Giảng dạy một số nội dung điện hóa học ở trường trung học phổ thông

tieu luan

PH ẦN I MỞ ðẦU I.1 Lí do chọn ñề tài

Hiện nay, việc ñổi mới nội dung và phương pháp dạy học là một trong những vấn ñề ñược rất nhiều người quan tâm Một nhiệm vụ cơ bản của dạy học nhà trường là ñảm bảo cho học sinh nắm vững ñược kiến thức, làm cho học sinh hiểu ñúng bản chất của một vấn ñề ðiều này ñòi hỏi ở người giáo viên cần phải có một phương pháp sư phạm vững chắc, kiến thức chuyên môn cao Bên cạnh ñó ñòi hỏi học sinh phải tích cực hơn trong học tập ñể tự mình có thể chiếm lấy tri thức khoa học

ðiện hóa học là phần nội dung kiến thức rất quan trọng trong nội dung chương trình hóa học phổ thông hiện nay ðược manh nha ở lớp 9 bậc trung học cơ sở, và trình bày rất rộng ở bậc trung học phổ thông Chủ yếu nằm ở phần ñại cương về kim loại của lớp

12 ðây là phần lí thuyết cơ sở rất quan trọng ñể nghiên cứu tìm hiểu tính chất của kim loại và ion kim loại trong dung dịch

Vì vậy, trong quá trình truyền ñạt cần phải phát huy tính tích cực, năng lực tư duy, sáng tạo của học sinh

ðiện hóa học có những ứng dụng gì? Chúng tuân theo qui luật như thế nào? ðặc biệt việc dạy và học chúng ở chương trình trung học phổ thông ra sao? Là một giáo viên tương lai bạn cần chuẩn bị những gì? Cách trình bày của bạn ñối với học sinh ra sao?

Với những lí do cơ bản ñó, tôi ñã quyết ñịnh chọn ñề tài nghiên cứu: “Giảng dạy một

số nội dung ñiện hóa học ở trường trung học phổ thông”

I.2 Mục ñích nghiên cứu

Tìm hiểu nội dung ñiện hóa học và phương pháp giảng dạy nội dung ñó trong chương

trình trung học phổ thông

I.3 Nhi ệm vụ của ñề tài

- Nghiên cứu những cơ sở xây dựng và những yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng hóa

học của kim loại theo ñiện hóa học

- Tìm hiểu nội dung, cấu trúc chương trình ðiện hóa học ở trường trung học phổ thông

- Thiết kế một số giáo án giảng dạy phần ñiện hóa học ở trường trung học phổ thông

- Tìm hiểu thực trạng

I.4.Khách th ể, ñối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Khách thể Các tài liệu có liên quan

- ðối tượng Giáo viên – học sinh trung học phổ thông

- Phạm vi nghiên cứu: Trường THPT, Giáo viên, Học sinh, Và các tài liệu có liên quan

I.5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lí thuyết

- Nghiên cứu thực tiễn

- Thực tập giảng dạy

- Thống kê toán học

PH ẦN II NỘI DUNG

I.1 C ơ sở lí luận của sự hình thành khái niệm ðiện Hóa Học

I.1.1 T ầm quan trọng của việc hình thành khái niệm ñiện hóa học ở trường

THPT

Trong quá trình khái quát hóa những kiến thức về các chất riêng biệt và về những biến hóa của chúng, những khái niệm cơ bản về hóa học dần dần xuất hiện Những khái niệm ñó trở thành ñiểm tựa, là vũ khí cho việc tiếp tục nghiên cứu các nguyên tố và các hợp chất hóa học Lúc ñó, những khái niệm cơ bản dần dần ñựơc cụ thể hóa thêm, ñào sâu thêm và ngày càng phản ánh ñúng ñắng hơn các mặt phức tạp của vấn ñề

ðiện hóa học là phần kiến thức cơ sở quan trọng ñược ñặc ở ñầu chương “ ðại Cương Kim Loại” sách giáo khoa hóa học 12 Làm tiền ñề cơ sở, và là lí thuyết chủ ñạo cho việc tìm hiểu tính chất hóa học của kim loại, ion kim loại trong dung dịch

Vì thế trong việc giảng dạy hóa học, người giáo viên cần chú ý rèn luyện cho học sinh thói quen nhận thức các sự kiện thực nghiệm về phản ứng hóa học dưới ánh sáng của của các lí thuyết khác nhau, trong ñó có lí thuyết ñiện hóa học

Việc vận dụng lí thuyết ñiện hóa học trong dạy học hóa học không những có ý nghĩa hết sức to lớn ñối với việc nghiên cứu tính chất hóa học của các chất, hợp chất mà còn

cả ñối với việc hệ thống chúng cùng với những lí thuyết hóa học khác

I.1.2 N ội dung nghiên cứu ðiện Hóa Học ở chương trình trung học phổ thông

Muốn hình thành có hiệu quả cho học sinh một khái niệm hoặc hệ thống khái niệm nào

ñó, người giáo viên cần xét kỉ nhiều mặt của khái niệm trước khi tiến hành giảng dạy Muốn xét vấn ñề này cần phải xuất phát từ mục tiêu ñào tạo của cấp học và nhiệm vụ ñức – trí dục của môn học tức là phải dựa chắc chắn vào nội dung chương trình của bộ môn ñó Nói chung việc nghiên cứu sự hình thành của nội dung kiến thức ñiện hóa học cần trải qua các bước sau

- Xét vị trí và tầm quan trọng của nội dung ñiện hóa học trong chương trình bộ môn

- Xét cấu trúc của nội dung ñiện hóa học: ðiện hóa học bao gồm những nội dung nào

mà ta phải hình thành cho học sinh

Cần dựa vào trình ñộ phát triển chung của học sinh mà xét kỉ khối lượng, mức ñộ nông hay sâu của những kiến thức ñó Như vậy ở ñây có hai bước phải thực hiện

