Một số kinh nghiệm giúp học sinh xử lý nhanh bài toán điện phân

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT THỌ XUÂN 5 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIÚP HỌC SINH XỬ LÝ NHANH BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN Người thực hiện: Nguyễn Thị Vinh Chức vụ:

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT THỌ XUÂN 5

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

MỘT SỐ KINH NGHIỆM

GIÚP HỌC SINH XỬ LÝ NHANH

BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN

Người thực hiện: Nguyễn Thị Vinh Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Hoá học

THANH HÓA, NĂM 2018

MỤC LỤC

Trang

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài ……… ……… 1

1.2 Mục đích nghiên cứu ……… ……… 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu ……… ……… 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu ……… ……… 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận của vấn đề ……… ……… 2

2.1.1 Khái niệm điện phân ……… ……….……… 2

2.1.2 Phân loại ……… … ……… 3

2.1.3 Bài toán điện phân ……… … ……… 5

2.1.4 Ứng dụng của điện phân ……… … ……… 5

2.2 Thực trạng của vấn đề ……….……… 6

2.3 Các giải pháp cụ thể ………… ……….……… 6

2.3.1 Một số cơ sở để giải bài tập điện phân ……… ……… 6

2.3.2 Một số ví dụ minh họa ……… … …… ……… … 17

2.4 Hiệu quả sử dụng ……… …… ……… … 19

PHẦN III: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ……….……….……… 20

Tài liệu tham khảo ……… …….……… … 21

Danh mục các đề tài SKKN mà tác giả đã được Hội đồng Cấp phòng GD&ĐT, Cấp Sở GD&ĐT và các cấp cao hơn đánh giá đạt từ loại C trở lên: …… … 21

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong học tập hóa học, việc giải bài tập có một ý nghĩa rất quan trọng.Ngoài việc làm chính xác hóa các khái niệm hóa học, củng cố, đào sâu và mởrộng kiến thức một cách sinh động; bài tập hóa học còn giúp học sinh rèn luyệntính tích cực, trí thông minh, sáng tạo, bồi dưỡng hứng thú trong học tập và nângcao kỹ năng giải bài tập của từng dạng bài tương ứng

Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh các bàitoán Hóa học là yêu cầu hàng đầu của người học; yêu cầu tìm ra được phươngpháp giải một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất không những giúpngười học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyện được tư duy vànăng lực phát hiện vấn đề của người học

Điện phân là một chuyên đề không thể thiếu ở bậc trung học phổ thông.Phần kiến thức này chỉ được đề cập sâu hơn trong Bài 21: Điều chế kim loại -Chương 5 – sách giáo khoa Hóa học lớp 12 – Ban cơ bản Đọc sách giáo khoaxong, các em học sinh thực sự rất khó tổng hợp được kiến thức và vận dụng đểgiải bài tập

Trong thực tế tài liệu viết về điện phân còn ít và chưa có sự phân loại mộtcách cụ thể nên nguồn tư liệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế do đó nộidung kiến thức và kỹ năng giải các bài tập điện phân mà giáo viên cung cấp chohọc sinh chưa được nhiều Vì vậy, khi gặp các bài toán điện phân các em thườnglúng túng trong việc tìm ra phương pháp giải phù hợp

Qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu, dạy ôn thi đại học trong nhiều năm tôi đãrút ra được một số đặc điểm trong bài toán điện phân, từ đó đưa ra các phươngpháp giải nhanh và phù hợp giúp học sinh dễ hiểu, dễ vận dụng, tránh đượcnhững lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kỳ thi

Trên tinh thần đó, tôi viết sáng kiến: “Một số kinh nghiệm giúp học sinh

xử lý nhanh bài toán điện phân” nhằm giúp các em khắc phục các khó khăn

trên và tự tin khi giải các câu hỏi về điện phân Hi vọng đề tài này là một tài liệutham khảo hữu ích cho các em học sinh và đồng nghiệp

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Giúp học sinh nắm vững lý thuyết điện phân, từ đó rèn luyện kỹ năng giảinhanh một số dạng bài tập trắc nghiệm về điện phân

- Hiểu rõ hơn bản chất:

+ Quá trình khử ở catot, quá trình oxi hóa ở anot

+ Điện phân chất điện li nóng chảy và điện phân dd chất điện li

+ Điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân

- Góp phần phát triển tư duy học tập cho học sinh

- Phát huy tính tích cực và tạo hứng thú cho học sinh trong học tập, đặc biệt

là trong giải bài tập hóa học phần điện phân

- Là tài liệu cần thiết cho học sinh trong quá trình ôn thi THPT quốc gia

- Nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy - học hóa học.

