

Sau pư 0 0 0,02 mol

Tại anot(cực dương)

2Cl- → Cl2 + 2e

BĐ 0,1 0 0,06 molP.ứng 0,06 0,03 0,06 molSau pư 0,04 0,03 0 mol

Bước 4:

Tại catot(cực âm)

Như vậy, nước không bị điện phân,

ion Cu2+ và Ni2+ bị điện phân hết

mCu = 0,01.64 = 0,64 (gam)

mNi = 0,02.59 =1,18 gam

Tại anot(cực dương)

Như vậy, nước không bị điện phân, ion

Cl- vẫn dư

mCl2 = 0,03 71 = 2,13 (gam)

2.3.2.2 Loại bài: Thời gian điện phân không cho cụ thể:

Điều này không có nghĩa thời gian điện phân không hạn chế, mà thời gianđiện phân được giới hạn dưới dạng ẩn, phổ biến là:

- Cho bản chất dung dịch sau điện phân, chẳng hạn cho dung dịch sau điệnphân có thể hòa tan bao nhiêu gam Al; hay hòa tan bao nhiêu gam Al2O3, hay khi

ở catot khí bắt đầu thoát ra thì dừng điện phân,

- Cũng có thể cho pH của dung dịch

- Cho biết độ tăng giảm khối lượng dung dịch

- Cho biết độ tăng khối lượng catot

- Cho thể tích khí thoát ra ở 1 cực,

Cách 1:

Bước 1: - Từ nAl; nAl2O3; pH; tính số mol độ H+ hoặc OH-

- Hoặc từ độ tăng giảm khối lượng dung dịch; độ tăng khối lượngcatot; ta tính số mol kim loại hay số mol khí tạo ra

Bước 2: Xác định trật tự điện phân trên mỗi điện cực; viết các bán phản ứng từ

đó viết phương trình điện phân chung (trường hợp 1 muối thì viết phương trìnhđiện phân luôn)

Bước 3: Gắn số mol các chất, ion đã tính ở bước 1 vào phương trình điện phânrồi tính toán theo yêu cầu của đề

Cách 2:

Bước 1: - Từ nAl ; nAl2O3; pH, tính số mol độ H+ hoặc OH

- Hoặc từ độ tăng giảm khối lượng dung dịch; độ tăng khối lượng catot; ta tính số mol kim loại hay số mol khí tạo ra

Bước 2: Tính số mol e trao đổi dựa vào số mol chất, ion

Bước 3: Xác định trật tự điện phân trên mỗi điện cực; viết các bán phản ứng.Bước 4: Gắn số mol mol e trao đổi vào các bán phản ứng hoặc thay vào côngthức ne=

F

t I.

để tính toán theo yêu cầu của đề.

Lưu ý: Bước 2 và 3 ở cách 2 có thể đổi cho nhau tùy thuộc dữ kiện đề cho.

Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn với

cường độ dòng điện I =1,93A Dung dịch thu được sau khi điện phân có pH = 12Biết thể tích dung dịch không đổi, clo không hòa tan trong nước và hiệu suấtđiện phân 100% Thời gian tiến hành điện phân là

A 50 s B 60 s C 100 s D 200 s Bài giải:( Theo cách 2)

2.3.3.1 Điện phân dung dịch chứa một muối:

 Điện phân dung dịch muối của kim loại từ K đến Al trong dãy điện hóa:

Trường hợp: Điện phân dung dịch muối của kim loại từ K đến Al trong dãy

điện hóa với gốc axit không có oxi:

Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch KCl có màng ngăn xốp: Hướng dẫn giải:

⇒ Phương trình điện phân 2KCl + 2H2O đpdd → 2KOH + Cl2 + H2

Cần nhớ: Quá trình sẽ xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối

của các kim loại từ K đến Al với gốc axit không có oxi: NaCl, KI, AlBr3, và môi trường sau điện phân là môi trường bazơ

⇒ Không thể điều chế kim loại từ: K → Al trong dãy điện hóa bằng phương

pháp điện phân dung dịch

Ví dụ 2: Điện phân với điện cực trơ ,có màng ngăn xốp 500 ml dung dịch

NaCl 4M (d=1,2 g/ml) Sau khi ở anot thoát ra 17,92 lít Cl2 (đktc) thìngừng điện phân Nồng độ % của NaOH trong dung dịch sau điệnphân (nước bay hơi không đáng kể) là

Cl- không bị điện phân hếtTheo định luật bảo toàn e:

