Kinh nghiệm giải nhanh bài tập điện phân dung dịch hỗn hợp, chương trình hoá học 12 cơ bản

SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT LÊ HOÀN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM KINH NGHIỆM GIẢI NHANH BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH HỖN HỢP, CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC 12 CƠ BẢN Người thực hiện: Đ

SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT LÊ HOÀN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

KINH NGHIỆM GIẢI NHANH BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG

DỊCH HỖN HỢP, CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC 12 CƠ BẢN

Người thực hiện: Đỗ Thị Bích

Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Hóa học

THANH HÓA NĂM 2020

MỤC LỤC

Trang

PHẦN I: Mở đầu … …… 2

I.1 Lí do chọn đề tài ……… 2

I.2 Mục đích nghiên cứu……… 2

I.3 Đối tượng nghiên cứu 2

I.4 Phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN II: Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 3

II.1 Cở sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 3

II.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm … 4

II.3 Các giải pháp giải quyết vấn đề… 5

II.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 17

PHẦN III: Kết luận và kiến nghị 19

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I.1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nghị quyết Hội nghị Trung ương 8 khóa XI về đổi mới căn bản, toàn diện

giáo dục và đào tạo nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và

học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo

cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực…” Như vậy, mỗi giáo viên phải không ngừng nghiên cứu, từng bước đổi

mới phương pháp dạy học đề đáp ứng yêu cầu cấp thiết này

Hóa học là một bộ môn khoa học thực nghiệm nên có điều kiện thuận lợi đểđổi mới dạy học và đánh giá theo định hướng phát triển năng lực của học sinh.Một trong những phần kiến thức quan trọng trong chương trình hóa học THPT

đó là điện phân Trong thực tế dạy học, tôi thấy bài toán về điện phân dung dịchhỗn hợp luôn có mặt trong đề thi THPTQG hằng năm Tuy nhiên, kỹ năng giảibài tập điện phân dung dịch hỗn hợp của học sinh còn yếu, sự hứng thú họcphần kiến thức này chưa cao Do đó, để góp phần tạo sự hứng thú và nâng cao kĩnăng giải bài tập điện phân dung dịch hỗn hợp cho học sinh tôi chọn đề tài: “

Kinh nghiệm giải nhanh bài tập điện phân dung dịch hỗn hợp, chương trình hóa học 12 cơ bản ”

Tôi hi vọng đây sẽ là tài liệu bổ ích cho học sinh lớp 12, nhằm nâng cao kỹnăng giải toán điện phân để chuẩn bị cho kì thi THPTQG đạt kết quả tốt

I.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Giới thiệu lí thuyết về điện phân dung dịch và đưa ra cách giải nhanh bài tậpđiện phân dung dịch hỗn hợp, đặc biệt là những bài tập điện phân dung dịch cókèm đồ thị

I.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Bài tập điện phân dung dịch hỗn hợp thuộc chương trình hóa học 12 cơ bản

I.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp xây dựng cơ sở lí thuyết: Phân tích, tổng hợp lý thuyết, bài tậpđiện phân dung dịch từ sách giáo khoa, sách tham khảo, các đề thi

Trang 2

- Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin: Nghiên cứu sảnphẩm hoạt động của học sinh thông qua các câu hỏi, bài kiểm tra.

- Phương pháp thống kê, xử lí số liệu: Sử dụng phương pháp thống kê để xử lí

số liệu và rút kinh nghiệm cho bài sau

PHẦN II: NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

II.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN

II.1.1 Khái niệm

Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi códòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li

II.1.2 Điện phân dung dịch

a) Vai trò của nước

Trong điện phân dung dịch nước giữ một vai trò quan trọng:

- Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực

- Có thể tham gia vào quá trình điện phân:

Tại catot (-) H2O bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–

Tại anot (+) H2O bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

b) Các quy tắc trong điện phân dung dịch

Qui tắc catot:

Tại catot ( cực âm ) xảy ra quá trình khử cation kim loại, H+, H2O theo quy tắc:

