skkn vận dụng lý thuyết giải các dạng bài tập điện phân dung dịch

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, đặc biệt là trong quátrình ôn luyện cho học sinh thi ở các kì thi học sinh giỏi và các kì thi Đại học- Cao đẳng, THPT quốc gia chuyên

2.1.Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 22.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 22.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 2

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục,

với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường

17

1 MỞ ĐẦU

1.1.Lí do chọn đề tài.

Do sự đổi mới trong cách tuyển sinh Đại học của Bộ giáo dục và Đào tạo đã tạo

ra những yêu cầu mới cho học sinh Vì vậy để có kết quả thi tốt, học sinh cần phảinắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức một cách linh hoạt trong khi đó nhiềuphần kiến thức học sinh không tự lĩnh hội được Do đó giáo viên cần phải có kỹthuật giải nhanh bài tập trắc nghiệm, giúp học sinh tiết kiệm được thời gian làm bài

và có kết quả như mong đợi

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, đặc biệt là trong quátrình ôn luyện cho học sinh thi ở các kì thi học sinh giỏi và các kì thi Đại học- Cao

đẳng, THPT quốc gia chuyên đề điện phân dung dịch là một chuyên đề hay và khá

quan trọng nên các bài tập về điện phân luôn có mặt trong các kì thi lớn

Thực tế trong giảng dạy thì học sinh lại rất yếu kém về chuyên đề này, qua quátrình tìm tòi, nghiên cứu trong nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điệnphân dung dịch và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinh một cách dễhiểu, dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong

các kỳ thi Trên cơ sở đó, tôi mạnh dạn chọn đề tài “Vận dụng lý thuyết giải các

dạng bài tập điện phân dung dịch” làm sáng kiến kinh nghiệm cho mình Với hi

vọng đề tài này sẽ là một tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập của các emhọc sinh 12 và cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp

1.2.Mục đích nghiên cứu.

Thực hiện sáng kiến này nhằm mục đích

- Giúp hoc sinh viết được sự phân li của chất điện phân, viết được phương trìnhđiện phân tổng quát và tính toán theo phương trình đó

- Giúp học sinh viết được các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực anot và catot

- Giúp học sinh biết áp dụng công thức Faraday vào giải các bài tập điện phân

- Giúp học sinh có được tư duy nhanh nhạy trong việc giải quyết bài toán trắcnghiệm để nâng cao kết quả cho học sinh trong các kỳ thi

1.3.Đối tượng nghiên cứu.

- Bài tập điện phân dung dịch muối của kim loại kiềm, kiềm thổ và nhôm

- Điện phân dung dịch muối của kim loại đứng sau nhôm trong dãy điện hóa

- Điện phân hỗn hợp các dung dịch muối

- Điện phân hỗn hợp các dung dung dịch axit vô cơ , hỗn hợp các bazơ

1.4.Phương pháp nghiên cứu.

Đề tài được thực hiện dựa trên các phương pháp cơ bản sau:

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lí thuyết bằng cách dựa vào các bàitập điển hình sgk, trong các sách nâng cao và tài liệu tham khảo khác

- Từ thực nghiệm giảng dạy cho học sinh ở nhiều năm học với nhiều lớp họcsinh thông qua các bài kiểm tra qua các kỳ thi và quá trình ôn tập cho học sinh códạng bài tập liên quan đến điện phân dung dịch

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1.Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.

-Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh các bài toánHóa học là yêu cầu hàng đầu của người học cần phải nắm vững kiến thức, mới tìm

ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhấtkhông những giúp người học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyệnđược tư duy và năng lực phát hiện vấn đề của người học

-Trên thực tế tài liệu viết về lí thuyết điện phân dung dịch còn ít nên nguồn tưliệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế nội dung kiến thức và kĩ năng giải cácbài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều Do đó, khi gặp các bàitoán điện phân các em thường lúng túng không tìm ra cách giải Vì thế ,tôi đãmạnh dạn đưa ra đề tài này giúp các em nắm vững những góc khuất về kiến thức líthuyết và vận dụng để giải nhanh các bài toán về điện phân dung dịch để các em

có được một kết quả cao nhất trong các kỳ thi

2.2.Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

- Khi chưa áp dụng lí thuyết học sinh giải được rất ít các bài toán và còn vướngmắc nhiều hoặc làm mất quá nhiều thời gian

-Trên thực tế học sinh ít sử dụng công thức hệ quả của Faraday (ne trao đổi) đểgiải nhanh bài toán điện phân

- Đa số các bài tập điện phân thường tính toán theo các bán phản ứng ở các điệncực nhưng học sinh thường chỉ viết phương trình điện phân tổng quát và giải theonó

- Học sinh nhầm lẫn quá trình xảy ra ở các điện cực anot và catot

- Học sinh lúng túng khi xác định trường hợp H2O bắt đầu điện phân ở các điệncực (khi bắt đầu sủi bọt khí ở catot hoặc khi pH của dung dịch không đổi)

- Học sinh viết sai thứ tự các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực →tính toán sai

- Học sinh thường bỏ qua các phản ứng phụ có thể xảy ra giữa các sản phẩm tạothành như: điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và cókhí H2 thoát ra ở catot ; Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trêncatot.Vì vậy ,tôi xin được đưa ra những kiến thức lí thuyết này nhằm giúp các emgiải nhanh và chính xác các bài tập về điện phân dung dịch

2.3.Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

a.Khái niệm về sự điện phân

Sự điện phân: Là quá trình oxi hóa-khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi chodòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy, hoặc dung dịch chất điện li.[1]Trong thiết bị điện phân:

- Anot (A) được nối với cực dương của nguồn điện một chiều ở đây xảy ra sự oxihóa

- Catot (K) được nối với cực âm của nguồn điện một chiều ở đây xảy ra sự khử [2]-Điện cực trơ là điện cực được làm bằng chất liệu trơ không có khả năng phản ứnghóa học trong quá trình điện phân như than chì hay Pt [3]

b Bản chất sự điện phân

+ Là một quá trình xảy ra trên bề mặt các điện cực Năng lượng dùng chophản ứng là điện năng dòng điện một chiều.

+ Sự cho và nhận electron không xảy ra trực tiếp giữa các ion tham gia phảnứng, phụ thuộc vào dây dẫn dòng điện

+ Sự phát sinh dòng điện trong pin điên hóa và sự điện phân là hai quá trìnhngược nhau (một quá trình tạo ra dòng điện, một quá trình nhờ tác dụng dòng điệnnên dấu của các điện cực là ngược nhau)

+ Trong pin thì anôt là cực âm, catôt là cực dương còn trong bình điện phânthì ngược lại: anôt là cực dương, catôt là cực âm [1]

c Những nội dung quan trọng về lí thuyết điện phân

** H2O bắt đầu điện phân tại các điện cực khi:

+ Ở catot: bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là cácion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết

+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hailoại) có thể bị điện phân đã bị điện phân hết Khi đó tiếp tục điện phân sẽ là H2O bịđiện phân [4]

** Khi điện phân các dung dịch:

+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học mạnh (KOH, NaOH, Ba(OH)2,…) + Axit có oxi (HNO3, H2SO4, HClO4,…)

+ Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm (KNO3, Na2SO4,…)

→ Thực tế là điện phân H2O để cho H2 (ở catot) và O2 (ở anot) [4]

** Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải Pt

hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực [4]

** Có thể có 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 NaClkhông màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot; Phản ứng giữaaxit trong dung dịch với kim loại bám trên catot [4]

** Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân

bám vào [4]

** Viết bán phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng

thứ tự, không cần viết phương trình điện phân tổng quát và sử dụng CT:

n=It/F (*) [4]

** Từ công thức Faraday A.I.t

m=

n.F

Trong đó: - m là khối lượng chất thu được ở điện cực, tính bằng gam

- A là khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực

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

- I là cường độ dòng điện tính bằng ampe (A)

- t là thời gian điện phân tính bằng giây (s)

- F là hằng số Faraday (F = 96 500 culông/mol) [1]