+ Xét cấu trúc của nội dung ñiện hóa học theo quan ñiểm hiện ñại của khoa học (dựa vào chương trình hóa học ở bậc ñại học)

+ Lựa chọn kiến thức và kỉ năng, kỉ xảo cần truyền thụ cho học sinh phổ thông căn

cứ vào trình ñộ phát triển của họ

- Phân tích sự hình thành nội dung ñiện hóa học trong suốt chương trình cả THCS và THPT

Trong từng giai ñoạn, nội dung kiến thức ñiện hóa học ñược hình thành và phát triển ra sao, có những yêu cầu gì về cả kiến thức lẫn kỉ năng kỉ xảo Ở ñây còn phải xem xét từng khía cạnh của khái niệm, tức là những kiến thức cơ bản là thành phần cấu trúc của nội dung ñiện hóa học ñã ñược hình thành và phát triển như thế nào?

- Tìm ra những biện pháp sư phạm hiệu nghiệm nhất thích hợp với từng giai ñoạn, nhằm thực hiện ñược yêu cầu riêng của từng giai ñoạn ñó cũng như yêu cầu chung về

việc hình thành nội dung ñiện hóa học

I.2 Cơ sở lí thuyết của khái niệm ñiện hóa học

I.2.1 Ph ản ứng oxi hóa - khử

Phản ứng oxi hóa - khử là loại phản ứng trong ñó có sự chuyển electron hoàn toàn (hoặc một phần) từ nguyên tử (hay ion) này sang nguyên tử (hay ion) khác Kết quả là trong phản ứng có sự thay ñổi số oxi hóa của một hoặc vài nguyên tố

- Chất oxi hóa là chất chứa nguyên tố nhận electron

- Chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron

- Quá trình cho electron của chất khử ñược gọi là sự oxi hóa

- Quá trình nhận electron của chất oxi hóa ñược gọi là sự khử

Fe là dạng khử liên hợp của 3+

Fe Tổng quát:

- Dạng oxi hóa nhận electron →dạng khử liên hợp

- Dạng khử cho electron → dạng oxi hóa khử liên hợp

Với một phản ứng oxi hóa khử bất kì, ta luôn có:

Kh (2) → Ox(2) + ne sự oxi hóa Ox(1) + ne → Kh(1) sự khử

Ox(1) + Kh(2) → Kh(1) + Ox(2)

Ta nhận thấy tính oxi hóa của dạng oxi hóa cặp thứ nhất Ox(1) mạnh hơn tính oxi hóa của dạng oxi hóa cặp oxi hóa thứ hai Ox(2) ðể ñánh giá ñộ mạnh của một cặp oxi hóa

khử liên hợp, người ta sử dụng ñại lượng thế ñiện cực

I.2.3 Th ế ñiện cực – Phân loại ñiện cực – Cách xác ñịnh

I.2.3.1.Th ế ñiện cực

Một thanh kim loại nhúng vào dung dịch muối của nó tạo thành một ñiện cực

Giữa kim loại và dung dịch bao quanh nó phát sinh một hiệu số ñiện thế gọi là thế ñiện cực

ne

I.2.3.2 Phân loại ñiện cực

1 ðiện cực kim loại

Khi nhúng một thanh kim loại M vào nước thì do tác dụng của các phân tử có cực của nước, các ion kim loại M n+ bị tách ra khỏi bề mặt kim loại tạo thành các ion kim loại hiñrat, còn các electron ở lại trong thanh kim loai Kết quả là thanh kim loại tích ñiện

âm, còn dung dịch tích ñiện dương, tạo nên cân bằng ñộng sau:

n

M +aq + ne trong thanh kim loai
M tt + aq

2 ðiện cực oxi hóa khử

ðiện cực oxi hóa khử là một ñiện cực gồm một kim loại trơ nhúng trong dung dịch chứa một cặp oxi hóa khử Kim loại trơ là kim loại mà ion của nó không chuyển vào trong dung dịch, thường dùng platin hoặc vàng

Fe

+ +(có thể dùng dung dịch FeCl3 và FeCl2) Kết quả là tồn tại cân bằng ñộng sau:

Fe+ + e
Fe +

Vậy ở ranh giới giữa kim loại và dung dịch tồn tại một lớp ñiện tích kép và sinh ra một hiệu số ñiện thế tương tự như ñiện cực kim loại

Thế ñiện cực của ñiện cực loại này phụ thuộc vào bản chất của cặp oxi hóa – khử, vào

tỉ số nồng ñộ của dạng oxi hóa và dạng khử và vào nhiệt ñộ

3 ðiện cực hiñro chuẩn

Giá trị tuyệt ñối của hiệu số ñiện thế sinh ra giữa kim loại làm ñiện cực và dung dịch ñiện cực không thể xác ñịnh ñược một cách trực tiếp, nên phải quy ước lấy một ñiện cực nào ñó làm chuẩn và gán cho nó một giá trị hiệu số ñiện thế ñể so sánh với các ñiện cực khác

ðiện cực ñược chọn làm chuẩn là ñiện cực hiñro chuẩn ðây là loại ñiện cực oxi hóa khử gồm dây platin có khả năng hấp phụ tốt hiñro (dạng khử), ñược nhúng trong dung dịch H2SO4 là dung dịch chứa dạng oxi hóa H3O+

Hình I.1 Cấu tạo ñiện cực hiddro chuẩn

Khi ñó tồn tại cân bằng sau: H O3 + + 2e
H2( )k + 2H O2

ðiện cực hiñro chuẩn phải có ñiều kiện chuẩn sau:

- Áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) của khí hiñro bằng 1atm

