conduongcoxua welcome to my blog

Là loại phản ứng OXH – khử xảy ra trên bề mặt điện cực nhờ tác dụng của dòng điện một chiều ngoài đi qua chất điện phân ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch.. Phản ứng OXH khử trong điệ[r]

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAITRƯỜNG THPT NGUYỄN ĐÌNH CHIỂU

Mã số:………

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI VÀ CÁC DẠNG BÀI TẬP LIÊN QUAN TRONG CHƯƠNG TRÌNH

HÓA HỌC KHỐI 12 BAN A

Người thực hiện: PHAN NGỌC HỒNGLĩnh vực nghiên cứu: Phương pháp dạy học bộ môn

Năm học: 2011 – 2012

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

7 Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Đình Chiểu

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Đại học sư phạm

- Chuyên ngành Hóa học

- Năm nhận bằng: 1986

III KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: dạy môn Hóa

- Số năm có kinh nghiệm: 26 năm

DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI VÀ CÁC DẠNG BÀI TẬP LIÊN QUAN TRONG CHƯƠNG TRÌNH

HÓA HỌC KHỐI 12 BAN A

A/ Đặt vấn đề:

Chương trình hóa học 12 ban A khác ban B và chương trình cũ và nặng hơn ởchỗ các tác giả đã mạnh dạn đưa chương điện hóa vào và học sinh được nghiêncứu tương đối kỹ: điện cực chuẩn Hidro, điện cực kim loại, thế điện cực chuẩn củakim loại, pin điện, ý nghĩa của thế điện cực chuẩn, điện phân anot trơ và anot tan…Đây là những lý thuyết khô khan, khó hiểu đối với trình độ học sinh phổ thông và

kể cả với giáo viên Nhưng việc nghiên cứu các vấn đề về điện hóa sẽ giúp cho họcsinh hiểu sâu hơn về chiều hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng oxi hóa-khử.Bên cạnh đó việc áp dụng lý thuyết điện hóa cho phép chúng ta tạo ra các nguồnđiện khác nhau (pin, acquy) các kỹ thuật điện khác (điều chế, tinh chế kim loạibằng các phương pháp mạ điện, đúc điện…) các thiết bị dùng trong khoa học vàthực tiễn hàng ngày (máy đo pH…)

Bên cạnh đó, trong chương trình thi đại học, cao đẳng từ năm học 2007 đếnnay, dạng bài tập liên quan đến kiến thức dãy điện hóa chiếm số lượng tương đốinhiều trong đề thi Vì vậy việc nghiên cứu điện hóa có ý nghĩa rất lớn về lý thuyếtcũng như thực tế nên tôi viết chuyên đề này dành cho học sinh nghiên cứu, học hỏi

để nắm chương điện hóa trong trường phổ thông

1.2 Phản ứng OXH – khử:

1.2.1 Khái niệm: Phản ứng OXH – khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số

OXH của các nguyên tố

1.2.2 Nguyên nhân của sự thay đổi số OXH trong các phản ứng OXH – khử:

là do có sự di chuyển electron từ các phần tử này sang phần tử khác (phần tử ở đâyđược hiểu là nguyên tử, phân tử và ion)

Phần tử cho đi electron được gọi là chất khử hay chất bị OXH

Phần tử nhận thêm electron được gọi là chất OXH hay chất bị khử

Như vậy trong phản ứng OXH – khử luôn luôn xảy ra đồng thời hay quá trình:Quá trình cho electron gọi là quá trình OXH hay sự OXH

Quá trình nhận electron gọi là quá trình khử hay sự khử

1.2.3 Mối quan hệ giữa phản ứng OXH – khử và dòng điện:

 Đối với các phản ứng OXH – khử tự xảy ra khi nó tự xảy ra thì luônluôn kèm theo quá trình biến đổi năng lượng: Hoá năng thành nhiệt năng hoặcthành điện năng tuỳ thuộc vào cách tiến hành phản ứng:

- Nếu thực hiện phản ứng OXH – khử bằng cách cho chất khử tiếp xúc trựctiếp với chất OXH thì hóa năng của phản ứng sẽ chuyển thành nhiệt năng

Ví dụ: nhúng thanh Zn vào dd CuSO4 thì:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu ΔH0298 = -51,82Kcal.