Ta suy ra số mol chất thu được ở điện cực

- Nếu đề bài cho I và t thì trước hết tính số mol electron trao đổi ở từng điệncực (ne) theo công thức: (*) (với F = 96500 khi t = giây và F = 26,8 khi t = giờ).Sau đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số mol electron nhường hoặc nhậnvới ne để biết mức độ điện phân xảy ra

**.Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng

dung dịch, khối lượng điện cực, pH,thì dựa vào các bán phản ứng để tính số molelectron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức (*) để tính I hoặc

t [3]

**.Nếu đề bài yêu cầu tính điện lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng

công thức: Q = I.t = ne.F [4]

** Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi

so sánh với thời gian t trong đề bài Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hếtcòn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết [3]

** 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 → sự thu hoặc nhườngelectron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cựccùng tên tỉ lệ mol với nhau [5]

** 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 nhanh

d Vận dụng kiến thức lí thuyết để giải nhanh các dạng bài tập trắc nghiệm.

Dạng 1: Điện phân dung dịch muối.

- Điện phân các dung dịch muối của kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm

- Nếu là S2-, Cl-, Br-, I- thì chúng bị điện phân trước H2O theo thứ tự tính khử:

S2->I- > Br- > Cl- > H2O (F- không bị điện phân )

Phương trình điện phân tổng quát: S2- → S + 2e; 2X- → X2 + 2e

Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phươngtrình: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e [6]

- Nếu là các ion: NO3-, SO42-, CO32-, PO43- thì chúng không bị điện phân mà H2O

* Xảy ra tương tự khi điện phân các dd : CaCl2, MgCl2 , BaCl2, AlCl3

Không thể điều chế kim loại từ: Na→Al bằng pp điện phân dung dịch [3]

Ví dụ 2 :

Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch Na2CO3

Na2CO3 → 2Na+ + CO3

Catot(-):Na+, H2O Anot (+):CO32-, H2O

Na+ không bị điện phân CO32-không bị điện phân

2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

→ Phương trình điện phân: 2H2O → 2H2 + O2

*Xảy ra tương tự khi điện phân các dd:NaNO3, MgSO4, Al2(SO4)3…

Bài tập vận dụng:

Bài 1 Hòa tan 2,34 gam NaCl vào nước rồi đem điện phân (điện cực trơ, có màng

ngăn) thu được 2,4 lít dung dịch có pH = 12 Hiệu suất của quá trình điện phân là:

Bài 3 Hòa tan 1,49g KCl vào nước rồi đem điện phân (điện cực trơ, có màng

ngăn) thu được 500ml dung dịch có pH = 12 Hiệu suất của quá trình điện phân là:

A 25% B 35% C 50% D 75% [6]

Bài 4 Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ, có màng ngăn,

cường độ dòng điện I = 1,93A Tính thời gian điện phân để được dung dịch có pH

= 12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là100%

A 50s B 100s C 150s D 200s [7]

Hướng dẫn giải

Vì dung dịch có PH = 12 → Môi trường kiềm

pH = 12 → [H+] = 10-12 → [OH-] = 0,01 → Số mol OH- = 0,001 mol

→ Số mol e trao đổi là: n = 0,001 mol

Áp dụng công thức Faraday : n = It / F → t= n F /I → Chọn đáp án A

- Điện phân các dd muối của các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa * Ở catot (cực âm)

-Các cation kim loại bị khử theo phương trình: Mn+ + ne → M Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phươngtrình: 2H2O + 2e → H2 + 2OH– [2]

* Ở anot (cực dương):

- Nếu là S2-, Cl-, Br-, I- thì chúng bị điện phân trước H2O theo thứ tự tính khử:

S2->I- > Br- > Cl- > H2O (F- không bị điện phân )

Phương trình điện phân tổng quát: S2- → S + 2e; 2X- → X2 + 2e

Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phươngtrình: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e [6]

- Nếu là các ion: NO3-, SO42-, CO32-, PO43- thì chúng không bị điện phân mà H2O

bị điện phân [1]

Ví dụ 1 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuSO4 [1]