- Nồng ñộ (chính xác hơn là hoạt ñộ) của H3O+ bằng 1mol/l

- Thế ñiện cực của ñiện cực hiñro tiêu chuẩn ở nhiệt ñộ bất kì ñược quy ước bằng

0,00V và ñược kí hiệu như sau: 0 3

2

0, 00

H O

V H

ε  + =

Giá trị này ñược gọi là thế ñiện cực hiñro chuẩn hoặc thế oxi hóa – khử chuẩn hoặc thế

khử chuẩn của cặp oxi hóa – khử 3

2

H O H

+

I.2.3.3 Cách xác ñịnh thế ñiện cực chuẩn của một cặp oxi hóa khử

ðể so sánh ñược thế ñiện cực của các loại ñiện cực khác nhau cần phải có những quy ước thống nhất cho các loại ñiện cực Những quy ước này như sau:

- ðiều kiện chuẩn của các ñiện cực: Một ñiện cực ñược coi là ở ñiều kiện chuẩn khi

nồng ñộ (chính xác hơn là hoạt ñộ) của cấu tử tham gia phản ứng ñiện cực bằng 1mol/l, nếu là chất khí thì áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) riêng phần của nó bằng 1atm

- Chiều của phản ứng ñiện cực là chiều của quá trình khử

số ñiện thế lớn nhất giữa hai ñiện cực Hiệu số ñiện thế lớn nhất này là thế ñiện cực chuẩn của ñiện cực xác ñịnh hay còn gọi là thế khử chuẩn của cặp oxi hóa – khử xác

ñịnh (vì thế của ñiện cực hiñro chuẩn ñược quy ước bằng 0,00V) Thế khử chuẩn của cặp oxi hóa khử ở nhiệt ñộ xác ñịnh ñược kí hiệu là 0( )ox

kh

εThế khử chuẩn ño ñược sẽ có giá trị dương nếu ñiện cực cần ño cao hơn thế ñiện cực hiñro chuẩn, nghĩa là ñiện cực cần ño thế ñiện cực là ñiện cực dương (catot) của pin và ngược lại nó có giá trị âm

I.2.4 Th ế ñiện cực chuẩn của kim loại

Là thế của bán phản ứng khi tất cả các thành phần của ngăn ñiện cực ñều ở ñiều kiện tiêu chuẩn Ghép ñiện cực kim loại tiêu chuẩn với ñiện cực hydro tiêu chuẩn thành một nguyên tố Galvani, ño suất ñiện ñộng của nguyên tố ñó và xác ñịnh chiều của dòng ñiện

Ví dụ: ðo thế ñiện cực tiêu chuẩn của ñiện cực Zn Lập pin gồm ñiện cực kẽm tiêu

chuẩn và ñiện cực hyñro tiêu chuẩn ([H+] = [Zn2+] = 1M)

(-) Zn │Zn 2+

║ H +

│ H 2 (Pt) (+)

Thực nghiệm cho thấy phi kim hoạt ñộng thì ñiện cực hyñro tiêu chuẩn là cực dương

và ñiện cực kẽm tiêu chuẩn là cực âm Suất ñiện ñộng của pin: E0 = 0,763V

E0 pin = ε02H+/ H2 - ε0 Zn2+/ Zn = 0,763V Vậy ε0 Zn2+/ Zn = ε02H+/ H2 - E0 pin = 0 – 0,763 = -0,763V

Bằng cách tương tự người ta xác ñịnh ñược thế ñiện cực tiêu chuẩn của các ñiện cực kim loại và các cặp oxi hóa khử rồi xếp thành bảng thế ñiện cực tiêu chuẩn của các cặp

oxi hóa khử ( Xem ph ụ lục 1 )

I.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng ñến thế ñiện cực

I.2.5.1 Ph ương trình Nerst

Trong các phần trên, ta ñã nhiều lần nhấn mạnh rằng, E0là thế của các phản ứng trong

ñó nồng ñộ dung dịch và áp suất của các khí tham gia phản ứng oxi hóa khử ñều bằng ñơn vị

Khi thay ñổi nồng ñộ dung dịch và áp suất của các khí thì trị số thế E sẽ khác với trị số

0

E chuẩn

Những ảnh hưởng trên ñược nhà hóa học và vật lí học người ðức là Walter Nerst tìm

ra và khái quát nó như sau:

Q nF

RT E

Ở 250C, hay T= 298K ta có

Q n E

E= 0 −0,059lgVới phản ứng tổng quát sau: aA + bB = cC + dD

thì ta có: [ ] [ ]

[ ] [ ]a b

d c

B A

D C

E có thể là thế của ñiện cực hoặc thế của phản ứng

I.2.5.2 Ảnh hưởng của nồng ñộ hay hoạt ñộ

0 −

=εε

2/ E là thế của phản ứng

Xét phản ứng: aOx2 + bKh1 = cKh2 + dOx1

[ ] [ ]a b

d c

Kh Ox

Ox Kh n

E

E

1 2

1 2 0

lg 059 , 0

−

1 1 2 2

Kh Ox Kh Ox

567,110

10lg2

059,036,1lg

2

059,

⇒K ết luận: Áp suất ảnh hưởng khá mạnh ñến thế ñiện cực của phản ứng

I.2.5.4 Ảnh hưởng của pH

Nếu trong quá trình oxi hóa khử, có ion H+ hoặc OH- tham gia thì thế của phản ứng cũng phụ thuộc vào pH của chúng

Truờng hợp tổng quát: Khi tất cả các chất tham gia phản ứng oxi hóa – khử (trừ H+) ñều có nồng ñộ và áp suất bằng ñơn vị, ta có biểu thức

0

n

ε ε = −

m, Số ion H+hoặc OH- trong phương trình chung

n; Số electron trao ñổi trong phương trình chung

⇒K ết Luận: pH ảnh hưởng lớn ñến thế của phản ứng

I.2.5.5 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ

Ở một nhiệt ñộ bất kì ta có:

