Tuy nhiên kiến thức về sự điện phân chỉ gói gọn trong một tiết học của chương trình SGK -12 nâng cao và một phần nhỏ trong bài điều chế kim loại của sách cơ bản, tài liệu viết về phần đi
Trang 1MỤC LỤC
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT NHƯ THANH 2
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
TÊN ĐỀ TÀI
PHÂN LOẠI VÀ RÈN KỸ NĂNG GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DẠY HỌC
CHO HỌC SINH LỚP 12 Ở TRƯỜNG THPT
NHƯ THANH 2
Người thực hiện: Bùi Thị Hiền Chức vụ: Giáo viên SKKN môn: Hóa học
THANH HÓA, NĂM 2017
Trang 2TT Nội dung Trang
2.1.3.Thứ tự trao đổi electron của các ion tại điện cực 2
2.2.2.Thực trạng ở trường THPT Như Thanh 2 3 2.3 Giải pháp và tổ chức thực hiện 3 2.3.1.Các bước thông thường để giải một bài toán điện phân 3 2.3.2.Các dạng bài tập điện phân 5 2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 13
Trang 31 MỞ ĐẦU
1 1 Lí do chọn đề tài.
Hiện nay, trong các kì thi ĐH, CĐ, tốt nghiệp THPT hay gọi chung là THPT Quốc gia, môn Hoá học là một trong số những môn học đã được đổi mới thi theo hình thức trắc nghiệm khách quan, yêu cầu HS làm ra kết quả nhanh và chính xác Trong quá trình dạy học, tôi rút ra kinh nghiệm là hướng dẫn học sinh phân loại và rèn kỹ năng giải bài toán hoá học đem lại hiệu quả dạy - học cao
Trong chương trình Hóa học trung học phổ thông kiến thức về sự điện
phân là một nội dung hay và khá quan trọng Tuy nhiên kiến thức về sự điện
phân chỉ gói gọn trong một tiết học của chương trình SGK -12 nâng cao và một phần nhỏ trong bài điều chế kim loại của sách cơ bản, tài liệu viết về phần điện phân còn ít, nguồn tư liệu để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn hạn chế Cùng với đó học sinh tại trường THPT Như thanh 2 đa số là con em dân tộc thiểu số, kiến thức và tư duy về các môn học tự nhiên rất yếu, khi gặp các bài toán điện phân các em thường lúng túng trong việc tìm ra hướng giải phù hợp Với suy nghĩ nhằm giúp các em tìm tòi, phát hiện, tạo hứng thú trong quá trình học bộ môn Hóa học, và hơn nữa là góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy,
nay tôi viết đề tài sáng kiến kinh nghiệm: “Phân loại và rèn kỹ năng giải bài tập điện phân nhằm nâng cao chất lượng dạy học cho học sinh lớp 12 ở trường THPT Như Thanh 2”.
1.2 Mục đích nghiên cứu.
Các vấn đề tôi trình bày trong bài viết của mình có thể hỗ trợ cho các em học sinh lớp 12 có cái nhìn toàn diện hơn về một bài tập điện phân Cụ thể hơn nữa là các em học sinh có thể xác định được bản chất của sự điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực, viết được các quá trình xảy ra
ở điện cực, xác định được các chất tạo thành ở điện cực
1.3 Đối tượng nghiên cứu.
Học sinh lớp 12 trường THPT Như Thanh 2 năm học 2016 – 2017 trong đó lớp 12 C3 là lớp đối chứng, 12 C1 là lớp thực nghiệm
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Khi nghiên cứu đề tài này, tôi đã sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
- Phương pháp khảo sát, thống kê: Kết quả đạt được từ thực tiễn dạy học
- Phương pháp tổng kết kinh nghiệm: Tham khảo ý kiến, rút kinh nghiệm, học hỏi từ bạn bè, đồng nghiệp
- Phương pháp thực nghiệm sư phạm
Trang 4
2 NỘI DUNG
2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.