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đề tài này sẽ nghiên cứu:

- Sự điện phân chất điện li nóng chảy

- Sự điện phân dd chất điện li

- Định luật Faraday

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để hoàn thành tốt đề tài này tôi đã vận dụng các phương pháp nghiên cứukhoa học như:

+ Phương pháp thực nghiệm

+ Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết

+ Phương pháp tổng kết kinh nghiệm sư phạm

+ Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin

+ Phương pháp thống kê toán học, xử lý số liệu trong việc phân tích kết quảthực nghiệm sư phạm

+ Nghiên cứu kỹ sách giáo khoa lớp 12 và các sách tham khảo về phươngpháp giải bài toán điện phân

+ Đúc rút kinh nghiệm của bản thân trong quá trình dạy học

…

PHẦN 2: NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ

Cơ sở của phương pháp là việc sử dụng định luật bảo toàn electron, địnhluật Faraday, dãy hoạt động hóa học của kim loại

2.1.1 KHÁI NIỆM

- 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 điệnli

* Lưu ý: Khác với phản ứng oxi hóa – khử thông thường, phản ứng điện phân

xảy ra do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân khôngtrực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn

- Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học

(graphit), nhờ nó các electron chuyển từ dung dịch trong bình điện phân vào

mạch điện hoặc ngược lại, chuyển từ mạch điện vào dung dịch

* Điện cực trơ : Là điện cực chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, không thamgia cho nhận electron (oxi hoá - khử) trong quá trình điện phân Đó là điệncực platin (Pt), cacbon (graphit)

+ Điện cực nối với cực âm (-) của nguồn điện được gọi là catot - cựcâm: tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)

Bình điện phân

e

-Catot Anot

e

-Dây dẫn điện I

Nguồn điện một chiều (Pin, Acqui)

+ Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là anot - cựcdương: tại đây xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2:

* Hai loại điện phân chủ yếu: điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch.

2.1.2.1 Điện phân nóng chảy

Điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại hoạt độngmạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm và một số phi kim như F2

a Điện phân nóng chảy oxit:

Ví dụ: Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al

b Điện phân nóng chảy hydroxit của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:

Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH

* Chú ý: Phương trình điện phân tổng quát

4MOH → 4M + O2 + 2H2O (M là Na, K,…)

c Điện phân muối clorua của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:

Ví dụ: Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg

2.1.2.2 Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

* Vai trò của H2O trong điện phân:

- Là dung môi để chất điện li phân li ra ion

- Vận chuyển các ion đến các điện cực

- Có thể tham gia trực tiếp vào quá trình điện phân:

+ Tại catot (cực âm) H2O bị khử:

2H2O + 2e    H2 + 2OH–

+ Tại anot (cực dương) H2O bị oxi hóa:

2H2O    O2 + 4H+ + 4e

* Quy tắc ở catot:

- Ở catot có cation Mn+ và H2O

2

2 2

electron (không bị khử) mà H2O sẽ nhận electron:

2H2O + 2e    H2 + 2OH–

* Quy tắc anot:

- Ở anot có các anion Am-, H2O

+ Đối với anot trơ (điện cực làm bằng: C, Fe, Pt):

- Nếu anot có mặt các anion: I-; Br-; Cl-; S2-; RCOO-; … thì các anion này sẽnhường electron cho điện cực (bị oxi hóa) theo thứ tự:

S2- > I-> Br- > Cl- > RCOO- > H2O

 ; SO42-; CO32-;

H2O sẽ nhường electron:

2H2O    O2 + 4H+ + 4e

+ Đối với anot hoạt động:

vào dung dịch (anot tan hay hiện tượng dương cực tan)

VD: Zn   Zn2+ + 2e

Cu   Cu2+ + 2e

*Tổng quát: Điện phân dung dịch sẽ thu được sản phẩm ở các điện cực là

(xảy ra sự khử)

Có: Xn-, H2O(xảy ra sự oxi hóa)Sản phẩm thu được: Kim loại

H2 , dd OH

-Sản phẩm thu được: Cl2, S O2 , dd H+

2.1.3 BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN

Định luật Farađay

Công thức: m  nF AIt

Trong đó: m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực

A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

n: là số electrron trao đổi ở điện cực

t: là thời gian điện phân (s)

I: là cường độ dòng điện (Ampe)

F: là hằng số Farađay có giá trị F = 96500

Thường dùng công thức sau:

Số mol electron trao đổi: ne trao đổi F It (*)

2.1.4 ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN PHÂN

Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp

- Sản xuất NaOH, Cl2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl bãohòa.Trong quá trình điện phân sản phẩm tạo thành là NaOH, Cl2, H2