)1(

p T

G H

E

∂

∂ +

E = −∆Η +

Với

dT

dE

là hệ số nhiệt ñộ,

⇒K ết luận: Nhiệt ñộ ảnh hưởng lớn ñến thế của phản ứng

I.2.5.6 Ảnh hưởng của sự tạo kết tủa

Xét phản ứng sau ở 250C: Fe(3aq+) + 1e→Fe(2aq+) ; ε0 = + 0 , 77V

Tính ε của bán phản ứng khi cho vào dung dịch trên nồng ñộ [OH-] = 1M

- Ở ñiều kiện trên ta có:

[ ][ ]3 3 36 3

)

(

14 2

2 2 )

−

− +

OH Fe T

10lg1

059,077,0lg

1

059,0

36 14

I.2.5.7 Ảnh hưởng của sự tạo phức

Xét phản ứng sau: Fe3++1e→Fe2+ ;ε0 =0,77V

Nếu khi thêm vào hệ trên một phối tử có khả năng tạo phức chất bền với cả dạng oxi hóa và dạng khử thì ta có [ ( ) ]− + →[ ( ) ]4 −

6 3

CN Fe

3 6

10.25,1

;6

10.25,1

;6

2 3

−

− +

−

−

− +

−

=+

→

=+

→

+ +

Fe Cb

Fe Cb K CN Fe

CN Fe

K CN Fe

CN Fe

Khi ñó ta có: [ ( ) ]

( )

[ ]

[ ] [ ]+

+

+

=

+ +

−

3 0

0

lg059,0

3 2 4

3

Fe

Fe Fe

Fe CN

Fe CN

ε

Vì [ ( ) ]− =[ ( ) ]4 −

6 3

4 6

I.2.6 Chi ều của phản ứng oxi hóa - khử

Trong dung dịch nước, chiều của phản ứng oxi hóa khử ñược xác ñịnh dựa vào công thức sau:

E ñược tính như sau: E = ε ( ox kh1 1) ( − ε ox kh2 2)

Trong ñó ε ( ox kh1 1) là thế khử của cặp oxi hóa khử có dạng ox1 ở vế bên phải của phản ứng, còn ε ( ox kh2 2) là thế khử của cặp oxi hóa – khử có dạng kh2 ở vế bên trái của phản ứng, nghĩa là ứng với phản ứng sau:

ox + kh → kh + ox

Nếu ε (ox kh1 1) (>ε ox kh2 2) thì E > 0 và theo công thức (1) ta có ∆ <G 0 nghĩa là phản ứng ñi theo chiều thuận Ngược lại nếu ε(ox kh 1 1)<ε(ox 2 kh 2)thì phản ứng ñi theo chiều nghịch

Khi thực hiện phản ứng ở ñiều kiện chuẩn thì: ∆ G0 = − nFE0(2)

1 Sức ñiện ñộng của pin

ðịnh nghĩa Suất ñiện ñộng của pin là giá trị (trị số tuyệt ñối) của hiệu số

ñiện thế lớn nhất giữa hai ñiện cực của pin Nó ñược tính bằng công thức

- ðiện cực âm (anot) của pin là Zn (ñồng thời là vỏ bọc pin)

- ðiện cực dương (catot) của pin là một thanh chì ñược bao bọc bởi một hỗn hợp MnO4

và bột than

- Chất ñiện li ở ñây là NH Cl ZnCl ở dạng bột nhão Các quá trình xảy ra trong pin 4 , 2như sau: ðiện cực Zn cung cấp nguồn electron

Quá trình oxi hóa : Zn→Zn2+ +2 ;e ε0 = +0, 76V

Electron chuyển ñộng ra mạch ngoài từ ñiện cực âm (Zn) ñến ñiện cực dương, tạo ra dòng ñiện Quá trình khử : 2MnO4+2H+ +2e→Mn O2 3+H O2 ; ε0 =1,04V

Sức ñiện ñộng của pin là

+ +

Sơ ñồ của pin như sau: ( )− Zn NH Cl ZnCl MnO C4 , 2 2, ( )+

I.2.9 S ự ñiện phân

I.2.9.1 ðịnh nghĩa

Sự ñiện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các ñiện cực khi cho dòng ñiện một chiều ñi qua hợp chất nóng chảy hoặc dung dịch chất ñiện li

Vậy : Sự ñiện phân là quá trình biến ñiện năng thành hóa năng

Hình I.2 Sơ ñồ ñiện phân

- Phản ứng oxi hóa - khử xảy ra ở ñiện cực khi ñiện phân

+ Các cation (ion dương) về catot (cực âm), tại ñó xảy ra quá trình nhận electron ñể tạo

ra sản phẩm (chất oxi hóa)

+ Các Anion (ion âm) về anot (ñiện cực dương), tại ñó anion nhường electron ñể tạo ra sản phẩm (chất khử)

I.2.9.2 Các d ạng ñiện phân

1 ðiện phân nóng chảy

- ðiện phân các chất nóng chảy (muối, Al2O3…)

Ở catot ion dương kim loại nhận electron

Ở anot ion âm nhường electron

Trong ñiện phân muối nóng chảy, bản thân muối nóng chảy là chất ñiện li, các ion bị hút về các ñiện cực trái dấu: Cation bị hút về catot (cực âm) và anion về anot (cực dương)

2 ðiện phân dung dịch

Khi ñiện phân dung dịch chất ñiện phân có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì xẽ xảy ra oxi hóa – khử lần lượt ở các ñiện cực theo thứ tự ưu tiên

a/ Quá trình xảy ra ở Catot

ðể xét xem cation kim loại Mn+ hay H2O bị khử ở catot, trước hết cần so sánh thế khử của hai cặp M n

+

Trong môi trường trung tắnh (pH = 7) ta có: 7

ε + lớn hơn nhiều so với -0,413V thì trong dung dịch trung tắnh ion Mn+ bị khử ở catot khi ựiện phân thành kim loại: M n+ + ne → M tt( )Nếu cation kim loại có ( n )