CuSO4 → Cu2+ + SO4

Catot(-):Cu2+ Anot (+):SO42-, H2O

SO42- không bị điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2H2O → 4H+ + O2+ 4e

→ Phương trình điện phân :

2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2

Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại từ Zn

→ Hg với các gốc axit NO3 - , SO4 2-

Ví dụ 2 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuCl2 [1]

là 0,05M (giả thiết dung dịch thay đổi không đáng kể) Nồng độ dung dịch NaOHban đầu là:

A 0,1 mol/lít A 0,15 mol/lít A 0,2 mol/lít A 0,05 mol/lít [8]

Sau pư trên nồng độ NaOH còn lại là 0,05M, nghĩa là NaOH dư

nNaOH dư = 0,05 0,2 = 0,01 mol, nNaOH ban đầu = 0,01 + 0,01 = 0,02 mol

A 965 s và 0,1 M B 489 s và 0,5 M

C 489 s và 0,4 M D 965 s và 0,05 M [6]

Hướng dẫn giải

Do điện phân đến khi catô thấy xuất hiện bọt khí thoát ra nên Cu2+đã điệnphân xong

pH = 1 =>

H 2

I.t

n 0,01 t 965 (s), 96500

A 0,2 mol/lít A 0,3 mol/lít A 0,4 mol/lít A 0,5 mol/lít [6]

Hướng dẫn giải

Ta có pt pư sự điện phân dung dịch:

dp

Sau điện phân thu được 100 ml dung dịch có pH = 1

=> H  0,1 HNO3 nAgNO3 nHNO3 0,1mol

Cô cạn dung dịch ta thu được AGNO3 dư, đem nung thu được kim loại Ag

0 t

A 2 mol/lít B 3 mol/lít C 1 mol/lít D 0,5 mol/lít [6]

Hướng dẫn giải

Gọi x là số mol ban đầu của Cu(NO3)2

Ta có pt pư điện phân dung dịch:

0,2

Bài 5 Đem điện phân 100 ml dung dịch muối sunfat của kim loại hóa trị II đến cực

trơ và dòng điện một chiều cường độ 3A Sau thời gian 1930 giây thấy khối lượngtăng 1,92 gam (xem sự điện phân và các quá trình khác xảy ra với hiệu suất100%) Kim loại hóa trị II với thể tích khí thoát ra ở anôt lần lượt là:

- Điện phân hỗn hợp các dung dịch muối

Ở catot: Các cation kim loại bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn (ion

có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+ + ne → M [3]

* Ở anot (cực dương):

- Nếu là S2-, Cl-, Br-, I- thì chúng bị điện phân trước H2O theo thứ tự tính khử:

S2->I- > Br- > Cl- > H2O (F- không bị điện phân )

Phương trình điện phân tổng quát: S2- → S + 2e; 2X- → X2 + 2e

Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H2O sẽ điện phân theo phươngtrình: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e [6]

- Nếu là các ion: NO3-, SO42-, CO32-, PO43- thì chúng không bị điện phân mà H2O

2Cu(NO3)2 + 2H2O → 2Cu + O2 + 4HNO3

Phương trình điện phân tổng quát:

2NaCl + Cu(NO3)2 → Cu + Cl2 + 2NaNO3

Bài 2 Tiến hành với điện cực trơ, màng ngăn xốp dung dịch chứa a mol CúO4 và bmol NaCl Để sau quá trình điện phân thu được dung dịch tác dụng được vớiphenolphtalein sang màu hồng thì mối quan hệ của a và b là:

Vậy đáp án đúng là C

Bài 3 Cho chất rắn X gồm 1,92 gam Cu và 0,84 gam Fe tác dụng hết với clo dư,

sau đó lấy sản phẩm hòa tan trong nước được dung dịch Y Điện phân Y với điệncực trơ tới khi ở anôt thu được 504 ml khí (đktc) (Biết hiệu suất pư điện phân là100%) Khối lượng catôt tăng lên là:

A 1,08 gam B 0,84 gam C 1,12 gam D 0,96 gam [6]