2a = 1,6 ⇒a = 0,8

Tính toán theo yêu cầu của đề

Sau điện phân: nOH − = nNaOH = 2a = 1,6 ( mol)

Trường hợp: Điện phân dung dịch muối của kim loại từ K đến Al trong

dãy điện hóa với gốc axit có oxi:

Ví dụ: Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch K2SO4 với điện cực trơ

Cần nhớ: Điện phân dung dịch muối của kim loại từ K đến Al trong dãy

điện hóa với gốc axit có oxi: NaNO3, Na2SO4, Na2CO3, MgSO4, Al2(SO4)3, thực tế là điện phân nước ⇒ số mol các chất tan không đổi, môi trường sauphản ứng không đổi

 Điện phân dung dịch muối của kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa:

Trường hợp: Điện phân dung dịch muối của kim loại đứng sau Al trong dãy

điện hóa với gốc axit không có oxi:

Ví dụ: Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch ZnCl2 với điện cực trơ

Hướng dẫn giải:

ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl

Catot (-) Anot (+)

Zn2+ + 2e → Zn 2Cl- → Cl2 + 2e

→ Phương trình điện phân: ZnCl2 → Zn + Cl2

Cần nhớ: Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim

loại đứng sau Al trong dãy điện hóa với các gốc axit không oxi : Cl−,I−,

Trường hợp: Điện phân dung dịch muối của kim loại đứng sau Al trong

dãy điện hóa với gốc axit có oxi :

Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực trơ

Cần nhớ: Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim

loại đứng sau Al trong dãy điện hóa với các gốc axit có oxi: NO3−, SO2 −

4 , vàmôi trường sau điện phân là môi trường axit

Ví dụ 2: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2 M với điện cực trơ ,cường độ dòng điện 9,65A Tính khối lượng Cu bám vào catot khi thời gian điện phân

t1 = 200 s và t2 = 500 s Biết hiệu suất điện phân là 100 %

Hướng dẫn giải:

Đặc điểm bài toán: Đã cho sẵn thời gian điện phân (t), cường độ dòng

điện (I), xác định được số mol từng ion trong dung dịch trước điện phân.

và tại t2 Cu2+ đã bị điện phân hết→ m2 = 1,28 gam

2.3.3.2 Điện phân dung dịch hỗn hợp các muối:

Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch hỗn hợp KCl và CuSO4 vớiđiện cực trơ, có màng ngăn

2KCl + CuSO4 → Cu + Cl2 + K2SO4

- Nếu KCl dư: 2KCl + 2H2O đpdd →  2KOH + Cl2 + H2

- Nếu CuSO4 dư: CuSO4 + H2O   →đpdd Cu + H2SO4 + ½ O2

Ví dụ 2: Điện phân hoàn toàn 200ml một dung dịch chứa 2 muối là Cu(NO3)2

và AgNO3 với I=0,804A với điện cực trơ, thời gian điện phân là 2giờ, người tanhận thấy khối lượng cực âm tăng thêm 3,44g Nồng độ mol của mỗi muối trongdung dịch ban đầu lần lượt là:

A 0,1M và 0,2M B 0,1M và 0,1M

C 0,1M và 0,15M D 0,15M và 0,2M

Hướng dẫn giải:

Đặc điểm bài toán: Đã cho sẵn thời gian điện phân(t), cường độ dòng điện (I),

khối lượng catot tăng

Vì điện phân hoàn toàn nên toàn bộ Cu(NO3)2 và AgNO3 bị điện phân hết

mCu + mAg = khối lượng cực âm tăng thêm = 3,44g

Mặt khác ne=

F

t I.

= số mol electron trao đổi = 0,26804,8.2=0,06 (mol)Tại catot:

SO42- không bị điện phân trong dung dịch)

A b > 2a B b =2a C b < 2a D 2b = a [3]

Khi đó : 2 NaCl +2 H2O đpdd →  2 NaOH + Cl2 + H2

Tức là: nNaCl > 2a hay : b > 2a Đáp án A

2.3.4 Hệ thống bài tập áp dụng:

2.3.4.1.Bài tập có hướng dẫn giải:

Bài tập 1: Điện phân một dd muối MCln với điện cực trơ Khi ở catot thu được16g kim loại M thì ở anot thu được 5,6 lít khí (đktc) Kim loại M là

A Mg B Fe C Cu D Ca

Áp dụng định luật bảo toàn e :

M

16

n = 0,5 ⇒ M = 32 n