- Các ion kim loại nhóm IA, IIA, Al3+ không bị khử

- Các cation kim loại khác và H+ bị khử theo thứ tự: Ion có tính oxi hóa mạnhhơn thì bị khử trước Cuối cùng mói đến H2O bị khử

Qui tắc anot:

Tại anot ( cực dương ) xảy ra quá trình oxi hóa anion gốc axit, OH-, H2O theo quitắc:

- Các anion gốc axit có oxi: NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4-,…không bị oxi hóa

- Các anion còn lại bị oxi hóa theo thứ tự: Ion nào có tính khử mạnh hơn thì bịoxi hóa trước Cuối cùng mới đến H2O bị oxi hóa

Tính khử giảm dần: S2- > I- >Br- > Cl- >RCOO- > OH- > H2O

II.1.3 Định luật Farađây

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch

Công thức biểu diễn định luật Farađây:

A.I.tm

nF



Trong đó:

- m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

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

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

- I: cường độ dòng điện (A)

- t: thời gian điện phân (s)

- F: hằng số Farađây ( F= 96500 C.mol-1)

Biểu thức liên hệ: I.t n F e

Trong đó:

- I: cường độ dòng điện (A)

- t: thời gian điện phân (s)

- F: hằng số Farađây

- ne: số mol e trao đổi giữa 2 cực

II.1.4 Một số cơ sở để giải bài tập điện phân

- Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào

- mdd sau điện phân = mdd trước điện phân – ( mkết tủa + mkhí )

- Độ giảm khối lượng của dung dịch: m = (mkết tủa + mkhí )

- Khi điện phân dung dịch với anot không trơ ( không phải Pt hay than chì ) thì tại anot xảy ra quá trình oxi hóa điện cực

- 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

II.2 THỰC TRẠNG

1 Giáo viên

Trang 4

- Đa số giáo viên giảng dạy phần giải bài tập điện phân dung dịch hỗn hợp theohình thức truyền thụ kiến thức Do đó, học sinh tiếp nhận kiến thức một cách thụđộng, chưa hiểu rõ bản chất của bài toán.

- Với bài toán đồ thị về điện phân, giáo viên chưa làm rõ cho HS hiểu đượcmối quan hệ giữa đồ thị với các phản ứng xảy ra Do đó, các em chỉ ghi nhớ mộtcách máy móc

- HS thường lúng túng trong việc xác định nước đã bị điện phân hay chưa

- Đối với bài toán đồ thị, HS chưa hiểu bản chất mối quan hệ giữa đồ thị với dữkiện bài toán

II.3 GIẢI PHÁP GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

II.3.1 Phương pháp giải nhanh bài toán điện phân dung dịch.

Bước 1: Tính số mol e trao đổi trong quá trình điện phân ( Nếu đề bài cho biết I

và t )

Bước 2: Xác định chính xác thứ tự xảy ra các bán phản ứng ở mỗi điện cực tại

thời điểm đang xét và biểu diễn số mol của các chất trên các bán phản ứng

Bước 3: Áp dụng ĐLBT e và các giả thiết khác của đề bài để lập phương trình,

hệ phương trình Sau đó giải phương trình, hệ phương trình

Bước 4: Tính theo yêu cầu bài toán.

( Với nhiều bài toán điện phân với các thời gian khác nhau thì thao tác ở bước

1, 2, 3 thường lặp đi lặp lại)

II.3.2 Một số dạng bài tập phổ biến thường gặp

Dạng 1: Bài toán về đồ thị

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn m(g) hỗn hợp gồm CuSO4 và NaCl vào nước, thuđược dung dịch X Tiến hành điện phân X với các điện cực trơ, màng ngăn xốp,dòng điện có cường độ không đổi Tổng số mol khí thu được trên cả 2 điện cực(n) phụ thuộc vào thời gian điện phân (t) được mô tả như đồ thì bên (đồ thị gấpkhúc tại các điểm M, N) Giả sử hiệu suất điện phân là 100%, bỏ qua sự bay hơicủa nước Giá trị của m là?