Trong trường hợp này sự OXH và sự khử xảy ra ở cùng một vị trí và electron

sẽ di chuyển trực tiếp từ chất khử sang chất OXH

- Nếu thực hiện phản ứng theo một cách khác: Nhúng thanh Zn vào ddZnSO4, nhúng thanh Cu vào dd CuSO4 Hai dung dịch nối với nhanh bằng một cầunối đựng dd KNO3 bảo hòa để dẫn điện nhưng không cho hai dd trộn lẫn vào nhau.Như vậy trong trường hợp này thanh Zn không tiếp xúc trực tiếp với dd CuSO4,

nhưng nối thanh Zn và thanh Cu lại với nhau qua một dây kim loại thì dây Zn bịOXH thành Zn2+ tan vào dung dịch và Cu2+ bị khử thành Cu bám lên thanh Cu.Trong trường hợp này: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Trong đó: Quá trình OXH xảy ra ở cực Zn: Zn – 2e  Zn2+

Quá trình khử xảy ra ở cực Cu: Cu2+ + 2e  CuĐiều đó chứng tỏ các electron đã di chuyển từ cực Zn sang cực Cu và các ion

Cu2+ trong dung dịch di chuyển về thanh Cu nhận electron từ Zn chuyển sang Cácion Zn2+ tách ra khỏi thanh Zn đi vào dung dịch Trong mạch xuất hiện một dòngđiện Như vậy ở đây hoá năng đã chuyển thành điện năng

Dụng cụ để thực hiện một phản ứng OXH – khử biến hoá năng thành điệnnăng gọi là nguyên tố Ganvanic hay pin điện

 Đối với những phản ứng OXH – khử không tự xảy ra như:

a Căn cứ vào cách tiến hành phản ứng OXH – khử: chia làm 3 loại:

Loại 1: phản ứng OXH – khử thông thường:

Là loại phản ứng OXH – khử được thực hiện bằng cách cho chất khử tiếp xúctrực tiếp với chất OXH

Ví dụ: Cho viên Zn vào dd HCl thì:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 

Đây là loại phản ứng OXH – khử thông thường

Loại 2: phản ứng OXH – khử trong pin điện:

Là loại phản ứng OXH – khử xảy ra trên các điện cực và có phát sinh dòngđiện

Ví dụ:

Pin Zn – Cu: (-) Zn|Zn2+ 1M || Cu2+ 1M|Cu(+)

Ở catot Zn – 2e  Zn2+ x 1

Ở anot Cu2+ + 2e  Cu x 1

Phản ứng xảy ra trong pin: Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Khi nối cực kẽm với cực đồng thì e sẽ di chuyển từ cực Zn sang cực Cu vàcác ion Cu2+ di chuyển về cực Cu nhận e từ Zn chuyển sang, còn Zn2+ tách khỏi bềmặt thanh Zn đi vào dung dịch Kết quả trong mạch xuất hiện một dòng điện mộtchiều Phản ứng xảy ra trong pin điện biến hoá năng thành điện năng

Loại 3: Phản ứng OXH – khử trong điện phân:

Là loại phản ứng OXH – khử xảy ra trên bề mặt điện cực nhờ tác dụng củadòng điện một chiều ngoài đi qua chất điện phân ở trạng thái nóng chảy hoặc dungdịch Phản ứng OXH khử trong điện phân là quá trình biến đổi điện năng thành hoánăng

b Căn cứ vào chất khử và chất OXH thì chia thành 3 loại:

Loại 1: phản ứng OXH – khử giữa các phân tử: Chất khử và chất OXH khôngthuộc cùng một phân tử

Ví dụ: Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu

Loại 2: phản ứng tự OXH – khử: một chất giữ cả vai trò chất OXH và chấtkhử

Ví dụ: 2NO2 + 2KOH = KNO3 + KNO2 + H2O

Loại 3: phản ứng OXH – khử nội phân tử: chất khử và chất OXH nằm cùngtrong một phân tử

Ví dụ:

0 +2 -2 t 0 0

2

2 Hg O = 2 Hg + O

1.2.5 Cân bằng phản ứng OXH – khử theo phương pháp ion – electron: tiến

hành theo các bước sau đây:

Bước 1: Xác định số OXH của các nguyên tố từ đó xác định chất khử, chất

OXH và sản phẩm của các quá trình OXH – khử

Bước 2: Viết các quá trình cho và nhận electron (các bán phản ứng) theo đúng

trạng thái tồn tại của các chất (nguyên tử, phân tử và ion)