M M

ε + nhỏ hơn nhiều so với -0,413V thì ion Mn+ sẽ không

bị khử mà H+ của nước bị khử thoát ra H2

2( )

2HOH + 2e → H k + 2OH−

Cuối cùng những kim loại có ( n )

M M

ε + gần với giá trị -0,413V như Zn, Cr, Fe, Cd, NiẦ tùy thuộc vào nồng ựộ của dung dịch và ựiều kiện ựiện phân mà kim loại hay H2thoát ra ở catot

b/ Quá trình xảy ra ở Anot trơ

Trong môi trường kiềm xảy ra quá trình oxi hóa các anion OH

c/ Quá trình xảy ra ở anot tan

Khi ựiện phân với anot tan có ba quá trình oxi hóa cạnh tranh nhau ở anot đó là sự oxi hóa nước tạo ra oxi, sự phóng ựiện của anion chất ựiện li và sự oxi hóa kim loại làm anot Nếu kim loại làm anot có thế khử nhỏ hơn hai cặp oxi hóa Ờ khử kia thì sẽ quan sát thấy sự oxi hóa kim loại : ( ) n

tt

Trong trường hợp ngược lại sẽ xảy ra sự thoát ra khí oxi hoặc sự oxi hóa anion chất ñiện li như trên ñã xét ở trên

Ở cực dương có các anion và nhường electron theo thứ tự

Cl−>Br−>S − >CH C >OH− >SO −

3 ðịnh luật Faraday

Từ kết quả nghiên cứu Faraday ñã thiết lập ñược ñịnh luật ñiện phân sau ñây

Khối lượng các chất tạo thành ở ñiện cực khi ñiện phân tỉ lệ với lượng ñiện ñi qua chất

ñiện phân và tuân theo công thức sau: m AQ AIt

I.2.10 S ự ăn mòn kim loại

I.2.10.1 Khái ni ệm Sự phá hủy vật liệu kim loại gây nên bởi các chất ở môi trường

xung quanh gọi là sự ăn mòn kim loại

I.2.10.2 Phân lo ại

1 Ăn mòn hóa học

ðặc ñiểm của ăn mòn hóa học là không phát sinh dòng ñiện ( không có các ñiện cực )

và nhiệt ñộ càng cao thì tốc ñộ ăn mòn càng nhanh

Thí dụ: 3Fe+ 4H O2 = Fe O2 3 + 4H2 ↑

Bản chất của ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa khử, trong ñó các electron của kim loại ñược chuyển trực tiếp sang môi trường tác dụng

2 Ăn mòn ñiện hóa học

Quá trình hòa tan kim loại liên quan ñến sự xuất hiện các dòng ñiện vi mô, ñến các quá trình Anot và Catot gọi là hiện tượng ăn mòn ñiện hóa

Kim loại luôn chứa các tạp chất Kim loại và các tạp chất trong kim loại cũng như môi trường tạo thành các cặp ñiện cực với thế ñiện cực khác nhau

Trong các quá trình Anot, kim loại bị oxi hóa trở thành các ion dương:

n

M → M + + ne

Trong các quá trình Catot, các tác nhân oxi hóa nhận các ñiện tử này tạo nên phản ứng

Kết quả là các kim loại bị hòa tan, bị ăn mòn

I.2.10.3 Các phương pháp bảo vệ

1 Phương pháp tạo lớp phủ

Chất phủ ñược dùng có thể là kim loại bền ñối với môi trường như; Ni, Zn, Cr, Sn, Cd,

Al, Ag, Au , Những chất phủ không phải là kim loại, thường là sơn, men, nhựa

2 Bảo vệ bằng phương pháp ñiện hóa

Sử dụng phương pháp catot Nếu người ta nối Fe với Zn chẳng hạn bằng một dây dẫn thì hiện tượng ăn mòn Fe sẽ ñược hạn chế vì ñối với cặp kim loại Fe – Zn thì Fe giữ vai

CHƯƠNG II NHỮNG NỘI DUNG ðIỆN HĨA HỌC TRONG

CHƯƠNG TRÌNH HĨA HỌC PHỔ THƠNG

II.1 Phân tích s ự hình thành và phát triển khái niệm điện hĩa học trong chương trình hĩa học trường THPT

Khái niệm điện hĩa học được xây dựng trên nền tảng của khá nhiều lí thuyết Tuy nhiên ở mức độ phổ thơng người ta chỉ đưa ra một số lí thuyết liên quan như: Thuyết điện li, Phản ứng oxi hĩa khử … Lí thuyết điện hĩa học được dùng để nghiên cứu các tính chất của các chất, giải thích và tiên đốn về tính chất hĩa học và tính chất vật lí Quá trình phát triển khái niệm điện hĩa học ở chương trình phổ thơng cĩ thể chia thành các bước như sau:

Bước 1: Lớp 10: Học sinh được học về lí thuyết phản ứng oxi hĩa khử “ Phản ứng oxi

hĩa khử là phản ứng trong đĩ cĩ sự chuyển electron giữa các chất phản ứng” Vận dụng lí thuyết này để giải thích sự xuất hiện dịng điện trong pin điện hĩa, và quá trình trao đổi electron trong phản ứng

Bước 2 Lớp 11: Phát triển khái niệm điện hĩa học

Học sinh được học về thuyết điện li: “ Tính dẫn điện của các dung dịch axit bazơ và muối là do trong dung dịch của chúng cĩ các tiểu phân mang điện tích, chuyển động tự

do được gọi là các ion hay “ Quá trình phân li các chất trong nước ra ion là sự điện li Những chất tan trong nước phân li ra ion được gọi là chất điện li”

Vận dụng lí thuyết này để giải thích sự xuất hiện thế trên các điện cực, sự chênh lệch thế giữa các điện cực từ đĩ xuất hiện dịng điện di chuyển trong dây dẫn nối hai điện cực