A.2,77 B.7,57

C.5,97 D.9,17

* Những vướng mắc thường gặp đối với HS: Đó là HS lúng túng trong việc xác

định khí nào thu được trên đoạn MN Do đó mà các em không làm được hoặclàm được mà mất nhiều thời gian do phải chia trường hợp để xét

* Phân tích đồ thị:

Trật tự các quá trình có thể xảy ra tại cực catot và cực anot:

Với đồ thị bài toán như trên, ta thấy hệ số góc của đoạn thẳng OM lớn hơn hệ

số góc của đoạn thẳng MN thì trật tự phản ứng điện phân như sau:

M

6a

0,04 5

a

n(mol )

t(giây )

N

O

Cato (-)Cu2+ + 2e Cu

2H2O +2e H2 + 2

Anot (+) 2Cl- Cl2 + 2e 2H2O O2 + 4H+ + 4e

- Đoạn MN: Khí thu được gồm Cl2 và O2 và tại N, Cu2+ bị điện phân hết

- Đoạn từ N trở đi: Khí thu được gồm Cl2, H2 và O2

Thông thường, trong quá trình hướng dẫn HS giải, thầy cô chỉ thông báo rằngtrên đoạn MN khí thu được là Cl2 và O2 mà không khắc sâu cho HS biết cơ sởnào mà có kết luận như vậy Do vậy, HS không hiểu bản chất, chỉ ghi nhớ mộtcách máy móc

* Giải thích: Tại sao hệ số góc của đoạn thẳng OM lớn hơn hệ số góc của

- Đoạn thẳng MN: Dựa vào công thức biểu diễn định luật Farađây

- Tại thời điểm điện phân t=6a (giây): ne= 0,12 mol và có các quá trình xảy ra

Giải hệ 3 phương trình (*, **, ***) ta được: d = 0,05; b = 0,01; c = 0,025

Bước 3: Tính theo yêu cầu bài toán

m = m CuSO 4

(ban đầu) + mNaCl = 0,05.160 + 0,02.58,5 = 9,17(g)  Đáp án D

Ví dụ 2: Hòa tan hoàn toàn m(g) hỗn hợp gồm CuSO4 và NaCl vào nước, thu

được dung dịch X Tiến hành điện phân X với các điện cực trơ, màng ngăn xốp,

dòng điện có cường độ không đổi Tổng số mol khí thu được trên cả 2 điện cực

(n) phụ thuộc vào thời gian điện phân (t) được mô tả như đồ thì bên (đồ thị gấp

khúc tại các điểm M, N) Giả sử hiệu suất điện phân là 100%, bỏ qua sự bay hơi

của nước Giá trị của m là?

* Những vướng mắc thường gặp: Tương tự ví dụ 1, Đó là HS lúng túng trong

việc xác định khí nào thu được trên đoạn MN Do đó mà các em không làm đượchoặc làm được mà mất nhiều thời gian do phải chia trường hợp để xét Tuynhiên, khi đã hiểu sâu sắc ví dụ 1, thì ví dụ 2 HS sẽ làm nhanh chóng và chínhxác

- Đoạn OM khí thu được là Cl2; Tại M, Cu2+ bị điện phân hết

- Đoạn MN: Khí thu được là Cl2 và H2 và tại N, Cl- bị điện phân hết

- Đoạn từ N trở đi: Khí thu được là Cl2, O2 và H2

* Giải thích: Tại sao hệ số góc của đoạn thẳng MN lớn hơn hệ số góc của đoạn thẳng OM?

- Đoạn thẳng OM: Dựa vào công thức biểu diễn định luật Farađây

- Đoạn MN: Dựa vào công thức biểu diễn định luật Farađây

thẳng MN Do đó, khi nhìn vào đồ thị, nếu thấy hệ số góc của OM nhỏ hơn MN

thì ta kết luận được trên đoạn MN khí thu được là Cl2 và H2

* Hướng dẫn giải:

- Tại thời điểm điện phân t= a (giây):

Bước 1: Viết các quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và biểu diễn số mol của các

chất trên các bán phản ứng.

