CHUYÊN ĐỀ DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG

Những lưu ý về các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực trong bình điện phân.. Với những lí do trên, Tôi lựa chọn thiết kế chủ đề bài học “Dòng điện trong chất điện phân và ứng dụng” v

GIÁO VIÊN: ĐỖ THỊ THỊNH

TỔ: VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ - THỂ DỤC

Năm học 2018-2019

Mục lục

PHẦN I: MỞ ĐẦU 4

I Lí do chọn chuyên đề 4

II Ý nghĩa thực hiện chuyên đề 4

PHẦN II : NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ 5

I THUYẾT ĐIỆN LI 5

II BẢN CHẤT CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN 6

III CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA Ở CÁC ĐIỆN CỰC 6

1 Giới thiệu: (Introduction) 6

2 Những lưu ý về các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực trong bình điện phân 7

III CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA Ở ĐIỆN CỰC 8

1 Hiện tượng dương cực tan 8

2 Hiện tượng dương cực trơ 9

IV CÁC ĐỊNH LUẬT FA – RA – ĐÂY VỀ HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN 9

1 Định luật I Fa-ra-đây 10

2 Định luật II Fa-ra-đây 10

3 Công thức tính khối lượng của chất giải phóng ở điện cực 10

4 Chứng minh định luật 10

V Ứng dụng của hiện tượng điện phân 11

PHẦN III: THIẾT KẾ HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC 13

Chủ đề: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG (TIẾT 1) 13

Chủ đề: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG (TIẾT 2) 21

THÔNG TIN CHUNG VỀ CHUYÊN ĐỀ

Trình độ chuyên môn: Thạc sỹ Vật lý Lý thuyết và Vật lý toán

Chức vụ công tác: Giáo viên tổ Vật lý – Công nghệ - Thể dục

Đơn vị công tác: Trường THPT Yên Lạc 2

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I Lí do chọn chuyên đề

Hiện nay, ngành giáo dục Việt Nam đang hướng tới dạy học theo chủ đề với các phương pháp dạy học phát huy tính tích cực của học sinh Đó cũng là mục tiêu của đổi mới sinh hoạt chuyên môn trong nhà trường Trong số các phương pháp dạy học tích cực: phương pháp đàm thoại giúp người học phát hiện ra được chân lí bằng cách giáo viên đưa ra các câu hỏi định hướng, gợi mở để tìm kết luận; Phương pháp thực nghiệm giúp học sinh ghi nhớ và khắc sâu hơn kiến thức được học đồng thời hình thành kĩ năng vận dụng kiến thức môn học vào xử lí các tình huống thực tiễn

Môn vật lí là một môn khoa học thực nghiệm Các Thuyết vật lí, định luật vật lí, các tiên đề sẽ trở nên rất khó hiểu đối với người học nếu không được kiểm chứng bằng thực nghiệm Và hơn hết, một Thuyết vật lí, một định luật, một tiên đề

sẽ không thể tồn tại được nếu như các hệ quả suy ra từ nó mâu thuẫn với thực nghiệm

Trong số các bài học thuộc chương trình vật lí THPT, Bài học “dòng điện trong chất điện phân” là chủ đề bài học có sự tích hợp giữa hai môn Vật lý và hóa học – đó là một chủ đề khó dạy Bên cạnh đó, điều kiện cơ sở vật chất của nhà trường có đủ để tiến hành các thí nghiệm minh họa, kiểm chứng nội dung bài học – phát huy được tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh

Với những lí do trên, Tôi lựa chọn thiết kế chủ đề bài học “Dòng điện trong chất điện phân và ứng dụng” với các phương pháp và kĩ thuật dạy học tích cực phương pháp đàm thoại, phương pháp nêu và giải quyết vấn đề, dùng thực nghiệm kiểm tra kết quả lý thuyết Từ đó giúp học sinh hiểu rõ bản chất của vấn đề, tin yêu vào khoa học chân chính và phần nào đó phát huy được tính tích cực chủ động, sáng tạo của các em

II Ý nghĩa thực hiện chuyên đề

- Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất: bản chất dòng điện trong chất điện phân; các hiện tượng xảy ra ở các điện cực trong bình điện phân; các định luật Fa - ra – đây về hiện tượng điện phân và các ứng dụng của hiện tượng điện phân

- Rèn luyện cho học sinh tình yêu khoa học chân chính

- Giúp GV có thêm tài liệu tham khảo về phương pháp dạy mới “ Dòng điện trong chất điện phân” nhằm phát huy tính tích cực, chủ động sáng tạo của học sinh

PHẦN II : NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ

I THUYẾT ĐIỆN LI

Để giải thích tính chất điện của dung dịch các chất điện phân, Arrhenius (A – rê – ni - út) – nhà Hóa học và vật lí người Đan Mạch, vào năm 1884 đã đưa ra lý thuyết được biết đến như là Thuyết điện li hay thuyết ion (1)

Những điểm chính của Thuyết:

1 Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, ba zơ, muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tích điện gọi là ion Các ion chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành các hạt tải điện

+ Dung dịch axit phân li thành ion dương H+ và ion âm (gốc axit)-

+ Dung dịch Bazơ phân li thành ion dương (Kim loại)+ và ion âm OH-

+ Dung dịch muối phân li thành ion dương (Kim loại)+ và ion âm (gốc axit)-

NH4Cl không chứa ion kim loại Trong dung dịch chúng phân li thành NH4+; OH

-và Cl-)

Ví dụ:

AB → A+ + B- NaCl → Na+ + Cl-

K2SO4 → K+ + SO4 Chất điện phân Các ion

2-2 Mỗi ion mang một số nguyên lần điện tích nguyên tố Khi ion là một nguyên tử tích điện, số điện tích nguyên tố của ion là hóa trị của nguyên tố ấy

3 Các ion dương và ion âm vốn đã tồn tại sẵn trong các phân tử axit, ba zơ và muối Chúng liên kết chặt chẽ với nhau bằng lực hút Cu – lông Khi tan vào nước hoặc dung môi khác, lực hút Cu – lông yếu đi, liên kết trở nên lỏng lẻo Một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do

4 Chuyển động nhiệt mạnh trong các muối, oxit Kim loại, hoặc Ba zơ nóng chảy cũng làm cho các phân tử chất này phân li ra thành các ion tự do như trong dung dịch

Người ta gọi các dung dịch axit, ba zơ, muối và các muối, ba zơ, oxit kim loại nóng chảy là các chất điện phân

II BẢN CHẤT CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN

1 Khi không có điện trường ngoài, các ion tự do trong chất điện phân chuyển động nhiệt hỗn loạn, không có hướng ưu tiên nên không tạo thành dòng điện

2 Khi đặt một điện trường ngoài vào bình chất điện phân, điện trường làm các ion chuyển động có hướng và tạo thành dòng điện

Dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau dưới tác dụng của điện trường

3 So sánh độ dẫn điện chất điện phân và của kim loại

 Mật độ ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ electron tự do trong kim loại

 Khối lượng và kích thước của ion lớn hơn khối lượng và kích thước của electron tự do nên các ion linh hoạt hơn trong chuyển động có hướng của mình

 Môi trường chất điện phân mất trật tự nhiều nên cản trở chuyển động có hướng của các ion

 Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại

III CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA Ở CÁC ĐIỆN CỰC

1 Giới thiệu: (Introduction)

Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn mang theo cả vật chất (các ion) Tới điện cực chỉ có các electron tự do là đi tiếp còn các ion bị đọng lại các điện cực, gây ra hiện tượng điện phân Tùy vào bản chất của các ion và chất làm điện cực mà các phản ứng xảy ra ở các điện cực sẽ kèm theo các phản ứng phụ làm cho hiện tượng điện phân trở nên phức tạp (2)

2 Những lưu ý về các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực trong bình điện phân

Điện cực dương (cực dương, dương cực, anốt) là điện cực nối với cực

dương của nguồn điện một chiều, là nơi hút các điện tử về cũng là nơi các anion chạy về và xảy ra quá trình oxi hóa

Điện cực âm (âm cực, cực âm, catốt) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi các cation chạy về và xảy ra quá trình khử

Thực nghiệm cho thấy:

Khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào điện cực catot Ion nào càng đứng sau thì có tính oxi hóa càng mạnh và do đó bị khử trước ở catot

Nếu anode là chất trơ (không tan, như Bạch kim (Pt), than chì (có thể dùng lõi pin)), các anion không chứa oxi sẽ bị oxi hóa ở anode, khi không còn anion không chứa oxi, nước sẽ bị oxi hóa, khi hết nước, quá trình điện phân sẽ ngừng

Nếu anode không trơ thì anode sẽ bị tan và có thể phản ứng với dung dịch điện phân

Thường thì bình điện phân có vách ngăn xốp ngăn thành hai phần, một phần chứa cathode, một phần chứa anode, nhưng nếu bỏ vách ngăn này, các chất tạo thành do điện phân sẽ phản ứng với dung dịch

Ví dụ:

Điện phân dung dịch NaCl không có vách ngăn, ta được nước Javel do

Cl2 sinh ra phản ứng với NaOH tạo thành do điện phân:

2NaCl + 2H2O đp => H2 + NaOH + Cl2

2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O (hỗn hợp này gọi là nước Javel) (3)

III CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA Ở ĐIỆN CỰC

1 Hiện tượng dương cực tan

a Thí nghiệm:

Một bình thủy tinh đựng dung dịch CuSO4, nhúng vào đó hai điện cực dẫn được điện (ví dụ hai điện cực bằng Cu) Ta được một bình điện phân Nối hai điện cực với hai cực của nguồn điện một chiều (pin hoặc acquy) Điện cực nối với cực dương của nguồn gọi là Anode (anốt) Điện cực nối với cực âm của nguồn gọi là cathode (catốt) Sau một thời gian, anot bị mòn dần, catot có một lớp đồng bám vào

b Giải thích:

Trong dung dịch có ion Cu2+ và ion do phân li của muối Đồng

Khi có dòng điện chạy qua, cation Cu2+ đi về catốt và nhận thêm 2 electron từ nguồn điện đi tới Ta có

Đồng sinh ra bám vào catốt

Ở A nốt, electron bị kéo về phia cực dương của nguồn, tạo điều kiện cho ion Cu2+được hình thành trên bề mặt tiếp xúc với dung dịch

Khi anion chạy về A nốt nó kéo các cation Cu2+ tan vào trong dung dịch, làm cực dương tan dần vào trong dung dịch Đó là hiện tượng dương cực tan

c Điều kiện để có dương cực tan:

Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân một dung dịch muối kim loại mà anot làm bằng chính kim loại ấy

d Định luật Ôm đối với chất điện phân:

Các phản ứng diễn ra các điện cực trong bình điện phân này cùng một phản ứng cân bằng nhưng diễn ra theo hai chiều ngược nhau Nên nếu phản ứng theo chiều này tỏa ra năng lượng thì phản ứng theo chiều ngược lại thu năng lượng, nên tổng cộng năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình phân tích các chất mà chỉ

bị tiêu hao vì tỏa nhiệt Bình điện phân không khác gì một điện trở

Kết quả thí nghiệm cho bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 với anot bằng đồng

I (A) 0,025 0,060 0,100 0,1300 0,170 0,210

Đường đặc trưng vôn – am pe của

bình điện phân đựng dung dịch

CuSO4 với anot bằng đồng

2 Hiện tượng dương cực trơ

a Thí nghiệm

Xét bình điện phân đựng dung dịch H2SO4 và các điện cực làm bằng Grapit

hoặc inốc Đó là các chất dẫn được điện nhưng không tạo thành ion tan vào dung

dịch được

b Giải thích:

Trong bình điện phân có các cation H+ và anion , ngoài ra còn có các

ion OH- và H+ do nước phân li yếu

Khi có dòng điện chạy qua: cation H+ đi về phía catot nhận electron từ ca tốt, hình

thành khí H2 bay ra ở anốt theo phản ứng:

Tại anot, anion OH- nhường electron cho a nôt theo phản ứng

Quá trình điện phân thực chất là điện phân nước

c Định luật Ôm:

Trong bình điện phân có dương cực trơ, bình điện phân giống như một máy

thu điện có suất phản điện ζp với W = ζp.I.t (W là năng lượng cần cho các phản ứng

hóa học ở các điện cực, năng lượng này lấy từ năng lượng của dòng điện) Định

luật Ôm cho bình điện phân không có dương cực tan là định luật Ôm cho mạch có

máy thu điện

IV CÁC ĐỊNH LUẬT FA – RA – ĐÂY VỀ HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN

Vì dòng điện trong chất điện phân tải điện lượng và vật chất nên khối lượng

của vật chất đi đến các điện cực sẽ

+ tỉ lệ thuận với điện lượng dịch chuyển qua bình điện phân

+ tỉ lệ thuận với khối lượng của ion (khối lượng mol nguyên tử A của nguyên tố

tạo ra ion ấy)

+ tỉ lệ nghịch với điện tích của ion (hay hóa trị n của nguyên tố tạo ra ion ấy)

0.10 0.06 0.02

2.5 3.0 1.5

0.04 0.08 0.12

0.16 0.18 0.20 0.14 I(A)

U(V)

Fa – ra – đây đã tổng quát nhận xét trên, và mở rộng cho cả trường hợp các chất được giải phóng ở các điện cực là do các phản ứng phụ sinh ra, thành hai định luật

Fa – ra – đây (2)

1 Định luật I Fa-ra-đây

a Nội dung: khối lượng của chất giải phóng ra ở điện cực trong bình điện phân tỉ

lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó

b Công thức: m = k.q (k: đương lượng điện hóa, phụ thuộc vào bản chất của chất giải phóng ở điện cực)

Trong đó: A là khối lượng mol của nguyên tử

n: hóa trị của nguyên tử

I: cường độ dòng điện qua bình điện phân (A)

t: thời gian điện phân (s)

m: khối lượng của chất giải phóng (g)

4 Chứng minh định luật

+ Giả sử có N ion di chuyển tới điện cực, mo là khối lượng của 1 ion Khi các ion được giải phóng thì trung hòa về điện, khối lượng của chất giải phóng tính theo công thức: m = N mo

+ Nguyên tố của chất giải phóng có hóa trị n, khi là ion thì một ion có độ lớn điện tích là ne

+ Nếu có N ion tới điện cực thì điện lượng dịch chuyển qua bình điện phân là gì?

- Fa – ra - day đã biến đổi công thức tính k về dạng đơn giản

- Trong 1 mol chất có NA hạt nguyên tử Công thức liên hệ giữa khối lượng mol và khối lượng của 1 hạt ion là A = NA.mo

- suy ra: k =

n

A F N

- vậy công thức tính m là: m = It

n

A F

1

V Ứng dụng của hiện tượng điện phân

Hiện tượng điện phân được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống.Trong hóa học và sản xuất chế tạo, điện phân là một phương thức sử dụng một dòng điệnmột chiều để thúc đẩy một phản ứng hóa học mà nếu không có dòng điện nó không tự xảy ra Điện phân có tầm quan trọng cao về mặt thương mại

do nó là một khâu trong việc tách riêng các nguyên tố hóa học từ những nguồn tài nguyên trong tự nhiên như quặng…

Điều chế xút NaOH bằng cách điện phân dd NaCl có màng ngăn

2NaCl + 2H2O  2NaOH + H2 + Cl2 ta thu được khí Cl2 ở Anot, H2 ở Catot và

dd NaOH

Nếu điện phân không có màng ngăn thì NaOH sẽ phản ứng với Cl2

Cl2 + 2NaOH  NaCl + NaClO + H2O

NaCl + H2O  NaClO + H2

NaClO chính là nước tẩy Giaven

5.2 Điều chế kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Al bằng cách điện phân những hợp chất nóng chảy của chúng

Vd: đc Al từ quặng Bôxit giàu Al203

Đây là hình ảnh lò luyện nhôm, người ta điều chế nhôm oxit từ quặng Boxit Sau

đó điện phân nóng chảy nhôm oxit cùng với Criolit (Na3AlF6) Criolit có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, ngoài ra nó còn làm tăng độ dẫn điện của hệ và tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài

Nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như công nghiệp hàng không, công nghiệp xây dựng, công nghiệp chế tạo đồ gia dụng, công nghiệp điện tử…

5.3 Điều chế kim loại có tính khử trung bình và yếu như Zn, Cu, Ag bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng với điện cực trơ

Đây là hình ảnh bình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực bằng graphit, ta thu được kim loại đồng bám vào Catot

PHẦN III: THIẾT KẾ HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Chủ đề: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG (TIẾT 1)

I MỤC TIÊU

1 Kiến thức:

- Nêu được bản chất của dòng điện chạy trong chất điện phân: là dòng chuyển dời có hướng của các ion dưới tác dụng của điện trường

- Nêu được các phản ứng phụ xảy ra trong bình điện phân: hiện tượng dương cực tan

và hiện tượng dương cực trơ

2 Kĩ năng

- Giải thích được: vì sao chất điện phân dẫn điện kém hơn kim loại

- Giải thích được các hiện tượng thường gặp diễn ra ở các điện cực: Hiện tượng dương cực tan và hiện tượng dương cực trơ

- Có kĩ năng thực hành: thí nghiệm về hiện tượng điện phân có dương cực tan và dương cực trơ

- Vận dụng các kiến thức trong bài học để giải thích các hiện tượng và giải các bài tập

- Học sinh có kĩ năng suy luận logic

3 Thái độ:

- Say mê khoa học, kĩ thuật

- Nghiêm túc trong công việc tập thể

- Tự tin khi báo cáo các công việc thực hiện

- Cầu thị, học tập các bạn, mọi người và thầy cô trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu bài học

4 Năng lực hướng tới:

- Năng lực ngôn ngữ: Đọc sách giáo khoa hoặc tài liệu Internet tìm kiếm thông tin liên quan đến bài học

- Năng lực giải quyết vấn đề: Giải thích được vì sao chất điện phân dẫn điện kém hơn kim loại; giải thích được các phản ứng phụ diễn ra ở các điện cực trong bình điện phân đặc biệt hiện tượng dương cực tan

- Năng lực tự học: Thông qua hoạt động cá nhân để giải quyết nhiệm vụ học tập

- Năng lực giao tiếp: Thông qua đàm thoại (hỏi - đáp), hình thành kĩ năng giao tiếp của học sinh

- Năng lực hợp tác: học sinh có khả năng làm việc nhóm để thực hiện nhiệm vụ học tập

- Năng lực tính toán: Thông qua giải các bài tập, hình thành kĩ năng tính toán và phản

xạ nhanh của học sinh

- Năng lực sáng tạo: Biết cách mạ lớp chống gỉ cho các vật liệu bằng phương pháp điện phân

II HÌNH THỨC, PHƯƠNG PHÁP, KĨ THUẬT DẠY HỌC

- Hình thức: Lên lớp, hoạt động nhóm, hoạt động cá nhân

- Phương pháp: Đàm thoại, thảo luận nhóm, nêu và giải quyết vấn đề

- Kĩ thuật: Động não, hỏi- trả lời, khăn trải bàn

III CHUẨN BỊ

1 Giáo viên

Đồ dùng thí nghiệm: Pin, các điện cực bằng đồng, dây dẫn, cốc nước tinh khiết, cốc đựng dung dịch muối ăn.(*)