- Sản xuất các khí H2, O2 bằng phương pháp điện phân các dung dịch nhưK2SO4, H2SO4, NaOH thực chất là điện phân nước, còn các chất muối, axit,kiềm chỉ đóng vai trò làm tăng độ dẫn điện của dung dịch Trong phòng thínghiệm sự điện phân nước đã thực hiện năm 1800 và hiện nay vẫn sử dụng đểđiều chế oxi siêu tinh khiết

- Sản xuất Li, Na, K, Mg, Ca, Ba, Cl2, Br2 bằng cách điện phân các muốihalogen nóng chảy

- Sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân Al2O3 nóng chảy có thêmcriolit để giảm nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit

- Sản xuất KClO3 bằng phương pháp điện phân nóng chảy KCl

- Điều chế các kim loại tinh khiết: Bằng phương pháp điện phân người ta cóthể thu được các kim loại có độ tinh khiết cao như Zn, Cd, Mn, Cr, Fe

- Tinh chế kim loại: Nhờ phương pháp này có thể tinh chế hàng loạt kim loạinhư Cu, Ag, Au, Ni, Co và Pb Phổ biến nhất là tinh chế đồng Đồng thô (lẫn tạpchất) được dùng làm anot, nhúng trong dung dịch điện phân CuSO4 Đồng tinh

khiết được dùng làm catot Các ion Cu2+ từ sự hòa tan anot chuyển về catot và bịkhử thành đồng tinh khiết bám vào catot.

- Phân tích định tính, phân tích định lượng và tách các kim loại ra khỏi hỗn hợp của chúng Nguyên tắc dựa trên thế phóng điện khác nhau của các ion kim loại trong hỗn hợp.

- Mạ điện: Người ta có thể mạ các kim

loại như Zn, Cd, Cu, Ni, Cr, Sn, Ag, Au lên

bề mặt các đồ vật bằng kim loại để chống gỉ,

tăng vẻ bóng đẹp của đồ vật bằng phương

pháp điện phân Trong mạ điện kim loại để

mạ được dùng làm anot nhúng trong dung

dịch muối của nó Điện phân với anot tan

cũng được dùng trong mạ điện, nhằm bảo vệ

kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho

vật mạ Anot là kim loại dùng để mạ (như

- Qua những năm giảng dạy tại trường phổ thông tôi nhận thấy rất nhiều học

sinh khi làm bài tập điện phân thường hay lung túng, khúc mắc do điện phân chỉđược học trong 1 tiết ở lớp 12 Điều đó, sẽ mất nhiều thời gian làm bài và đôikhi không làm ra được kết quả, thậm chí bỏ qua bài toán đó trong các đề thi

- Thực tế là học sinh hay giải bài tập phần điện phân nhầm do không hiểuhết các vấn đề của điện phân Xác định không rõ vai trò, viết sai các quá trìnhoxi hóa-khử

- Vì vậy để nâng cao hiệu quả giải bài tập điện phân trong đề thi THPTQGtôi chọn đề tài này nhằm giúp học sinh hiểu thấu đáo hơn và giải quyết vấn đềđiện phân tốt hơn

2.3 CÁC GIẢI PHÁP CỤ THỂ

Với đặc điểm của môn học và thực trạng của học sinh khi học bài 21: Điềuchế kim loại, để giúp học sinh hình dung tổng quan về điện phân cũng nhưnhững kinh nghiệm khi giải bài tập điện phân, tôi đã tổng kết nên nội dung sángkiến này

2.3 1 Một số cơ sở để giải bài toán điện phân:

Nhận xét 1:

- Viết phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theođúng thứ tự, đôi khi không cần viết phương trình điện phân.

- Số mol electron nhường ở catot = số electron nhận ở anot

- Chất khí thoát ra sau điện phân gồm cả khí thoát ra ở catot và anot (trừkhí gây ra phản ứng phụ, tạo sản phẩm tan trong dung dịch)

Ví dụ: Điện phân (với điện cực trơ có màng ngăn xốp) 500 ml dd NaCl 1M thu được 8,96 lít khí thoát ra ở catôt và V lít khí ở anôt trong cùng điều kiện Giá trị của V là:

Hướng dẫn giảinNaCl = 0,5 mol

2H2O + 2e    H2 + 2OH– 2Cl-

   Cl2 + 2e 0,8   0,4 (mol)

(Cu2+ điện phân chưa hết)

0,5    0,25 0,5

Vì ne nhường = 0,5 < 0,8 nên:

2H2O    O2 + 4H+ + 4e 0,075   0,3 Khí thoát ra ở anot gồm Cl2 và O2: Vkhí = 22,4.(0,25 + 0,075) = 7,28 lít

→ Chọn đáp án C

Nhận xét 2:

Nếu đề bài cho I và t thì trước hết:

- Tính số mol electron trao đổi ở từng điện cực theo công thức: ne trao đổi

- Từ những quá trình đã xác định được, tính lượng chất đã điện phân hoặclượng chất thu được