Bước 3: Cân bằng số electron trao đổi theo nguyên tắc: “Tổng số electron mà

các chất khử cho = tổng số electron mà các chất OXH nhận” bằng cách nhân hệ số

Bước 4: Cộng các bán phản ứng theo từng vế và so sánh điện tích của phương

trình thu được sau khi cộng

Bước 5: Cân bằng điện tích ở hai vế của phương trình thu được sau khi cộng

theo nguyên tắc sau:

 Đối với các phản ứng đã biết môi trường:

- Nếu phản ứng có axit làm môi trường thì vế trái thêm H+ và vế phải tạothành nước

- Nếu phản ứng có kiềm tham gia thì vế trái thêm OH- và vế phải tạo thànhnước

- Nếu phản ứng có nước tham gia thì vế trái thêm H2O và vế phải tạo thành H+

nếu điện tích vế trái lớn hơn vế phải; vế phải tạo thành OH- nếu điện tích vế tráinhỏ hơn điện tích vế phải

 Đối với phản ứng chưa biết môi trường: Biện luận để xác định môitrường:

- Nếu điện tích vế trái nhỏ hơn điện tích vế phải thì phản ứng chỉ có thể thựchiện trong môi trường H+ hoặc trung tính (có H2O tham gia)

- Nếu điện tích vế trái lớn hơn điện tích vế phải thì phản ứng chỉ có thể thựchiện trong môi trường OH- hoặc trung tính (có H2O tham gia)

- Căn cứ vào trạng thái tồn tại của các sản phẩm để cơ sở thêm cho quá trìnhbiện luận tìm môi trường

Áp dụng cân bằng các phản ứng OXH – khử sau bằng phương pháp ion – electron.

Bài tập 1:

Na2SO3 + KMnO4 + H2SO4  Na2SO4 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

SO32- – 2e  SO42- x 5 MnO4- + 5e  Mn2+ x 25SO32- + 2MnO4-  5SO42- + 2Mn2+

Điện tích vế trái: -8

Điện tích vế phải: -6

Để cân bằng điện tích cần thêm: 1H2O  2OH

-Phương trình phản ứng dạng ion:

3SO32 +2 MnO4- + H2O  3SO42- + 2MnO2 + 2OH

- Phản ứng đã cho không thể có nước tham gia vì khi đó vế phải tạo thành

OH- và Fe3+ + 3OH-  Fe(OH)3  làm cho trong dung dịch không tồn tại Fe3+ tráivới đề ra

- Phản ứng có H+ tham gia khi đó vế phải tạo thành H2O Vậy để cân bằngphản ứng cần thêm vào vế trái 6H+ và vế phải tạo 3H2O

Phương trình phản ứng dạng ion:

Fe + 3NO3- + 6H+ = Fe3+ + 3NO2  + 3H2O

Phương trình phản ứng dạng phân tử:

Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2  + 3H2O

Hoặc: 2Fe + 6NaNO3 + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3NO2  + 3H2O + 3Na2SO4

1.2.6 Thế điện cực – thế điện cực chuẩn và chiều hướng của phản ứng OXH – khử:

a Thế điện cực của một điện cực: là đại lượng có trị số bằng sức điện động của

pin gồm điện cực đó và điện cực hidro chuẩn còn dấu là dấu của điện cực đó trongpin

Nếu thế điện cực đo ở điều kiện P = 1atm; và nồng độ đều bằng 1M thì thếđiện cực đó gọi là thế điện cực chuẩn ký hiệu là Eo

b Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn:

 Dựa và thế điện cực chuẩn chúng ta xác định được dễ dàng suất điệnđộng chuẩn của một pin điện gồm 2 điện cực bất kỳ: Eo

Ví dụ: Eo

Ag+/Ag = +0,8V > Eo

Fe3+/Fe2+ = +0,77V nên ở điều kiện chuẩn nồng độcủa các ion Ag+, Fe3+ và Fe2+ đều bằng 1mol/l thì:

Tính OXH của Ag+ mạnh hơn Fe3+

Tính khử của Ag yếu hơn Fe2+

 Dựa vào Eo chúng ta xác định được chiều của phản ứng OXH – khử ởđiều kiện chuẩn: “Phản ứng OXH – khử xảy ra theo chiều phản ứng có Eo > 0 haynói cách khác phản ứng OXH – khử xảy ra theo chiều chất OXH mạnh hơn tácdụng với chất khử mạnh hơn để tạo thành chất khử yếu hơn và chất OXH yếuhơn”

=> phản ứng xảy ra từ trái sang phải

1.2.7 Hằng số cân bằng của phản ứng OXH – khử:

Đối với một số phản ứng OXH – khử chúng ta không những muốn biết chiềuhướng của phản ứng mà chúng ta còn muốn biết mức độ hoàn toàn của phản ứng.