Bước 3 Lớp 12: Phát triển và hồn thiện khái niệm điện hĩa học

Từ các phản ứng hĩa học đặc trưng của kim loại trong chương “ ðại Cương Kim Loại” như: Fe + HCl → FeCl2 + H2

Cu FeSO l

CuSO

Fe+ 4( )→ 4 +

Dựa vào phản ứng kim loại chuyển chổ cho nhau (kim loại này có thể ñẩy ion kim loại khác ra khỏi muối của chúng) người ta ñả xắp xếp ñược nhiều kim loại theo khả năng phản ứng của chúng

M

M n+

ε ).Từ giá trị thế khử chuẩn người ta có thể so sánh ñược ñộ mạnh yếu của các kim loại và ion kim trong dung dịch.Vì vậy người ta xắp xếp ñược dãy ñiện hóa sau:

Khái niệm ñiện hóa học, tập trung chủ yếu ở chương 5: ðại cương về kim loại

Bài 20 Dãy ñiện hóa của kim loại

1 Khái niệm cặp oxi hóa khử

2 Pin ñiện (suất ñiện ñộng, thế ñiện cực)

3 Thế ñiện cực chuẩn (ñiện cực hiñro chuẩn,thế ñiện cực của các kim loại)

4 Dãy thế ñiện cực của

Bài 18 Tính chất của kim loại dãy ñiện

hóa của kim loại

1 Dãy ñiện hóa của kim loại

Tính oxi hóa của ion kim loại tăng

Tính khử kim loại giảm

kim loại

5 Ý nghĩa của thế ñiện cực

Bài 21 Luyện tập: Tính Chất Của kim

2.1 ðiện phân chất ñiện li

nóng chảy 2.2 ðiện phân dung dịch

chất ñiện li trong nước

3 Ứng dụng của sự ñiện phân

Bài 20 Sự ăn mòn kim loại

3 Chống ăn mòn kim loại

Bài 21 ðiều chế kim loại

1 Nguyên tắc

2 Phương pháp

2.1 Phương pháp nhiệt

luyện 2.2 Phương pháp thủy

luyện 2.3 Phương pháp ñiện

phân

Bài 24 ðiều chế kim loại

1 Nguyên tắc ñiều chế

2 Phương pháp ñiều 2.1 Phương pháp thủy

luyện 2.2 Phương pháp nhiệt

luyện 2.3 Phương pháp ñiện

phân

3 ðịnh luật faraday

Bài 22 Luyện tập: Tính chất của kim

loại

Bài 25 Luyện tập: Sự ñiện phân – sự ăn

mòn kim loại – ñiều chế kim

loại

Bài 23 Luyện tập: ðiều chế kim loại

và sự ăn mòn kim loại

Bài 26 Bài thực hành số 3 Dãy điện

hĩa của kim loại – ðiều chế

kim loại

Bài 24 Thực hành: Tính chất, điều chế

kim loại, sự ăn mịn kim loại

Bài 27 Bài thực hành số 4: Ăn mịn

kim loại và chống ăn mịn kim

loại

II.3 Một số kiến thức cơ bản học sinh cần nắm vững khi học về phần điện hĩa học ở trường Trung Học Phổ Thơng

Bài 20 Dãy điện hĩa của kim loại

Một số kiến thức trọng tâm học

sinh cần nắm vững:

1 Học sinh phải biết được khái

niện cặp oxi hĩa khử, pin điện

hĩa, suất điện động và thế điện

cực là gì?

2 Học sinh phải biết được cấu

tạo của pin điện hĩa, sự chuyển

4 Biết được thế điện cực chuẩn

Bài 18 Tính chất của kim loại dãy

Phần kiến thức cơ sở học sinh phải nắm vững

1 Thế nào là cặp oxi hĩa khử?

Ví dụ:

Cu

Cu Ag

3 Ý nghĩa của dãy điện hĩa học

là gì?

“ Dự đốn chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hĩa khử theo

là gì? Chiều của phản ứng oxi

hóa khử , tính thế ñiện cực

chuẩn của cặp oxi hóa – khử

trong pin ñiện hóa?

5 Dãy thế ñiện cực chuẩn của

kim loại và ý nghĩa của nó?

quy tăc α”

Cu

Cu Fe

Fe2+ 2+

( )aq Fe( )r Fe( )aq Cu( )r

Bài 22 Sự ñiện phân

1 Học sinh phải biết ñược sự

ñiện phân là gì?

2 Biết những ứng dụng của sự

ñiện phân trong công nghiệp là

gì?

3 Hiểu sự chuyển dịch của các

ion trong quá trình ñiện phân:

Muối NaCl nóng chảy, dung

dịch CuSO4 với ñiện cực trơ và

ñiện cực tan (anot tan)

4 Hiểu những phản ứng hóa

học xảy ra trên các ñiện cực

trong quá trình ñiện phân và

viết ñược phương trình ñiện

phân

Không tách thành bài riêng

Bài 23 Sự ăn mòn kim loại

1 Hiểu các khái niệm thế nào

là ăn mòn kim loại, ăn mòn hóa

học và ăn mòn ñiện hóa học?

2 Học sinh phải biết ñược các

Bài 20 Sự ăn mòn kim loại

1 Học sinh phải biết ñược ăn

mòn kim loại là gì?

2 Học sinh phải biết ñược có

các dạng ăn mòn nào trong tự

ñiều kiện và bản chất của ăn

mòn hóa học và ăn mòn ñiện

hóa học

3 Hiểu ñược nguyên tắc và các

biện pháp chống ăn mòn ñiện

hóa học?

nhiên?

3 Học sinh phải biết cách

chống ăn mòn kim loại là gì?

Bài 24 ðiều chế kim loại

Phần kiến thức trọng tâm

1 Học sinh phải biết ñược

nguyên tắc chung ñể ñiều chế

kim loại là gì?