Đặt n CuSO 4

(ban đầu) = x mol

Bước 2: Áp dụng ĐLBT e ta có: 2x = 0,08  x = 0,04

- Tại thời điểm điện phân t = 3,5a (giây):

Bước 1: Tính số mol e trao đổi

Tại a giây có ne = 0,08 mol  Tại 3,5a giây có ne = 0,28 mol

Bước 2: Các quá trình có thể xảy ra theo trật tự và biểu diễn số mol các chất

trên các bán phản ứng

Trang 10

Anot (+)2Cl- Cl2 + 2e0,08 0,04 0,08

Anot (+)2Cl- Cl2 + 2e

d 0,5d d2H2O O2 + 4H+ + 4e

Đặt nNaCl (ban đầu) = d (mol) ; n H 2= b (mol); n O 2= c (mol).

Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn e và kết hợp các giả thiết khác

Ở anot: d + 4c = 0,28 (*)

Ở catot: 0,08 + 2b = 0,28 (**)

Tổng số mol khí: b + c + 0,5d = 0,21 (***)

Giải hệ 3 phương trình (*, **, ***) ta được: d = 0,16; b = 0,1; c = 0,03

Bước 4: Tính theo yêu cầu bài toán

m = m CuSO 4

(ban đầu) + mNaCl (ban đầu) = 0,04.160 + 0,16.58,5 = 15,76(g)  Đáp án D

Dạng 2: Bài toán tính thời gian điện phân

Ví dụ 3: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm NaCl và 0,05 mol CuSO4 với I = 2A( điện cực trơ, có màng ngăn) Sau t (giây) thì ngừng điện phân, thu được khí ở 2cực có tổng thể tích là 2,352 lít (đktc) và dung dịch X Dung dịch X hòa tan tối

đa 2,04 (g) Al2O3 Giả sử hiệu suất điện phân là 100%, bỏ qua sự bay hơi củanước Giá trị của t là

A 9650 B 8685 C.7720 D 9408

* Những vướng mắc của HS: Thông thường, HS lúng túng trong việc xác định

nước đã bị điện phân ở cả 2 cực chưa hay nước chỉ bị điện phân ở một cực?

* Phân tích bài toán: Al2O3 là oxit lưỡng tính Dung dịch X hòa tan được Al2O3chứng tỏ trong dung dịch X có chứa axit hoặc bazơ Do đó, ta cần chia 2 trườnghợp để xét

* Hướng dẫn giải:

Bước 1: Viết các quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và biểu diễn số mol của các

chất trên các bán phản ứng.

Anot (+)2Cl- Cl2 + 2e

b b2H2O O2 + 4H+ + 4e

c 4c 4c

Cato (-)

Cu2+ + 2e  Cu

0,05 0,1

Đặt: n H 2= a (mol);n Cl 2=b mol; n O 2= c (mol).

Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn e, kết hợp với các giả thiết khác của đề bài lập hệ phương trình:

Giải hệ 3 phương trình (1), (2), (3) ta được: a = 0,03; b = 0,07; c = 0,005

Bước 3: Tính theo yêu cầu bài toán

dịch Y ( vẫn còn màu xanh) và 0,04 mol hỗn hợp khí ở anot Biết Y tác dụng tối

đa với 0,06 mol KOH trong dung dịch Mặt khác, nếu điện phân X trong thờigian t giây thì thu được 0,09 mol hỗn hợp khí ở 2 điện cực Giả thiết hiệu suấtđiện phân là 100%, các khí sinh ra không tan trong nước và nước không bay hơitrong quá trình điện phân Giá trị của t là

A 5790 B 8685 C 9650 D 6755

Hướng dẫn giải:

- Tại thời điểm điện phân 4825 giây :

Bước 1: Tính số mol e trao đổi

Các quá trình xảy ra ở các điện cực:

Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn e, kết hợp với các giả thiết khác của đề bài lập hệ phương trình:

Áp dụng ĐLBT e ta có: 2a + 4b = 0,1 (*)

Tổng số mol khí: a + b = 0,04 (**)

Anot (+)2Cl- Cl2 + 2e

a 2a2H2O O2 + 4H+ + 4e

b 4b 4b

Cato (-)

Cu2+ + 2e  Cu

0,05 0,1

Giải hệ 2 phương trình (*,**) ta được: a = 0,03; b = 0,01.