Ví dụ trong phân tích định lượng người ta chỉ có thể dựa vào những phản ứng xảy

ra hoàn toàn

Để đánh giá mức độ xảy ra của phản ứng thì người ta dựa vào hằng số cânbằng ký hiệu là K

Đối với mọi phản ứng chúng ta luôn có: Go = -2,303.RT.1gK (1)

Đối với phản ứng OXH – khử ta có: Go = -n.Eo.F (2)

=> Hàm lượng của Pb2+ = 31%

Như vậy phản ứng Sn + Pb2+  Pb + Sn2+ xảy ra thuận nghịch

Phần II MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN HÓA VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

CÁC DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN HÓA Ở LỚP 12 BAN A

2.1 Dạng 1: Xác định chiều hướng của phản ứng

2.1.1 Phương pháp giải:

Phương pháp 1: Phương pháp lập sơ đồ phản ứng theo nguyên tắcα

Bước 1: Sắp xếp các cặp OXH – khử theo chiều tăng dần tính OXH của dạng

OXH và giảm dần tính khử của dạng khử

Bước 2: Dựa vào phản ứng đã cho (xét theo chiều thuận) và kết quả sắp xếp ở

bước 1 nếu được sơ đồ

sp

tg

thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận; nếu được

sơ đồ kiểu sau đây

sp tg

thì phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

Áp dụng: Hãy cho biết các phản ứng sau xảy ra theo chiều nào (xét ở đkc)

Phương pháp lập sơ đồ phản ứng theo quy tắcαcó ưu điểm dễ nhớ, dễ áp

dụng, thích hợp cho các đối tượng học sinh trung bình yếu nhưng phạm vi áp dụngthì hạn chế vì thực tế học sinh chỉ sắp xếp được tính OXH và tính khử của các cặpOXH – khử của kim loại mà thôi

Phương pháp 2: Phương pháp thế điện cực chuẩn:

Bước 1: Viết phương trình cho và nhận e (các bán phản ứng) kèm theo thế

OXH chuẩn và thế khử chuẩn tương ứng với mỗi quá trình

Bước 2: Tổ hợp 2 quá trình được phương trình phản ứng dạng ion và tính sức

điện động chuẩn của phản ứng

Bước 3: Kết luận chiều hướng của phản ứng dựa vào dấu của sức điện động:

- Nếu Eo

pứ > 0 => phản ứng xảy ra theo chiều thuận

- Nếu Eo

pứ < 0 => phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

Áp dụng: Hãy cho biết các phản ứng sau xảy ra theo chiều nào (xét ở đktc)

2 = +0,85V 2Ag + Hg2+  2Ag+ + Hg Eo

2 = +0,79V

=> phản ứng xảy ra theo chiều nghịch.

2.1.2 Bài tập về chiều hướng của phản ứng OXH – khử:

a Tính thế khử của cặp H2O2/H2O

b Chứng minh rằng H2O2 tự phân hủy theo phản ứng sau: 2H2O2 = 2H2O + O2

Câu 3: Cho thế OXH của cặp Cu/Cu2+ là -0,34V và thế OXH của cặp Zn/Zn2+ là+0,76V

a Hãy cho biết phản ứng sau xảy ra theo chiều nào? Tại sao? (xét ở đkc)

Cu + Zn2+  Cu2+ + Zn (1)

b Tìm điều kiện để phản ứng (1) xảy ra theo chiều thuận ở 25oC Từ đó hãycho biết thực tế có thể đáp ứng được điều kiện đó hay không và rút ra kết luận cầnthiết

a Hãy cho biết tính khử của Fe2+ biến đổi như thế nào khi pH của dung dịchtăng.

b Xác định pH của dung dịch để 2Fe2+ + Cu2+  2Fe3+ + Cu xảy ra theochiều thuận Cho biết TFe(OH) 2 = 10-14 và

b Tìm điều kiện để phản ứng xảy ra theo chiều nghịch ở 25oC Biết

Nếu nồng độ của chúng trong dung dịch đều bằng 1M Biết - 2+

4

o MnO /Mn

E

= +1,51V và4+ 2+

E

= +0,53V; - 2

o 2Br /Br

E

= +1,08V;

-2

o 2Cl /Cl E

= +1,36V;

-2

o 2F /F

Câu 8: Ta có thể điều chế KMnO4 bằng cách OXH MnO4 với F2 được không? Ta

có thể dùng Cl2, Br2, I2 thay cho F2 được không?