Để có thể giải quyết được các bài tập điện phân ta cần nắm được một số kiến thức sau:
2.1.1 Khái niệm: ( Sgk hóa học 12- nâng cao)
Sự 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 chất điện li
2.1.2 Phân loại điện phân:
- Điện phân nóng chảy: dùng để điều chế kim loại hoạt động mạnh (thường điện phân nóng chảy muối halogenua, oxit hoặc hiđroxit của kim loại hoạt động)
- Điện phân dung dịch: Điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu (có sự tham gia của nước)
2.1.3 Thứ tự trao đổi electron của các ion tại điện cực:( Phạm Văn Hoan,
“Tuyển tập các bài tập hóa học trung học phổ thông”, NXB giáo dục, Hà nội
2002)
- Tại cực âm(catot): xảy ra quá trình khử(quá trình nhận electron)
Mn+ + m e → M(n-m)+ ( m ≤ n )
Thứ tự nhận electron tại điện cực âm của một số cation( từ 1 đến 11)
K+ Ba2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ H2O H+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ Cu2+ Fe3+ Hg2+ Ag+
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
- Tại điện cực dương(anot): xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron) Thứ tự nhường electron của một số ion trong dung dịch( từ 1 đến 6)
S2- I- Br- Cl- OH- H2O SO42- NO3-
1 2 3 4 5 6
Các ion K+ Ba2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ và SO42- NO3- không trao đổi electron trong dung dịch
* Khi điện phân nóng chảy, về cơ bản, thứ tự trao đổi electron của các ion cũng theo thứ tự trên
2.1.4 Định luật Farađây về điện phân:( Sgk hóa học 12- cơ bản, nâng cao)
m = AIt
nF m: khối lượng chất thu được ở điện cực (gam).
A: KL mol nguyên tử và phân tử
I: cường độ dòng điện (ampe)
t: thời gian điện phân (giây)
n: số electron trao đổi
F: Hằng số Farađây (F = 96500)
2.2 Thực trạng vấn đề
2.2.1.Thực trạng chung.
Trong chương trình hóa học THPT hiện nay kiến thức về sự điện là một
Trang 5mảng kiến thức khó, rộng, bài tập thì đa dạng trong khi đó chỉ đề cập trong thời lượng một tiết của chương trình 12 nâng cao và một mục nhỏ trong bài “Điều chế kim loại” (mục 3, phương pháp điện phân), một phần nhỏ trong bài kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, nhôm (phần điều chế) của chương trình 12 cơ bản, nội dung chỉ đề cập đến khái niệm, phân loại, định luật Farađây và ứng dụng còn chương trình cơ bản chỉ trình bày quá trình điện phân muối halogenua, oxit Do
đó, học sinh chưa có cơ hội tiếp cận dạng bài tập điện phân trong thời gian chưa đến một tiết học Ngoài ra tài liệu về điện phân, nguồn tư liệu để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn ít Chính vì vậy mà kết quả giảng dạy còn chưa đạt hiệu quả cao
2.2.2 Thực trạng ở trường THPT Như Thanh 2.
2.2.2.1 Về học sinh
Trường trung học phổ thông Như Thanh 2 đóng tại xã đặc biệt khó khăn nên chất lượng đầu vào thấp, kiến thức của học sinh nghèo nàn đặc biệt là các môn tự nhiên Vì thế việc sử dụng tất cả phương pháp dạy học tích cực vào giảng dạy là điều không hề dễ dàng, mặc dù đa số các em đều ngoan, chăm chỉ, có tinh thần, thái độ học tập tốt tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số học sinh: không chăm chỉ, chuyên cần, thờ ơ với môn học, đến lớp không học bài cũ, không làm bài tập
ở nhà, không có sách giáo khoa, thiếu đồ dùng học tập Nên để giảng dạy đạt kết quả tốt, ngoài việc dạy kiến thức trên lớp tôi còn hướng dẫn, giao nhiệm vụ về nhà cho các em để các em có một cách học tập đúng đắn, hình thành sự tự giác và phát huy năng lực tự học của học sinh