(ban đầu) = 0,01 + 0,05 = 0,06 mol

- Tại thời điểm điện phân t giây:

Bước 1: Viết các quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và biểu diễn số mol của các

chất trên các bán phản ứng.

Đặt n H 2 = x mol; n O 2= y mol

Trật tự các quá trình xảy ra ở mỗi điện cực như sau:

Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn e, kết hợp với các giả thiết khác của đề bài lập hệ phương trình:

Bước 3: Tính theo yêu cầu bài toán

Dạng 3: Một số bài toán điện phân khác

Ví dụ 5: Điện phân dung dịch X gồm Cu(NO3)2 và NaCl với điện cực trơ, màngngăn xốp, cường độ dòng điện không đổi I=2,5A Sau t giây, thu được 7,68 gamkim loại ở catot, dung dịch Y ( vẫn còn màu xanh) và hỗn hợp khí ở anot có tỉkhối so với H2 bằng 25,75 Mặt khác, nếu điện phân X trong thời gian 12352giây thì tổng số mol khí thu được ở 2 điện cực là 0,11 mol Giả thiết hiệu suấtđiện phân là 100%, các khí sinh ra không tan trong nước và nước không bay hơitrong quá trình điện phân Số mol Cu2+ trong Y là

a 2a2H2O O2 + 4H+ + 4e

a 4a

Cato (-)

Cu2+ + 2e  Cu

0,12 0,24 0,12

- Tại thời điểm điện phân 12352 giây:

(ban đầu)= x mol; n H 2= y mol; n O 2= z mol

Trật tự các quá trình xảy ra ở mỗi điện cực như sau:

Áp dụng ĐLBTe ta có: 2x + 2y - 4z = 0,08 (*)

Tổng số mol khí : y + z + 0,04 = 0,11 (**)

Tổng số mol e trao đổi: 0,08 + 4z = 0,32 (***)

Giải hệ 3 phương trình (*,**,***) ta được: x = 0,15; y = 0,01; z = 0,06

Số mol Cu2+ có trong Y là: 0,15 - 0,12 = 0,03 mol  Đáp án C

Ví dụ 6: Tiến hành điện phân dung dịch chứa NaCl 0,4M và Cu(NO3)2 0,5M

bằng điện cực trơ, màng ngăn xốp với I = 5A, t = 8492 giây thì dừng điện phân,

ở anot thoát ra 3,36 lít khí (đktc) Cho m gam bột Fe vào dung dịch sau điện

phân, kết thúc phản ứng thấy khí NO thoát ra (sản phẩm khử duy nhất) và 0,8m

gam rắn không tan Giá trị của m là

Fe tác dụng với dung dịch sau điện phân thu được khí NO  dd sau điện phân

có chứa H+  ở anot H2O đã bị điện phân

ne = 0,44 mol và ở anot 0,15 mol khí thu được gồm Cl2 và O2

Các quá trình xảy ra ở các điện cực:

Áp dụng ĐLBT e ta có : 2a + 4b = 0,44 (*)

Tổng số mol khí ở anot: a + b = 0,15 (**)

Giải hệ 2 phương trình (*,**) ta được a = 0,08 ; b = 0,07

Vì tỉ lệ nồng độ mol/l giữa NaCl và Cu(NO3)2 là 0,4 : 0,5 = 4 : 5

nNaCl = 0,16 mol  n Cu(NO ) 3 2  0,2mol Như vậy, ở catot nước đã bị điện phân

 dd sau điện phân chứa

0,2 0,4

2H2O +2e H2 + 2

0,04 0,04

Anot (+)2Cl-  Cl2 + 2e2a a 2a2H2O  O2 + 4H+ + 4e

NO3-+ 4H+ + 3e  NO + 2H2O 0,24 0,18

Fe  Fe2+ + 2e