Ví dụ: Điện phân 200 ml dd NaCl 1M (với anôt trơ, màng ngăn xốp) với cường độ dòng điện 2,68A trong thời gian 3 giờ Giả sử hiệu suất điện phân là 100% thì thể tích khí thoát ra ở anôt là :

Hướng dẫn giải

ne trao đổi F It = 0,3 mol ; nNaCl = 0,2 mol

Anot (+)2Cl-

   Cl2 + 2e 0,2    0,1 0,2

Vì ne nhường = 0,2 < 0,3 nên:

2H2O    O2 + 4H+ + 4e 0,025   0,1

Khí thoát ra ở anot gồm Cl2 và O2: Vkhí = 22,4.(0,1 + 0,025) = 2,8 lít

Nhận xét 3:

Khối lượng catot tăng = khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào

Ví dụ 1: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp AgNO 3 0,1 M và Cu(NO 3 ) 2 0,2

M với điện cực trơ và cường độ dòng điện bằng 5A Sau 19 phút 18 giây dừng điện phân, lấy catot sấy khô thấy tăng m gam Giá trị m là:

Hướng dẫn giải

ne trao đổi F It = 0,06 mol ; n AgNO3= 0,02 mol ; n Cu NO( 3 2 ) = 0,04 mol

Catot (-)

Ag+ + e    Ag 0,02    0,02 (mol)

Vì ne nhường = 0,02 < 0,06 nên Cu2+ nhận e

Cu2+ + 2e    Cu 0,02   0,04    0,02 (mol)

   Cu2+ điện phân chưa hết

Khối lượng catot tăng = mAg + mCu = 0,02.108 + 0,02.64 = 3,44 gam

→ Chọn đáp án D

Ví dụ 2: Điện phân với điện cực trơ dd muối clorua của kim loại hoá trị (II) với cường độ dòng điện 3A Sau 1930 giây, thấy khối lượng catot tăng 1,92 gam Kim loại trong muối clorua trên là:

Hướng dẫn giải

ne trao đổi = 0,06 mol

Catot (-)

R2+ + 2e    R 0,06    0,03 (mol)

   MR = 1,920,03 = 64 (gam/mol)

Vậy R là Cu → Chọn đáp án C

Nhận xét 4:

- Với quá trình điện phân có sinh ra kết tủa hay giải phóng khí thì:

mdung dịch sau điện phân = mdung dịch trước điện phân – mkết tủa - mkhí

- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = mkết tủa + mkhí

Ví dụ 1: Điện phân 200 ml dd gồm KCl 0,1M và Cu(NO3)2 0,2M với I = 5A trong thời gian 1158 giây, điện cực trơ, màng ngăn xốp Giả sử nước bay hơi không đáng kể.

Độ giảm khối lượng của dd sau khi điện phân là:

Hướng dẫn giải

ne trao đổi = 0,06 mol ; nKCl = 0,02 mol ; n Cu NO( 3 2 ) = 0,04 mol

   Cl2 + 2e 0,03   0,06    0,03 (mol)

(Cu2+ điện phân chưa hết)

0,02    0,01 0,02

Vì ne nhường = 0,02 < 0,06 nên:

2H2O    O2 + 4H+ + 4e 0,01   0,04

Độ giảm khối lượng của dung dịch:

Δm = mkết tủa + mkhí = 0,03.64 + 0,01.71 + 0,01.32 = 2,95 (gam)

→ Chọn đáp án D

Ví dụ 2: Điện phân 200ml dung dịch gồm CuSO4 1,25M và NaCl a mol/l (điệncực trơ, màng ngăn xốp, hiệu suất điện phân 100%, bỏ qua sự hòa tan của khítrong nước và sự bay hơi của nước) với cường độ dòng điện không đổi 2A trongthời gian 19300 giây Dung dịch thu được có khối lượng giảm 24,25 gam so vớidung dịch ban đầu Giá trị của a là

(Cu2+ điện phân chưa hết)

0,2a    0,01 0,02

Nếu chưa có H2O điện phân ở anot thì: n Cl2= 02,4 = 0,2 mol

mdd giảm = 0,2.64 + 0,2.71 = 27 # 24,25 gam (loại)

- Khi điện phân dd hh gồm nhiều chất ta có thể:

+ Quy đổi về các chất mà cation dề nhận e và anion dễ nhường e

+ Sau đó nên viết phương trình điện phân

Ví dụ 1: Điện phân dung dịch hh chứa 18,8g Cu(NO 3 ) 2 và 29,8g KCl điện cực trơ có màng ngăn.sau một thời gian thấy khối lượng dung dịch giảm 17,15g so với ban đầu, thể tích dd là 400ml Tổng nồng độ mol các chất sau điện phân là