2.2.2.2 Về giáo viên.
100% giáo viên đạt chuẩn, trẻ, có lòng yêu nghề, yêu ngành, có khả năng tiếp thu công nghệ thông tin và không ngừng học tập để nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ Song đa số giáo viên còn trẻ nên còn thiếu nhiều kinh nghiệm trong việc sử dụng phương pháp dạy học tích cực để chuyền thụ cho học sinh
2.3 Giải pháp và tổ chức thực hiện.
2.3.1 Các bước thông thường để giải một bài toán điện phân:
Bước 1:Xác định các ion ở mỗi điện cực
Bước 2: Xác định số e trao đổi ở mỗi điện cực (Nếu giả thiết cho cường độ dòng điện và thời gian điện phân)
Bước 3: Xác định thứ tự khử trên catot, thứ tự oxi hóa trên anot, viết các
quá trình khử trên catot và oxi hóa trên anot theo đúng thứ tự ưu tiên
Bước 4: Áp dụng định luật bảo toàn e cho quá trình điện phân:
Số mol electron trao đổi = Số mol electron nhận ở catot = Số mol electron nhường ở anot
Một số lưu ý khi giải bài tập:
- Nếu điện phân trong dung dịch hỗn hợp chất (ion) thì thời gian điện phân bằng tổng thời gian điện phân từng ion
Trang 6-Trong quá trình điện phân, khối lượng dung dịch giảm bằng khối lượng của các khí thoát ra và kim loại sinh ra bám vào điện cực
mdd giảm = m↓ + m↑
Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào
- Chú ý: trường hợp điện phân có muối Fe3+ ví dụ Fe2(SO4)3
Đầu tiên: 2Fe2(SO4)3 + 2H2O → 4 FeSO4 + 2H2SO4 + O2
Ta được dung dịch có ion Fe2+ Nếu không còn ion kim loại nào oxi hóa mạnh hơn Fe2+ khi đó mới có phản ứng: 2FeSO4 + 2H2O → 2 Fe↓ + 2H2SO4 + O2
- H2O bắt đầu điện phân tại các điện cực khi:
+ Ở catot: bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi
+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai loại) có thể bị điện phân đã bị điện phân hết
- Khi điện phân các dung dịch: Hiđroxit của kim loại hoạt động mạnh (KOH, NaOH, Ba(OH)2…); Axit có oxi ( HNO3, H2SO4, ); Muối tạo bởi axit có oxi và bazo kiềm ( KNO3, Na2SO4 , )→ Thực tế là điện phân H2O để cho H2 ( ở catot ) và O2 ( ở anot )
- Chú ý các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực như: Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot; Phản ứng giữa O2 và điện cực than chì khi điện phân Al2O3 nóng chảy
-Sử dụng bán phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng thứ tự và sử dụng công thức: m = AIt
nF Viết phương trình điện phân tổng
quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết
- Nếu đề bài cho I và t thì trước hết tính số mol electron trao đổi ở từng điện cực (ne) theo công thức: ne= It
F Sau đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số
mol electron nhường hoặc nhận với ne để biết mức độ điện phân xảy ra
-Trong nhiều trường hợp có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh
2.3.2 Các dạng bài tập điện phân.
Dạng 1.Bài tập điện phân nóng chảy.
Ví dụ 1 : Viết PTHH xảy ra khi điện phân nóng chảy NaOH.
Hướng dẫn giải:
Na+ + 1e → Na 4OH- → O2 + 2H2O + 4e PTTQ: 4NaOH →đpnc 4Na + O2 + 2H2O
Ví dụ 2: (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ – khối A – 2008)
Trang 7Khi điện phân NaCl nóng chảy (điện cực trơ), tại catôt xảy ra
A Sự khử ion Cl- B Sự oxi hoá ion Cl-
C Sự oxi hoá ion Na+ D Sự khử ion Na+
Hướng dẫn giải:
Na+ + 1e → Na 2Cl- → Cl2 + 2e
→ Đáp án D
Ví dụ 3: (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ – khối B – 2009)
Điện phân nóng chảy Al2O3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100%) thu được m kg Al ở catot và 67,2 m3 (ở đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16 Lấy 2,24 lít (ở đktc) hỗn hợp khí X sục vào dung dịch nước vôi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa Giá trị của m là
A 54,0 B 75,6 C 67,5 D 108,0.
Hướng dẫn giải:
Al3+ + 3e → Al 2O2- → O2 + 2.2e (*)
C + O2 → CO2 2C + O2 → 2CO Xét VX = 2,24 lít : nCO2 = n↓ = 2
100 = 0,02mol.
Gọi số mol CO, O2 trong X là x, y → x + y = 2, 24 0,02
22, 4 − = 0,08 (1).
Ta có mX = 0,1.16.2 = 3,2g → 28x + 32y + 0,02.44 = 3,2 ↔ 28x+32y = 2,32(2)
Từ (1) và (2) ta được x = 0,06 mol; y = 0,02 mol → trong X có O2
2
O
n ở sinh ra ở mục (*) = n O2 trong X + n CO2+1
2 n CO = 0,02 + 0,02 +
1
2 .0,06 = 0,07 mol. Khi VX = 67,2 m3 thì: n O2 = 0, 07.67, 2.103
2, 24 = 2100 mol
Ta có: 3nAl = ne = 4n O2 → nAl = 4
3 n O2 = 2800 mol.
→ mAl = 75600gam = 75,6 kg → Đáp án B
Nhận xét: điện phân nóng chảy dùng để điều chế kim loại kiềm, kiềm thổ và
nhôm( thường điện phân nóng chảy muối halogenua, oxit hoặc hiđroxit của chúng).
Bài tập HS tự giải
Câu 1: ( Trích đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ – khối B – 2013).
Trang 8Dãy gồm các kim loại được điều chế trong công nghiệp bằng phương pháp điện phân hợp chất nóng chảy của chúng là
A Na, Ca, Zn B Na, Cu, Al.
C Na, Ca, Al D Fe, Ca, Al.
→ Đáp án: C
Câu 2: Điện phân nóng chảy muối clorua của kim loại M, ở anot thu được 1,568
lít khí (đktc), khối lượng kim loại thu được ở catot là 2,8 gam Kim loại M là
A Na B Ca C K D Mg.
→ Đáp án: B
Câu 3: Điện phân nóng chảy một oxit kim loại thu được 0,224 lít khí ( đktc) ở
anot thì khối lượng catot tăng lên 2,74 gam Công thức của oxit kim loại trên là
A CaO B Na2O C Al2O3 D BaO
→ Đáp án: D
Câu 4: (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ – khối B – 2013).
Điện phân nóng chảy Al2O3 với các điện cực bằng than chì, thu được m kg
Al ở catot và 89,6 m3 (đktc) hỗn hợp khí X ở anot Tỉ khối của X so với H2 bằng 16,7 Cho 1,12 lít X (đktc) phản ứng với dung dịch Ca(OH)2 dư, thu được 1,5 gam kết tủa Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn Giá trị của m là
A 144,0 B 104,4 C 82,8 D 115,2.
→ Đáp án: B
Câu 5: Điện phân nóng chảy a gam một muối X tạo bới kim loại M và một
halogen thu được 0,224 lít khí nguyên chất (đktc) Cũng a gam X trên nếu hòa tan vào 100ml dung dịch HCl 0,5M rồi cho tác dụng với AgNO3 dư thì thu được 10,935 gam kết tủa Tên của halogen đó là
A Flo B Clo C Brom D Iot.
→ Đáp án: C
Dạng 2 Bài tập điện phân trong dung dịch.
Trước khi làm bài tập điện phân dung dịch cần chú ý các quy tắc:
Quy tắc catot: M n+ , H 2 O : Mn+ + n e → M
Sau đó H2O bị điện phân theo phương trình: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
Thứ tự nhận electron tại điện cực âm của một số cation ( từ 1 đến 11)
K+ Ba2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ H2O H+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ Cu2+ Fe3+ Hg2+ Ag+
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Quy tắc anot: A m- , H 2 O : Thứ tự nhường elctron của một số ion
S2- I- Br- Cl- OH- H2O SO42- NO3-
1 2 3 4 5 6
H2O bị điện phân theo phương trình: 2H2O → 4H+ +O2 + 4e
Các ion K+ Ba2+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ và SO42- NO3- không trao đổi electron trong dung dịch
Trang 9Loại 1: Điện phân dung dịch muối của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và nhôm.
Ví dụ 1:Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch NaCl
Hướng dẫn giải:
Na+ không bị điện phân
2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2Cl- → Cl2 + 2e
Phương trình : 2Cl- + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
→Tương tự khi điện phân các dung dịch : KCl , CaCl2 , MgCl2 , BaCl2 , AlCl3
Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối không có oxi (halogenua) của lim loại
hoạt động thì dung dịch sau điện phân có môi trường bazo.
Ví dụ 2: Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch Na2SO4
Hướng dẫn giải:
Na+ không bị điện phân
2H2O + 2e → H2 + 2OH- SO42- không bị điện phân
2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Phương trình điện phân: 2H O2 dpdd→2H +O2 2
→Tương tự khi điện phân các dung dịch:K2SO4, Na2CO3, KNO3, Ba(NO3)2,
Nhận xét: Khi điện phân các dung dịch muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm
(KNO 3 , Na 2 SO 4 ,…) thực tế là điện phân H 2 O để cho H 2 (ở catot) và O 2 (ở anot).
Bài tập HS tự giải
Câu 1: (Trích đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ – khối A – 2011)
Khi điện phân dung dịch NaCl (cực âm bằng sắt, cực dương bằng than chì,
có màng ngăn xốp) thì:
A Ở cực âm xảy ra quá trình oxi hoá H2O và ở cực dương xảy ra quá trình khử ion
Cl−
B Ở cực dương xảy ra quá trình oxi hoá ion Na+ và ở cực âm xảy ra quá trình khử ion Cl−
C Ở cực âm xảy ra quá trình khử H2O và ở cực dương xảy ra quá trình oxi hoá ion
Cl−
D Ở cực âm xảy ra quá trình khử ion Na+ và ở cực dương xảy ra quá trình oxi hoá ion Cl−
→ Đáp án: C
Trang 10Câu 2: Trong công nghiệp, để điều chế NaOH người ta điện phân dung dịch
chất X( có màng ngăn) Chất X là
A Na2SO4 B NaNO3 C Na2CO3 D NaCl.
→ Đáp án: D
Câu 3: Điện phân 100 ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ, có màng ngăn
với cường độ dòng điện là 1,93A (Thể tích dung dịh sau điện phân xem như không đổi, hiệu suất điện phân 100%) Thời gian điện phân để được dung dịch
có pH = 12 là
A 100s B 50s C 150s D 200s.
→ Đáp án: C
Loại 2: Điện phân dung dịch muối của kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa.
Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch CuSO4
Hướng dẫn giải:
Cu2+ + 2e → Cu SO42- không bị điện phân
2H2O → 4H+ + O2+ 4e
Phương trình điện phân : 2Cu2+ + 2H2O → 2Cu + 4H+ + O2
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu +2 H2SO4 + O2
→ Tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại đứng sau nhôm trong dãy điện hóa với các gốc axit NO3-, SO42-, PO43-
Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối tạo bởi kim loại hoạt động trung bình
và yếu (kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động) và gốc axit có oxi( CuSO 4 , FeSO 4 , AgNO 3 ) thì dung dịch sau điện phân có môi trường axit.
Ví dụ 2 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuCl2
Hướng dẫn giải:
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
→ Phương trình điện phân: CuCl2 dpdd→Cu+Cl2 ↑
Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối không có oxi của kim loại đứng sau Al
trong dãy điện hóa thì H 2 O không tham gia điện phân, sản phẩm gồm kim loại
và phi kim.Do đó, có thể điều chế kim loại từ Zn → Au (trừ Pt)
Ví dụ 3: (Trích đề thi tuyển sinh CĐ – 2012)
Tiến hành điện phân (với điện cực trơ) V lít dung dịch CuCl2 0,5M Khi dừng điện phân thu được dung dịch X và 1,68 lít khí Cl2 (đktc) duy nhất ở anot Toàn bộ dung dịch X tác dụng vừa đủ với 12,6 gam Fe Giá trị của V là