2 Hiểu các phương pháp ñược

vận dụng ñể ñiều chế kim loại

Bài 21 ðiều chế kim loại

Kiến thức trọng tâm học sinh cần nắm bắt ñược ñó là:

1 Nguyên tắc ñiều chế kim loại

là gì?

“Nguyên tắc ñiều chế kim loại

là khử ion kim loại thành kim loại nguyên tử”

M n+ + ne → M

2 Các phương pháp ñiều chế

kim loại là gì?

II 4 Một số vấn ñề giáo viên cần chú ý khi dạy phần ñiện hóa học ở trường THPT

II.4.1 N ội dung kiến thức về ñiện hóa học ở các lớp cơ bản, nâng cao

II.4.1.1 L ớp 12 cơ bản

1 Bài 18: Tính ch ất của kim loại Dãy ñiện hóa kim loại

a/ Dãy ñiện hóa của kim loại

Nắm thật chắc về khái niệm cặp oxh – khử của kim loại: Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một kim loại tạo thành cặp oxi hóa – khử của kim loại

- ðể làm rỏ vấn ñề này cần so sánh mức ñộ hoạt ñộng của cặp oxi hóa – khử ñể khẳng ñịnh ñều ñả trình bài: Zn2

b/ Ý nghĩa dãy ñiện hóa kim loại

Làm rỏ quy tắc α ñể xét chiều của phản ứng oxh - khử

Chất oxi hóa mạnh chất khử mạnh chất oxh yếu hơn chất khử yếu hơn

2 Bài 20 Ăn mòn kim loại Các vấn ñề cần lưu ý

- Cần làm cho học sinh thấy rỏ sự khác nhau giữa hiện tượng ăn mòn hóa học và ăn mòn ñiện hóa học Sự ăn mòn ñiện hóa học xảy ra phổ biến hơn trong thực tế so với ăn mòn hóa học

- Vận dụng những hiểu biết về pin ñiện ñể làm rỏ sự ăn mòn ñiện hóa học

- Tìm hiểu ñiều kiện xảy ra ăn mòn ñiện hóa học

3 Bài 21 ðiều chế kim loại Những vấn ñề giáo viên cần lưu ý:

- Cần làm rỏ mối quan hệ giữa mứt ñộ hoạt ñộng hóa học của các kim loại và phương pháp ñiều chế dựa vào dãy ñiện hoá

- Nguyên tắc ñiều chế kim loại : Khử ion kim loại: M n+ + ne → M

II.4.1.2 Lớp 12 nâng cao

Các vấn ñề giáo viên cần chú ý ở ñây ñược liệt kê trong từng bài cụ thể

1 Bài 20: Dãy ñiện hóa của kim loại

a/ Khái niệm cặp oxi hóa khử của kim loại

Tìm hiểu khái niệm và khái quát theo sơ ñồ M n+ + ne → M

Dạng oxh Dạng khử

b/ Pin ñiện hóa

Cần cho học sinh có những bước nhận thức như sau:

- Quan sát thí nghiệm (thí nghiệm hình 5.3 SGK) pin ñiện hóa Zn – Cu

- Giải thích các hiện tượng quan sát ñược trong quá trình hoạt ñộng của pin ñiện hóa

Zn – Cu và viết phương trình hóa học xảy ra

c/ Thế ñiện cực chuẩn của kim loại Dãy thế ñiện cực chuẩn của kim loại

Cần có những bước hoạt ñộng sau

- Thông báo về thế ñiện cực hiñro tiêu chuẩn

+ Quy ước về thế ñiện cực hiñro chuẩn: ( 2)

0

- Tìm hiểu cách xác ñịnh thế ñiện cực chuẩn của kim loại Ví dụ của Zn

+ Những phản ứng hóa học xảy ra ở ñiện cực khi pin Zn – H hoạt ñộng

+ Làm rỏ trường hợp nào thì thế ñiện cực chuẩn của cặp Mn

M

+

có giá trị dương, âm

- Dựa vào thế ñiện cực chuẩn ñể nêu nguyên tắc sắp xếp các cặp oxi hóa khử của kim loại trong dãy ñiện hóa học

d/ Ý nghĩa của dãy thế ñiện cực chuẩn của kim loại

Hoạt ñộng tìm hiểu về ý nghĩa của thế ñiện cực chuẩn của kim loại, nên chia thành những hoạt ñộng như sau:

- Hoạt ñộng tìm hiểu về chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử của kim loại

- Phân tích phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử

Kết luận về chiều của phản ứng hóa học: Có ba kết luận tương ñương về mặt ý nghĩa:

- Kim loại có cặp oxi hóa – khử có thế ñiện cực chuẩn nhỏ khử ñược kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế ñiện cực chuẩn lớn hơn trong dung dịch muối

- Cation kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế ñiện cực lớn hơn oxi hóa ñược kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế ñiện cực nhỏ hơn

- Chất oxi hóa mạnh hơn sẽ oxi hóa chất khử mạnh hơn, sinh ra chất oxi hóa yếu hơn

và chất khử yếu hơn (quy tắc α)

2 Bài 22 S ự ñiện phân Các vấn ñề cần chú ý khi dạy bài 22

a/ Khái niệm về sự ñiện phân

- Liên hệ ñến thế của các cặp oxi hóa khử ñể xác ñịnh: Tên các ñiện cực, dấu của các ñiện cực và phản ứng xảy ra ở các ñiện cực

b/ ðiện phân dung dịch CuSO 4 với ñiện cực graphit dung dịch CuSO 4 với Anot tan

Cần làm rỏ thứ tự ñiện phân của các ion, phân tử ở các ñiện cực dựa vào dãy thế ñiện cực

3 Bài 23 S ự ăn mòn kim loại Các vấn ñề cần lưu ý khi dạy bài 23

- Cần làm rỏ nguyên nhân nào dẫn ñến ăn mòn ñiện hóa, liên hệ lại bài dãy ñiện hóa

- ðiều kiện xảy ra sự ăn mòn hóa học?

4 Bài 24: ðiều chế kim loại Các vấn ñề cần lưu ý

a/ Phương pháp thủy luyện

- Cơ sở của việc ñiều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện

- Phương pháp thủy luyện ñựơc dùng ñể ñiều chế những kim loại nào

b/ Phương pháp ñiện phân

- Cơ sở của phương pháp ñiện phân ñiều chế kim loại Những kim loại nào có thể ñiều chế ñược bằng phương pháp ñiện, liên hệ dãy ñiện hóa

II.4.2 Phương pháp dạy học về các vấn ñề ñiện hóa học

Nhằm ñể ñạt ñược kết quả tốt nhất về việc học sinh có thể hiểu, nắm vững các kiến thức cơ bản về ñiện hóa học thì ñòi hỏi không chỉ người giáo viên nắm vững về nội dung kiến thức mà còn phải có phương pháp sư phạm khéo léo Phương pháp ñóng vai trò khá quan trọng trong quá trình học sinh tiếp thu kiến thức Một số phương pháp dạy học hóa học chung có thể thể áp dụng cho phần ñiện hóa học như:

- Sử dụng thiết bị thí nghiệm, mô hình hóa học theo ñịnh hướng chủ yếu là nguồn ñể học sinh nghiên cứu, khai thác tìm tòi kiến thức hóa học

- Sử câu hỏi và bài tập hóa học ñể học sinh chủ ñộng nhận kiến thức, hình thành kỉ năng và vận dụng tích cực các kiến thức, kỉ năng ñả học

- Tùy vào tính chất của các bài học trong chương, ta có thể phân chia thành hai phương pháp hình thành kiến thức cho học sinh như sau

+ ðối với loại bài học nhằm xây dựng và hình thành khái niệm mới cho học sinh, như bài: Dãy ñiện hóa của kim loại, ðiện phân, Sự ăn mòn kim loại,…phương pháp dạy nên thiết kế theo mô hình dạy như sau:

+ ðối với những loại bài học ñòi hỏi sự vận dụng lí thuyết ñể tìm hiểu tính chất của chất, như tìm hiểu tính chất vật lí, tính chất hóa hịc chung của kim loại, ñiều chế kim loại,….thì phương pháp dạy học nên thiết kế theo mô hình sau:

Kết luận hoặc hình thành khái niệm mới

II.5 Vận dụng một số kiến thức về điện hĩa học để giảng dạy nội dung điện hĩa học trong chương trình hĩa học trường THPT

II.5.1 S ử dụng Thế ðiện Cực để tính Sức ðiện ðộng và dự đốn xem một phản ứng oxi hĩa – khử cho trước cĩ khả năng xảy ra hay khơng

Cơ sở là dựa vào biểu thức: G∆ = −nFE Ở 250C thì ta cĩ: ∆G0 = −nFE0

Trong đĩ: n- số electron trao đổi F- hằng số Faraday E0 – suất điện động của phản ứng

- Nếu E0 >0⇒∆ < →G 0 Phản ứng tự diễn biến

- Nếu E0 <0⇒∆ > →G 0 Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

Vậy suất điện động E0pin = −0, 76V <0⇒∆ > →G 0 phản ứng khơng cĩ khả năng xảy

ra theo chiều như trên

II.5.2 Tính th ế của một bán phản ứng khi bán phản ứng đĩ là tổ hợp của hai hay

0

1 =

ε

Áp dụng biểu thức :

2 1

0 2 2 0 1 1 0 3

n n

n n

e Tl

V Tl

e Tl

r aq

aq

r aq

?,3

250,1,2

336,0,

0 3 3

0 2 3

0 1

=

→+

=

→+

−

=

→+

+

+ +

+

εεε

Trong ñó: n1; n2; là số electron trao ñổi trong bán phản ứng (2),(3)

n n

721,03

250,12336,01

2 1

0 2 2 0 1 1 0

e Au

V e

Au Au

pu aq r

aq

r aq

aq aq

27,0,

3

68,1,(

2

41,1,

2

0 3

0 2

0 1 3

=+

→

=

→+

−

=+

→

+ +

+

+ +

εε

II.5.4.1 D ự đốn được chiều xảy ra của phản ứng

Phản ứng oxi hĩa khử luơn xảy ra theo chiều tạo ra chất oxi hĩa và chất khử yếu hơn, nghĩa là chất oxi hĩa mạnh nhất sẽ oxi hĩa chất khử mạnh nhất

→

2 2

H+ trong dãy điện hĩa

b/ Trong dãy điện hĩa ta cĩ: Mn xếp trước Cu , Ag ⇒ Mn cĩ tính khử mạnh hơn Vì

thế xảy ra được các phản ứng:

↓+

→

↓+

→

II.5.4.2 Xác định tên kim loại

1 ðặc cơng thức tổng quát hợp chất chứa kim loại là:

(M O x y, RCl n, A SO2( 4)m, B NO( 3)a, X2(CO3)b ) sau đĩ tìm khối lượng nguyên tử của kim loại (M, R, A, B, X,…) rồi suy ra kim loại đĩ.Thường gặp hai trường hợp:

- Trường hợp 1: Biết hĩa trị kim loại cần tìm, dựa vào dữ kiện đề bài tập để lập phương

trình tốn học, tìm khối lượng nguyên tử của kim loại, suy ra tên kim loại đĩ

- Trường hợp 2: Khơng biết hĩa trị kim loại cần tìm, dựa vào dữ kiện đề bài để lập biểu

thức liên hệ giữa nguyên tử khối (M) của kim loại với hĩa trị (n) của kim loại đĩ Sau đĩ, biện luận M theo n (hay ngược lại), tìm cặp nghiệm M, n hợp lí, suy ra tên kim loại