Trong công tác giảng dạy thì mỗi giáo viên đều phải hình dung, xây dựng nội dung kiến thức dạy và học cho mỗi tiết học, cho một chuyên đề hay một chương, một chương trình ở mỗi cấp học thì mới đem lại hiệu quả cao. Xây dựng chuyên đề ôn thi Đại học, Cao đẳng chính là tạo một bộ khung xương cho người dạy. Qua quá trình giảng dạy và qua nắm bắt cấu trúc đề thi, nội dung đề thi ĐH, CĐ các năm trước và đề thi THPT Quốc gia năm 2015. GV có thể xây dựng một chuyên đề hay và hiệu quả cho đối tượng giảng dạy của mình.
Trang 1Chuyên đề môn Hóa:
Phương pháp giải bài tập điện phân
Người viết: …
Đối tượng: Chuyên đề được sử dụng để bồi dưỡng học sinh lớp 12 ôn thi TN
THPT Quốc gia.
Dự kiến thời gian bồi dưỡng: 8 tiết
A ĐẶT VẤN ĐỀ
Thực hiện nhiệm vụ năm học 2015- 2016 với nội dung tiếp tục đổi mới quản lý
và nâng cao chất lượng giáo dục Các nhà trường đã và đang tiếp tục thực hiện đổi mới về phương pháp giảng dạy, đổi mới kiểm tra đánh giá theo hình thức thi trắc nghiệm ở hai kì thi tốt nghiệp và Đại học, Cao đẳng nay chỉ còn một kì thi THPT Quốc gia Như vậy, thách thức đặt ra cho thầy và trò ở mỗi trường THPT là làm thế nào để nâng cao chất lượng học tập của học sinh Làm thế nào để trang bị cho các
em hành trang kiến thức tốt nhất để các em bước vào các kì thi THPT Quốc gia một cách tự tin, có hiệu quả cao
Trong công tác giảng dạy thì mỗi giáo viên đều phải hình dung, xây dựng nội dung kiến thức dạy và học cho mỗi tiết học, cho một chuyên đề hay một chương, một chương trình ở mỗi cấp học thì mới đem lại hiệu quả cao Xây dựng chuyên đề ôn thi Đại học, Cao đẳng chính là tạo một bộ khung xương cho người dạy Qua quá trình giảng dạy và qua nắm bắt cấu trúc đề thi, nội dung đề thi ĐH, CĐ các năm trước và
đề thi THPT Quốc gia năm 2015 GV có thể xây dựng một chuyên đề hay và hiệu quả cho đối tượng giảng dạy của mình
B THỰC TRẠNG
Học sinh tuyển sinh đầu vào có nhận thức chậm, đa phần là học sinh trung bình và trung bình khá, nên đa phần các em mất gốc hóa học THCS Do đó việc dạy bồi dưỡng học sinh có kiến thức để thi THPT Quốc gia là một thách thức không nhỏ đối với GV của nhà trường
Làm thế nào để học sinh có kĩ năng giải bài tập hóa học nói chung và phần phương pháp giải bài tập phần điện phân nói riêng là vấn đề chúng tôi luôn chăn trở suy nghĩ để có cách thức giảng dạy tốt nhất: trong chương trình hóa học lớp 12
Chương 5 “chương đại cương kim loại” - bài 21 “điều chế kim loại”, toàn bộ bài
dạy trong 1 tiết là không đủ thời gian giúp học sinh nắm chắc kiến thức cơ bản để các
em tham gia thi THPT Quốc gia Trong khi đó, trong bộ đề thi tuyển sinh ĐH, CĐ các năm trước đây và đề thi THPT Quốc gia năm 2015 tần suất xuất hiện trong các đề
thi là khá lớn Đó là những lí do chúng tôi chọn đề tài “Chuyên đề điện phân” để
giảng dạy
Trang 2C NỘI DUNG CHUYấN ĐỀ
I Hệ thống kiến thức sử dụng trong chuyờn đề
1 Nguyờn tắc điều chế kim loại
Khử ion kim loại thành nguyờn tử Mn+ + ne → M
2 Phương phỏp điều chế kim loại điện phõn
(Trỡnh bày trong phần II.2)
3 Định luật bảo toàn electron
Trong phản ứng oxi húa khử tổng số electron nhường luụn bằng tổng số electron nhận
Tổng số mol electron nhường luụn bằng tổng số mol electron nhận
3 Cụng thức định luật Fraday
m=A Q Aì = It
n F n 96500
Trong đó:
+ m: số gam dạng sảm phẩm sinh ra trên điện cực
+ n: số electron trao đổi
+ Q = It: điện lợng đi qua dung dịch với cờng độ dũng điện là I, thời gian t và có đơn vị là culong; I (A); t (giây)
+ F: hằng số Faraday; F = 96487 C ≈96500C
+ A
n : gọi là đơng lợng điện hoá, gọi tắt là đơng lợng, kí hiệu là A
+ Cụng thức tớnh số mol e trao đổi khi biết cường độ dũng điện (I) và thời gian (t)
4 Dóy thế điện húa của kim loại
Dóy điện hoỏ của kim loại là dóy cỏc cặp oxi hoỏ - khử của kim loại, được sắp xếp theo thứ tự tăng dần tớnh oxi hoỏ của ion kim loại và giảm dần tớnh khử của nguyờn tử kim loại:
Trang 3II Túm tắt kiến thức cơ bản về điện phõn
1 Định nghĩa
Điện phõn là quỏ trỡnh oxi húa - khử xảy ra trờn bề mặt điện cực dưới tỏc dụng của dũng điện một chiều đi qua chất điện li núng chảy hay dung dịch chất điện li
+ Tại catot (cực õm) xảy ra quỏ trỡnh khử (nhận e)
+ Tại Anot (cực dương) xảy ra quỏ trỡnh oxi hoỏ (cho e)
Khỏc với phản ứng oxi hoỏ khử thụng thường, phản ứng điện phõn do tỏc dụng của điện năng và cỏc chất trong mụi trường điện phõn khụng trực tiếp cho nhau e mà phải truyền qua dõy dẫn
2 Các trờng hợp điện phân
2.1 Điện phõn núng chảy
Phương phỏp điện phõn núng chảy chỉ ỏp dụng điều chế cỏc kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al
a) Điện phõn núng chảy oxit: thườngdựng điều chế Al
6
NaAlF
2Al O → 4Al+3O
* Tỏc dụng của Na3AlF6 (Criolit):
+ Hạ nhiệt cho phản ứng
+ Tạo dung dịch cú khả năng dẫn điện tốt hơn
+ Ngăn chặn sự tiếp xỳc của oxi khụng khớ với Al
Quỏ trỡnh điện phõn:
+ Catot (-): 2Al +6e 3+ → 2Al
+ Anot (+): 2O2- → O2 + 4e
Để đơn giản ngời ta thờng chỉ xét phơng trình:
6
NaAlF
2Al O → 4Al+3O ↑
b) Điện phân nóng chảy hiđroxit (Chỉ áp dụng để điều chế
các kim loại kiềm: Na, K)
1 2MOH 2M+ O +H O (M=Na, K, )
2
→ ↑ ↑
Catot (-): 2M+ + 2e→2M
1
O +H O
c) Điện phân nóng chảy muối clorua (Chỉ áp dụng để điều
chế kim loại kiềm và kiềm thổ)
Tổng quát: MCl2 2M + xCl2 (x = 1, 2)
2.2 Điện phân dung dịch
Trang 4- Áp dụng để điều chế các kim loại trung bình, yếu.
- Trong điện phân dung dịch nớc giữ một vai trò quan trọng
+ Là môi trờng để các cation và anion di chuyển về 2 cực
Về bản chất nớc nguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn ( I=0) Do vậy muỗn điện phân nớc cần hoà thêm các chất điện
ly mạnh nh: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh
Để xỏc định thứ tự phản ứng của cỏc ion chỳng ta nắm vững 2 quy luật sau:
+ Cỏc ion kim loại từ Al trở về đầu dãy thế điện húa thực tế không bị khử thành ion kim loại khi điện phân dung dịch
+ Tại catot cú cỏc cation đi về xảy ra quỏ trỡnh khử (nhận e) thứ tự nhận e theo trỡnh
tự cation cú tớnh oxi húa mạnh nhận e trước
+ Nếu tại catot cú cỏc ion dương sau : Fe3+, Ag+, Cu2+, H+ thứ tự điện phõn là :
- Ag+ +1e → Ag
- Fe3+ + 1e → Fe2+
- Cu2+ + 2e → Cu
- 2H+ + 2e → H2
- Fe2+ + 2e → Fe
- 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (H2O chỉ tham gia điện phõn khi cỏc cation hết)
Cỏc anion cho e theo thứ tự sau đõy: S >I >Br >Cl >OH 2- - - -
-Chẳng hạn tại anot cú đồng thời 3 ion sau: S2-, Cl-, I-, OH-
Thứ tự nhường e như sau:
S2- → S +2e
2I- → I2 + 2e
2Cl- → Cl2 + 2e
2OH- → 1/2O2 + 2e + H2O
2H2O → O2 ↑+ 4H+ + 4e (H2O chỉ tham gia điện phõn khi cỏc cation hết)
NO ;SO ;CO ;SO ;PO ;ClO …khụng tham gia điện phõn mà thay vào đú là điện phõn H2O theo phương trỡnh điện phõn sau đõy:
2H2O → O2 ↑+ 4H+ + 4e
3 Ứng dụng của phơng pháp điện phân:
- Điều chế kim loại
- Điều chế một số phi kim: H2; O2; F2; Cl2
- Điều chế một số hợp chất: NaOH; H2O2, nớc Javen…
Trang 5- Tinh chế một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au…
- Mạ điện: Điện phân với anot tan đợc dùng trong kĩ thuật mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ Trong mạ điện, anot là kim loại dùng để mạ nh: Cu, Ag, Au, Cr, Ni catot là vật cần đợc mạ Lớp mạ rất mỏng thờng có độ dày từ: 5.10-5
đến 1.10-3 cm
III Cỏc bước giải bài tập về điện phõn
Bước 1: Viết phương trỡnh điện li của tất cả cỏc chất điện phõn; Xỏc định cỏc ion ở mỗi điện cực
Ở cực dương (anot) cú cỏc anion đi về
Ở cực õm (catot) cú cỏc cation đi về
Bước 2: Viết cỏc PTHH của cỏc bỏn phản ứng oxi húa khử (Viết phương trỡnh cho, nhận e của cỏc ion tại cỏc điện cực) Trong đú ta cần nhớ quy tắc anot và quy tắc catot; trong đú cần chỳ ý :
- Tại cực õm ion cú tớnh oxi húa mạnh hơn ưu tiờn phản ứng trước
- Tại cực dương ion nào cú tớnh khử mạnh ưu tiờn phản ứng trước
Bước 3: Viết phương trỡnh điện phõn (đối với bài tập chỉ yờu cầu viết phản ứng điện phõn)
Cộng gộp cỏc bỏn phản ứng (kốm theo hệ số để e nhường bằng e nhận) ta thu được phương trỡnh điện phõn
Bước 4: Xột cỏc phản ứng phụ cú thể xảy ra tựy thuộc vào dữ kiện đề bài, vật liệu chất điện phõn
- Vớ dụ khi điện dd NaCl:
+ Nếu cú màng ngăn xốp ta thu được NaOH, Cl2 và H2
+ Cũn khi điện dd NaCl khụng cú màng ngăn xốp ta thu được nước Javen (NaOH, NaClO và H2O)
Bước 5: Tớnh lượng sản phẩm thu được vận dụng m=A Q Aì = It
n F n 96500
Chỳ ý: Trong nhiều trường hợp, cú thể dựng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho
nhanh cỏc bài tập.
Trang 6IV Bài tập vận dụng:
1 Điện phân dung dịch muối có cation kim loại đứng trước Al trong dãy điện hóa.
Ví dụ 1:Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn
NaCl → Na+ + Cl
-Catot (-)
Na+ không bị điện phân
2H2O + 2e → H2 + 2OH
-Anot (+) 2Cl- → Cl2 + 2e
Phương trình : 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2 + H2
Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : NaCl , CaCl2 , MgCl 2 , BaCl 2 , AlCl 3
→ Không thể điều chế kim loại từ : Na → Al bằng phương pháp điện phân dung dịch
Ví dụ 2 : Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch Na 2 SO 4 :
Na2SO4 → 2Na+ + SO4
Catot (-) Anot (+)
Na+ không bị điện phân SO42- 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 dung dịch: NaNO 3 , K 2 SO 4 , Na 2 CO 3 , MgSO 4 ,
Al 2 (SO 4 ) 3
Ví dụ 3 (CĐ 2007) Trong công nghiệp, natri hiđroxit được sản xuất bằng phương
pháp
A Điện phân dung dịch NaNO3, không có màng ngăn điện cực
B Điện phân dung dịch NaCl, có màng ngăn điện cực.
C Điện phân dung dịch NaCl, không có màng ngăn điện cực.
D Điện phân NaCl nóng chảy.
Trả lời: đáp án B
Ví dụ 4: (ĐHKA 2008): Khi điện phân NaCl nóng chảy (điện cực trơ), tại catôt xảy
ra
A. sự khử ion Cl- B sự oxi hoá ion Cl-
Trang 7C sự oxi hoá ion Na+ D sự khử ion Na+.
Trả lời: đáp án D
Vì tại catot xảy ra quá trình khử: Na+ + 1e→Na
Ví dụ 5: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn,
cường độ dòng điện I là 1.93A Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH =
12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%.
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
NaCl → Na+ + Cl
Catot (-) Anot (+)
2H2O + 2e → H2 + 2OH
0,001 0,001
Na+ không bị điện phân
Cl- → Cl2 + 2e
→ Số mol e trao đổi là : n = 0,001 mol
Áp dụng công thức tính số e trao đổi :
Ta có t = 50s Chọn đáp án A
2 Điện phân dung dịch muối của các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa
Ví dụ 6 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuSO 4 :
PTĐL: CuSO4 → Cu2+ + SO4
2-Catot(-)
Cu2+ + 2e → Cu
Anot (+)
SO42- không bị điện phân 2H2O → 4H+ + O2+ 4e
Trang 8Phương trình điện phân : CuSO4 + H2O Cu + O2 ↑+ H2SO4
Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại từ Zn → Au với các
gốc axit NO3- , SO42-
Ví dụ 7 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch ZnCl 2 :
PTĐL: ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl
Catot (-) Anot (+)
Zn2+ + 2e → Zn 2Cl- → Cl2 + 2e
→ Phương trình điện phân: ZnCl2 Zn+ Cl2
Ví dụ 8: Điện phân 100ml dung dịch CuSO 4 0,1M với các điện cực trơ cho đến khi vừa bắt đầu sủi bọt bên catot thì ngừng điện phân Tính pH dung dịch ngay khi ấy với hiệu suất là 100% Thể tích dung dịch được xem như không đổi Lấy lg2 = 0,3
A pH = 0,1 B pH = 0,7 C pH = 2,0 D pH = 1,3
Hướng dẫn giải
Đến khi vừa bắt đầu sủi bọt khí bên catot thì Cu2+ vừa hết
Điện phân dung dịch : CuSO4 :
PTĐL: CuSO4 → Cu2+ + SO4
2-Catot(-)
Cu2+ + 2e → Cu
0,01→0,02
Anot (+)
SO42- không bị điện phân 2H2O → 4H+ + O2 + 4e 0,02 → 0,02
→ Số mol e cho ở anot = số mol e nhận ở catot → n H+ = 0,02 mol
→ [H+] = 0,02/0,1 = 0,2 → pH = -lg0,2 = 0,7 → Chọn đáp án B
3 Điện phân hỗn hợp các dung dịch muối
Ví dụ 9: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch hỗn hợp NaCl và Cu(NO 3 ) 2 :
PTĐL: NaCl → Na+ + Cl
Trang 9Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3
-Catot(-) (Na+, Cu2+, H2O)
Na+ không bị điện phân
Cu2+ + 2e → Cu
2H2O + 2e → H2 + 2OH
-Anot (+) (Cl-, NO3-, H2O)
NO3- không bị điện phân 2Cl- → Cl2 + 2e 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Phương trình điện phân dung dịch:
2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 ↑ + Cl2 ↑
Cu(NO3)2 + H2O Cu + ½ O2↑ + 2HNO3↑
Ví dụ 10: (Trích Đại học khối A - 2010)
Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl và CuSO 4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là
A khí Cl 2 và O 2 B khí H 2 và O 2 C chỉ có khí Cl 2 D khí Cl 2 và H 2
→ Chọn đáp án: A
Ví dụ 11 (Trích Đại học khối A- 2010)
dòng điện có cường độ 2A Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là
A 2,240 lít B 2,912 lít C 1,792 lít D 1,344 lít.
Hướng dẫn giải PTĐL: NaCl → Na+ + Cl
CuSO4 → Cu2+ + SO4
Catot (-) Anot (+)
(Cu2+; Na+, H2O) (SO42-, Cl-, H2O)
Na+ không điện phân SO42- không điện phân
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
Trang 100,12 0,12
2H2O → 4H+ +O2 + 4e
0,02 → 0,08 Vận dụng công thức tính số mol electron trao đổi
Vkhí = (0,06 + 0,02) 22,4 = 1,792 lít → Đáp án C
Ví dụ 12: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO 4 0,2M và AgNO 3 0.1M với cường độ dòng điện I = 3.86A Tính thời gian điện phân để được một khối lượng kim loại bám bên catot là 1.72g ?
A 250s B 1000s C 500s D 750s
Hướng dẫn giải
Số gam kim loại Ag tối đa được tạo thành : 0,01.108 = 1,08 gam
Số gam Cu tối đa tạo thành : 0,02.64 = 1,28 gam
Vì mAg < m thực tế < m lí thuyết (mAg + mCu) → 1,08 < 1,72 < 1,08 + 1,28 Điện phân hết AgNO3 , còn dư một phần CuSO4
→ Khối lượng Cu được tạo thành : 1,72 – 1,08 = 0,64 gam → nCu = 0,01 mol
Áp dụng công thức Faraday :
Cho Ag : 0,01 = 3,86.t1 / 96500.1 → t1 = 250s
Cho Cu : 0,01 = 3,86.t2 / 96500.2 → t2 = 500 s
→ Tổng thời gian : 250 + 500 = 750 s → Chọn Đáp án D
Ví dụ 13: (Trích Đại học khối B – 2009)
Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl 2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, hiệu suất điện phân 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây Dung dịch thu được sau điện phân có khả năng hoà tan m gam Al Giá trị lớn nhất của m là
A 4,05 B 2,70 C 1,35 D 5,40
Trang 11Hướng dẫn giải
Số mol e trao đổi khi điện phân : vận dụng công thức tính số mol e trao đổi = 0,2 mol
nCuCl2 = 0,1.0,5 = 0,05 mol ; n NaCl = 0,5.0,5 = 0,25 mol
→ n Cu2+ = 0,05 mol , n Cl- = 0,25 + 0,05.2 = 0,35 mol → Vậy Cl- dư , Cu2+ hết , nên tại catot sẽ có phản ứng điện phân nước (sao cho đủ số mol e nhận ở catot là 0,2) Tại catot : Tại anot :
(Na+, Cu2+, H2O)
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
2H2O + 2e → H2 + 2OH
0,1→ (0,2-0,1) → 0,1
Dung dịch sau khi điện phân có 0,1 mol OH- có khả năng phản ứng với Al theo
phương trình ion thu gọn : Al + OH- + H2O → AlO2- + 3/2 H2 ↑
0,1 →0,1
mAl max = 0,1.27= 2,7 (g) → Chọn Đáp án B
4 Điện phân dung dịch axit
Ví dụ 14: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dich HCl:
PTĐL: HCl → H+ + Cl
Catot(-) Anot (+)
2H+ + 2e → H2 2Cl- → Cl2 + 2e
Phương trình điện phân: HCl H2 + Cl2
Ví dụ 15: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch H 2 SO 4
PTĐL: H2SO4 → 2H+ + SO4
Catot(-) Anot (+)
2H+ + 2e → H2 SO42- không điện phân
2H2O → 4H+ + O2 + 4e