2.2 Dạng 2: Xác định mức độ hoàn toàn của phản ứng OXH – khử

2.2.1 Phương pháp giải: Tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Viết các phản ứng Kèm theo thế khử và thế OXH tương ứng ở điều

kiện chuẩn

Bước 2: Tổ hợp các bán phản ứng dạng ion và tính Eo của phản ứng

Bước 3: Tính nồng độ hay áp suất riêng phần (nếu là chất khí) của các chất

Áp dụng: Cho phản ứng thuận nghịch: Zn + Cu(NO3)2  Zn(NO3)2 + Cu (1)

a Hãy tính Eo của phản ứng từ đó xác định chiều của phản ứng

b Hãy cho biết phản ứng (1) xảy ra hoàn toàn hay thuận nghịch ở 25oC Tạisao?

c Một hỗn hợp X gồm Zn và Au Để xác định hàm lượng Zn người ta dùngdung dịch Cu(NO3)2

2+

2+

[Zn ] [Cu ]= 1038

=> hàm lượng của Zn2+ trong dung dịch lúc cân bằng là: (so với tổng Zn2+ và Cu2+)

% của Zn2+ =

38

38

10 100% 100%

% của Cu2+ = 38

1 100% 0%

2.2.2 Bài tập về đánh giá mức độ hoàn toàn của phản ứng OXH – khử:

Câu 1: Cho phản ứng:

5FeCl2 + KMnO4 + 4H2SO4  Fe2(SO4)3 + 3FeCl3 + MnSO4 + KCl + 4H2O

a Tính Eo và K của phản ứng ở 25oC

b Từ Eo hãy xác định chiều xảy ra của phản ứng đó

c Từ K hãy xác định mức độ hoàn toàn của phản ứng là bao nhiêu %

d Phản ứng trên có ứng dụng gì trong hóa học phân tích

Câu 2: Cho các phản ứng sau: (giả sử như là thuận nghịch)

a 2Al + 3Cu(NO3)2  2Al(NO3)3 + 3Cu

25oC, áp suất 1atm cho đến khi Te+ bị OXH thành Te3+ Tính Te+ còn lại chưa bịOXH là bao nhiêu % về số mol

Biết: O2 + 4H+ = 2H2O Eo = 1,23V

Te3+ +2e = Te+ Eo = 1,25V

Câu 4: Thế OXH của Fe2+/Fe3+ là -0,76V và thế OXH của Ag+/Ag là -0,8V Trộn

dd Fe(NO3)2 0,1M với dd AgNO3 0,1M với thể tích mỗi dd đem trộn đều là 100ml.Tính nồng độ mol/l của mỗi ion trong dd sau khi phản ứng kết thúc Biết thể tíchdung dịch không thay đổi khi đem trộn

2.3 Dạng 3: Các dạng bài tập trắc nghiệm trong đề thi đại học, cao đẳng vận dụng kiến thức về dãy điện hóa của kim loại

a Bài tập về dãy điện hóa của kim loại :

Câu 1: Để khử ion Fe3+ trong dd thành ion Fe2+ có thể dùng một lượng dư:

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)

Câu 2: Để khử ion Cu2+ trong dung dịch CuSO4 có thể dùng kim loại

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)

Câu 3: Cho kim loại M tác dụng với Cl2 được muối X; cho kim loại M tác dụng

với dung dịch HCl được muối Y Nếu cho kim loại M tác dụng với dung dịchmuối X ta cũng được muối Y Kim loại M có thể là

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)

Câu 4: Thứ tự một số cặp oxi hoá - khử trong dãy điện hoá như sau: Fe2+/Fe;

Cu2+/Cu; Fe3+/Fe2+ Cặp chất không phản ứng với nhau là:

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)

Câu 5: Cho các ion kim loại: Zn2+, Sn2+, Ni2+, Fe2+, Pb2+ Thứ tự tính oxi hoá

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2007)

Câu 6: Cho phản ứng hóa học: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Trong phản ứng

trên xảy ra

(Đề thi tuyển sinh cao đẳng năm 2008)

Câu 7: Cho hỗn hợp bột Al, Fe vào dung dịch chứa Cu(NO3)2 và AgNO3 Sau

khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp rắn gồm ba kim loại là: