DẠY học CHUYÊN đề KIM LOẠI THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO dục STEM HƯỚNG dẫn học SINH CHẾ tạo bộ DỤNG cụ điện PHÂN từ các vật LIỆU tái CHẾ GIẢI QUYẾT một số TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆMDẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ KIM LOẠI THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM- HƯỚNG DẪN HỌC SINH CHẾ TẠO BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN TỪ CÁC VẬT LIỆU TÁI CHẾ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ TÌNH HUỐNG THỰC T

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ KIM LOẠI THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM- HƯỚNG DẪN HỌC SINH CHẾ TẠO BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN TỪ CÁC VẬT LIỆU TÁI CHẾ GIẢI

QUYẾT MỘT SỐ TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN

Người thực hiện: Trịnh Thị Hạnh Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Hóa học

I LÝ DO CHỌN ĐỀ

TÀI……….1

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU……….2

III.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU……… 3

IV.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……….4

B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM………5

I CƠ SỞ LÝ LUẬN……… 5

II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ……… 5

III TỔ CHỨC THỰC HIỆN……….6

III.1 KIẾN THỨC LIÊN QUAN VÀ MỤC TIÊU……… 6

III.2 PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC……… 7

III.3 NỘI DUNG KIẾN THỨC………7

III.4 HƯỚNG DẪN HỌC SINH CHẾ TẠO BÌNH ĐIỆN PHÂN…… 15

III.5 SỬ DỤNG BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN……… 19

IV HIỆU QUẢ SÁNG KIẾN ……….23

V KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT………24

A MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thế giới đang bước vào cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư và Việt

Nam không thể đứng ngoài Nguồn lao động giản đơn của Việt Nam đang bị đe

dọa, đòi hỏi nguồn lao động trẻ, có tri thức, có năng lực thực tiễn sáng tạo Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đặt ra thách thức ngành giáo dục phải thay đổi cách dạy học cho phù hợp Nếu nhà giáo chỉ cung cấp, truyền dạy thông tin tri thức của các bộ môn khoa học thì ngày nay, người máy và các thông minh sẽ làm tốt hơn các nhà giáo Công việc dạy học của các nhà giáo ngày nay khác trước nhiều Mọi kiến thức, hiểu biết của học sinh không chỉ được hình thành qua sách

vở, qua internet mà phải được bổ sung qua các hoạt động trải nghiệm, biết học hỏi lẫn nhau, biết vận dụng kiến thức đã học vào cuộc sống Thông qua giờ dạy trên lớp và hoạt động giáo dục trong và ngoài nhà trường, nhà giáo giúp học sinhbiết tự học một cách sáng tạo

Giáo dục thế kỉ XXI dựa trên cơ sở xây dựng xã hội học tập với 4 trụ cột :

- Học để biết (cốt lõi là hiểu)

- Học để làm (trên cơ sở hiểu)

- Học để cùng sống với nhau (trên cơ sở hiểu nhau)

- Học để làm người (trên cơ sở hiểu bản thân)

Như vậy dạy học là dạy cả tri thức, kĩ năng và thái độ để khi ra đời có thể học tập suốt đời, có thể thích nghi và tham gia một cách chủ động, sáng tạo vào thế giới phong phú, luôn biến đổi và phụ thuộc lẫn nhau Hơn nữa chiến lược phát triển về giáo dục đào tạo trong thời kì công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước đã được ghi rõ trong báo cáo chính trị Đại hội đại biểu Toàn quốc lần thứ

XI của Đảng nêu rõ: “Đổi mới căn bản, toàn diện nền giáo dục theo hướng chuẩnhóa, hiện đại hóa, xã hội hóa; đổi mới chương trình, nội dung, phương pháp dạy học; đổi mới cơ chế quản lý giáo dục, phát triển đội ngũ giáo viên và cán bộ quản lý giáo dục, đào tạo Tập trung nâng cao chất lượng giáo dục, đào tạo, coi trọng giáo dục đạo đức, lối sống, năng lực sáng tạo, kỹ năng thực hành”

Luật Giáo dục, điều 24 / 2 / 2005 đã ghi: "Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của học sinh; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho học sinh" Có thể nói cốt lõi của đổi mới dạy

và học là hướng tới hoạt động học tập chủ động, chống lại thói quen học tập thụ động

Phương pháp dạy học theo quan điểm phát triển năng lực không chỉ chú ý tích cực hóa học sinh về hoạt động trí tuệ mà còn chú ý rèn luyện năng lực giải

quyết vấn đề gắn với những tình huống của cuộc sống và nghề nghiệp, đồng thời gắn hoạt động trí tuệ với hoạt động thực hành, thực tiễn Tăng cường việc học tập trong nhóm, đổi mới quan hệ giữa giáo viên và học sinh theo hướng cộng tác

có ý nghĩa quan trọng nhằm phát triển năng lực xã hội Để hiện thực hóa định hướng đổi mới này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều biện pháp đổi mới khácnhau: từ việc cải tiến các phương pháp dạy học truyền thống như thuyết trình, đàm thoại… đến các phương pháp mới như phương pháp dạy học nêu và giải quyết vấn đề, phương pháp dự án, phương pháp đàm thoại gợi mở, phương pháp dạy học nhóm, và các kỹ thuật dạy học hiện đại… nhằm phát huy tính tích cực, năng động, sáng tạo của người học, hình thành những năng lực chung và năng lực đặc thù môn Hóa học cho người học Dạy cho người học cách học, cách suy nghĩ, cách giải quyết các vấn đề một cách thông minh, độc lập và sáng tạo Do

đó, đổi mới cách dạy và cách học là một tất yếu Người thầy trong thời đại mới chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ học trò khám phá, chiếm lĩnh tri thức

trong niềm vui và sự hứng thú của cả hai

“Dạy học chuyên đề điều chế kim loại theo định hướng giáo dục

STEM – hướng dẫn học sinh chế tạo bộ dụng cụ điện phân từ các vật liệu tái

các yêu cầu cấp thiết của giáo dục hiện nay, mang lại hiệu quả học tập cao, phát huy được các năng lực của học sinh Phương pháp giáo dục STEM giúp người học được phát triển năng lực tư duy, năng lực sáng tạo Đặc biệt giúp học sinh biết vận dụng lí thuyết với thực hành, tư duy với hành động, nhà trường và xã hội để giải quyết những vấn đề trong đời sống

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tại sao giáo dục STEM lại quan trọng?

Một thống kê ở Mỹ cho thấy từ năm 2004 đến năm 2014, việc làm liênquan đến khoa học và kỹ thuật tăng 26%, gấp hai lần so với tốc độ tăng trưởngtrung bình của các ngành nghề khác Trong khi đó, việc làm STEM có tốc độtăng trưởng gấp 4 lần so với tốc độ tăng trưởng trung bình của các ngành khácnếu tính từ năm 1950 đến 2007

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì nhu cầu việc làm liên quan đếnSTEM ngày càng lớn, đòi hỏi ngành giáo dục cũng phải có những thay đổi đểđáp ứng nhu cầu của xã hội Giáo dục STEM có thể tạo ra những con người đápứng được nhu cầu công việc của thế kỷ mới, có tác động lớn đến sự thay đổi nênkinh tế đổi mới

Chỉ thị 16/CT-TTg (04/5/2017) của thủ tướng chính phủ đã làm rõ: “Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm

tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tọa khoa học, công nghệ kĩ thuật và toánhọc (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông…

Chúng ta cần phải khai thác những điểm mạnh của Giáo dục STEM trong dạy học ở nhà trường phổ thông, trong đó có tính đến hoàn cảnh thực tế của đất nước về trình độ và năng lực của đội ngũ cán bộ quản lý giáo dục; năng lực, điềukiện sống và làm việc của giáo viên; cơ sở vật chất của các nhà trường; điều kiệnkinh tế-xã hội của các địa phương,

Những điểm mạnh của giáo dục STEM có thể kể đến:

Thứ nhất: Giáo dục STEM là phương thức giáo dục tích hợp theo cách

tiếp cận liên môn (interdisciplinary) và thông qua thực hành, ứng dụng Thay vì dạy bốn môn học như các đối tượng tách biệt và rời rạc, STEM kết hợp chúng thành một mô hình học tập gắn kết dựa trên các ứng dụng thực tế Qua đó, học sinh vừa học được kiến thức khoa học, vừa học được cách vận dụng kiến thức đóvào thực tiễn

Giáo dục STEM sẽ phá đi khoảng cách giữa hàn lâm và thực tiễn, tạo ra những con người có năng lực làm việc “tức thì” trong môi trường làm việc có tính sáng tạo cao với những công việc đòi hỏi trí óc của thế kỷ 21

Điều này phù hợp với cách tiếp cận tích hợp trong Chương trình GDPT mới Vì thế, tư tưởng này của giáo dục STEM cần được khai thác và đưa vào mạnh mẽ trong Chương trình GDPT mới

Thứ hai: Giáo dục STEM đề cao đến việc hình thành và phát triển năng

lực giải quyết vấn đề cho người học Trong mỗi bài học theo chủ đề STEM, học sinh được đặt trước một tình huống có vấn đề thực tiễn cần giải quyết liên quan đến các kiến thức khoa học

Để giải quyết vấn đề đó, học sinh phải tìm tòi, nghiên cứu những kiến thức thuộccác môn học có liên quan đến vấn đề (qua sách giáo khoa, học liệu, thí nghiệm, công nghệ) và sử dụng chúng để giải quyết vấn đề đặt ra

Các kiến thức và kỹ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau giúp học sinh không chỉ hiểu biết về nguyên lý mà còn có thể thực hành và tạo rađược những sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày Tư tưởng này của giáo dục STEM cũng cần được khai thác và đưa vào mạnh mẽ trong Chương trình GDPT mới

Thứ ba: Giáo dục STEM đề cao một phong cách học tập mới cho người

học, đó là phong cách học tập sáng tạo Đặt người học vào vai trò của một nhà phát minh, người học sẽ phải hiểu thực chất của các kiến thức được trang bị; phải biết cách mở rộng kiến thức; phải biết cách sửa chữa, chế biến lại chúng chophù hợp với tình huống có vấn đề mà người học đang phải giải quyết

Sự thẩm thấu kiến thức theo cách như vậy chính là một trong những định hướng

mà giáo dục cần tiếp cận Tuy vậy, có thể thấy phương thức dạy học như trên là không hề dễ dàng ngay cả đối với thế giới chứ không chỉ riêng trong điều kiện hiện nay của chúng ta

Chính vì vậy tôi đã tìm tòi và áp dụng giáo dục STEM vào dạy học hóa

học trong chuyên đề “Điều chế kim loại” – hướng dẫn học sinh chế tạo bộ dụng

cụ điện phân từ các vật liệu tái chế giải quyết một số tình huống thực tiễn với mong muốn tìm ra phương pháp, phương tiện, hình thức tổ chức dạy học, phù hợp, hiệu quả cao hơn để phát huy tối đa năng lực của học sinh nhằm nâng cao hứng thú học tập môn hóa, nâng cao năng lực thực hành của học sinh với mục đích nâng cao chất lượng dạy học, định hướng tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới như chỉ thị 16/CT-TTg

(04/5/2017) của thủ tướng chính phủ

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

STEM là một chương trình giảng dạy dựa trên ý tưởng trang bị cho người học những kiến thức, kĩ năng liên quan đến (các lĩnh vực) khoa học, công nghệ,

kỹ thuật và toán học - theo cách tiếp cận liên môn (interdisciplinary) và người học có thể áp dụng để giải quyết vấn đề trong cuộc sống hàng ngày

Có thể nhìn các thành tố trong Giáo dục STEM dưới góc nhìn phát triển năng lực của người học Chẳng hạn, yếu tố “Kỹ thuật” trong Giáo dục STEM tạo

ra năng lực kỹ thuật của người học thể hiện qua khả năng giải quyết vấn đề nảy sinh trong thực tiễn đời sống bằng cách thiết kế các đối tượng, hệ thống và xây dựng các quy trình sản xuất để tạo ra chúng

Hiểu một cách đơn giản là học sinh được trang bị kỹ năng lực kỹ thuật thì

sẽ có khả năng sản xuất ra đối tượng và hiểu được quy trình để làm ra nó Học sinh phải có khả năng phân tích, tổng hợp, kết hợp để biết cách làm thế nào cân bằng các yếu tố liên quan (như khoa học, nghệ thuật, công nghệ, kỹ thuật) nhằm

có được một giải pháp tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình Ngoài ra họcsinh còn có khả năng nhận ra nhu cầu và phản ứng của xã hội trong những vấn

đề liên quan đến kỹ thuật

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Một trong những phương pháp dạy và học mang lại hiệu quả cao nhất chogiáo dục STEM là phương pháp “Học qua hành” giúp học sinh có được kiếnthức từ kinh nghiệm thực hành chứ không phải chỉ từ lý thuyết Bằng cách xâydựng các bài giảng theo chủ đề và dựa trên thực hành, học sinh sẽ được hiểu sâu

về lý thuyết, nguyên lý thông qua các hoạt động thực tế Chính các hoạt độngthực tế này sẽ giúp học sinh nhớ kiến thức lâu hơn, sâu hơn Học sinh sẽ được

làm việc theo nhóm, tự thảo luận tìm tòi kiến thức, tự vận dụng kiến thức vàocác hoạt động thực hành rồi sau đó có thể truyền đạt lại kiến thức cho ngườikhác Với cách học này, giáo viên không còn là người truyền đạt kiến thức nữa

mà sẽ là người hướng dẫn để học sinh tự xây dựng kiến thức cho chính mình

B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

I CƠ SỞ LÝ LUẬN

STEM là môn học mà học sinh được học các kiến thức về khoa học, côngnghệ, kỹ thuật và toán học một cách tích hợp Thông thường, các môn họcSTEM được thiết kế ở dạng chủ đề và học sinh được học kiến thức tích hợp dựatrên các chủ đề này Ví dụ, khi học một chủ đề về hệ mặt trời, học sinh không chỉđơn thuần học về khoa học để nghiên cứu xem hệ mặt trời gồm những thànhphần nào hay đặc điểm của chúng ra sao mà còn được học những ý tưởng pháthiện ra kính thiên văn (tức là tìm hiểu Công nghệ), học về giá đỡ cho kính thiênvăn (liên quan đến môn Kỹ thuật), hay học cách tính tỷ lệ khoảng cách giữa cácngôi sao hay bán kính của các ngôi sao (chính là môn Toán học) Môn họcRobotics chính là môn học điển hình cho giáo dục STEM

II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ

Trước khi có sáng kiến, giáo viên đã vận dụng một số phương pháp dạy học tích cực, đổi mới hình thức tổ chức dạy học tuy nhiên hiệu quả mang lại chưa cao Cần thiết phải lựa chọn phương pháp, phương tiện, hình thức tổ chức dạy học, phù hợp, hiệu quả cao hơn để phát huy tối đa năng lực của học sinh

- Phương pháp dạy học: Giáo viên sử dụng các phương pháp dạy học

truyền thống, đồng thời kết hợp một số phương pháp, kĩ thuật dạy học tích cực nhưng việc vận dụng chưa mang lại hiệu quả cao Khi dạy Bài 21 SGK Hoá học

lớp 12 “Điều chế kim loại” phần kiến thức “phương pháp điện phân’’ giáo

viên đã vận dụng một số phương pháp dạy học tích cực: dạy học theo nhóm nhỏ,

sử dụng kĩ thuật mảnh ghép, phương pháp đàm thoại gợi mở, kĩ thuật phòng tranh… Các phương pháp này, bước đầu đã tạo hứng thú cho học sinh và phát triển một số năng lực của học sinh Tuy nhiên còn nhiều năng lực của học sinh chưa được kích thích phát triển Đặc biệt, trong các giờ học, giáo viên vẫn đóng vai trò là người truyền thụ kiến thức, là trung tâm của quá trình dạy học; học sinhchủ yếu lắng nghe, tiếp thu các kiến thức một cách thụ động được quy định sẵn,

ít được thể hiện các năng lực của bản thân Vì vậy, cần thiết phải lựa chọn nhữngphương pháp hiệu quả hơn để phát huy đầy đủ năng lực của học sinh

- Phương tiện dạy học: Trong quá trình dạy học, giáo viên đã biết khai

thác tốt kênh hình và kênh chữ sách giáo khoa kết hợp với các thí nghiệm minh hoạ Đồng thời sử dụng các phương tiện công nghệ thông tin, chủ yếu là

Powerpoint, sử dụng các video minh họa… để tăng tính trực quan, kích thích tư duy học sinh Tuy nhiên, học sinh mới chỉ dừng lại ở quan sát và tư duy Việc dạy học sẽ hiệu quả hơn nếu học sinh được trực tiếp chế tạo ra các dụng cụ phục

vụ cho việc nghiên cứu bài học

- Thái độ học tập của học sinh: Còn nhiều học sinh chưa hứng thú trong

các giờ học, biểu hiện: có nhiều học sinh chỉ lắng nghe các kiến thức, ghi chép thụ động, không có sự hào hứng, không thắc mắc, đặt câu hỏi cả đối với những nội dung chưa hiểu rõ; học sinh chưa tích cực tham gia xây dựng bài học trên lớp… Về nhà, không tìm hiểu kiến thức liên quan, làm bài tập theo kiểu đối phó

- Kiến thức đạt được: Học sinh chỉ nắm được kiến thức lí thuyết, nội dung

mở rộng, vận dụng, mang tính cập nhật, thời sự;… nhiều học sinh chưa nắm được Học sinh, chủ yếu được rèn luyện kĩ năng: nghe, quan sát, đọc chọn lọc ý

từ sách giáo khoa, vận dụng kiến thức viết phương trình hoá học, tính toán theo phương trình… Học sinh chưa khám phá hết năng lực của bản thân, chưa chủ động trong việc học tập, khả năng sáng tạo và vận dụng kiến thức để giải quyết tình huống thực tiễn cuộc sống còn hạn chế

III TỔ CHỨC THỰC HIỆN

III.1 Kiến thức liên quan và mục tiêu chuyên đề

a Kiến thức liên quan

Tính chất của kim loại, phản ứng oxi hóa – khử, hợp chất của cacbon…

- Lựa chọn được phương pháp điều chế kim loại cụ thể cho phù hợp

- Học sinh hình thành kĩ năng quan sát thí nghiệm, hình ảnh, sơ đồ để rút ra

nhận xét về phương pháp điều chế kim loại

- Viết các phương trình hóa học điều chế kim loại cụ thể

- Vận dụng kiến thức liên môn (toán học, hóa học, vật lí) để tính được khối lượng nguyên liệu sản xuất được một lượng kim loại cho trước

- Vận dụng kiến thức có được từ bài học lựa chọn vật liệu, dụng cụ chế tạo được

bộ dụng cụ điện phân

* Thái độ

- Có niềm tin vào khoa học, ham học hỏi, hứng thú tìm hiểu và giải thích

các hiện tượng vật lý, hoá học trong đời sống.

- Tạo điều kiện cho học sinh tìm hiểu và chế tạo các dụng cụ bộ môn qua

đó giúp học sinh hứng thú với môn hóa học

- Tăng thêm tình yêu quê hương đất nước, nâng cao trách nhiệm với cộng đồng, ý thức giữ gìn và bảo vệ môi trường sống

- Năng lực vận dụng kiến thức hóa học vào cuộc sống

- Năng lực giải quyết vấn đề thông qua môn hóa học

* Trọng tâm

Các phương pháp điều chế kim loại – hướng dẫn học sinh tự tạo bộ dụng cụ điện phân bằng các vật liệu tái chế ứng dụng bộ dụng cụ điện phân vào thực tế

III.2 Phương pháp dạy học

Phương pháp đàm thoại gợi mở, nêu tình huống có vấn đề, phương pháp giáo dục STEM

III.3 Nội dung kiến thức

I Nguyên tắc

Trong tự nhiên, chỉ có một số ít kim loại như vàng, platin,… tồn tại ở dạng tự do,hầu hết các kim loại còn lại đều tồn tại ở dạng hợp chất Trong hợp chất kim loạitồn tại dưới dạng ion dương Mn+

Vậy: Nguyên tắc điều chế kim loại là khử ion kim loại thành nguyên tử

1 Phương pháp nhiệt luyện

Những kim loại có độ hoạt động trung bình như Zn, Fe, Sn, Pb,… thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện

Cơ sở của phương pháp là khử những ion kim loại có trong các hợp chất ở nhiệt

độ cao bằng các chất khử mạnh như C, CO, H2 hoặc kim loại Al, kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ

Phương pháp này được dùng để sản xuất kim loại trong công nghiệp Chất khử hay được sử dụng trong công nghiệp là cacbon

Thí dụ:

Fe2O3 + 3CO t0

  2Fe + CO2Trường hợp quặng là sunfua kim loại, như Cu2S, ZnS, FeS2,… thì phải chuyển sunfua kim loại thành oxit kim loại Sau đó khử oxit kim loại bằng chất khử thích hợp Thí dụ với ZnS:

Nung quặng với khí oxi dư

2ZnS + 3O2

0

t

  2ZnO + 2SO2Khử ZnO bằng C ở nhiệt độ cao

ZnO + C t0

  Zn + COĐối với những kim loại khó nóng chảy như Cr, người ta dùng Al làm chất khử (phương pháp nhiệt nhôm):

2Al + Cr2O3

0

t

  2Cr + Al2O3Với những kim loại kém hoạt động như Hg, Ag chỉ cần đốt cháy quặng cũng đã thu được kim loại mà không cần phải khử bằng các tác nhân khác:

HgS + O2

0

t

  Hg + SO2Các phản ứng dùng kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ làm chất khử đều phải thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không:

Để đơn giản, chỉ giới thiệu các chất khử C, CO, H2, Al khử oxit kim loại thành kim loại

2 Phương pháp thủy luyện

Phương pháp thủy luyện (còn gọi là phương pháp ướt) được dùng để điều chế các kim loại có tính khử yếu, như Cu, Hg, Ag, Au,…

Cơ sở của phương pháp là dùng những dung dịch thích hợp, như dung dịch

H2SO4, NaOH, NaCN,… để hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và tách

ra khỏi phần không tan có trong quặng Sau đó các ion kim loại trong dung dịch được khử bằng kim loại có tính khử mạnh hơn, như Fe, Zn,…

Thí dụ: Dùng Fe để khử ion Cu2+ trong dung dịch muối đồng

Fe + CuSO4  FeSO4 + Cu Fe + Cu2+  Fe2+ + Cu

Người ta điều chế bạc bằng cách nghiền nhỏ quặng bạc sunfua Ag2S, xử lí bằng dung dịch natri xianua, rồi lọc để thu được dung dịch muối phức bạc:

Ag2S + 4NaCN  2Na[Ag(CN)2] + Na2S

Ag2S + 4CN-  2[Ag(CN)2]- + S

2-Sau đó, ion Ag+ trong phức được khử bằng kim loại Zn:

2Na[Ag(CN)2] + Zn  2Na[Zn(CN)4] + 2Ag

2[Ag(CN)2]- + Zn  [Zn(CN)4]2- + 2Ag

Để đơn giản, chỉ viết phương trình hóa học của phản ứng dùng kim loại mạnh đểkhử ion của kim loại yếu hơn, đó chỉ là công đoạn sau cùng của phương pháp thủy luyện

Cần lưu ý, điều kiện của phương pháp này là kim loại được dùng làm chất khử phải có tính khử mạnh hơn kim loại sẽ được giải phóng và ion kim loại trong dung dịch muối phải có tính oxi hóa mạnh hơn ion kim loại sẽ sinh ra Mặt khác những kim loại dùng làm chất khử phải chưa đủ mạnh để có thể khử được nước (không dùng những kim loại như K, Na, Ca)

3 Phương pháp điện phân

Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực, nhờ tác dụng của dòng điện một chiều Trong điện phân tác nhân khử và oxi hóa tại các điện cực mạnh hơn nhiều lần các chất hóa học Thí dụ, không một chất hóa học nào có thể oxi hóa được ion F- hoặc có thể khử được ion Rb+, Cs+ Các phản ứng hóa học này chỉ có thể thực hiện được bằng phương pháp điện phân Bằng

phương pháp điện phân người ta có thể điều chế được hầu hết các kim loại, kể cảnhững kim loại có tính khử mạnh nhất và điều chế được nhiều phi kim, kể cả phi kim có tính oxi hóa mạnh nhất

Trong hóa học và sản xuất chế tạo, điện phân là phương thức sử dụng dòng điện một chiều để thúc đẩy một phản ứng hóa học mà nếu không có dòng điện nókhông 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 nguyêntrong tự nhiên từ quặng Điện áp cần thiết để hiện tượng điện phân xảy ra được gọi là thế điện phân

Theo quan điểm hiện đại sự điện phân là quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra tại bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hay chất điện li ở trạng thái nóng chảy

Bình điện phân là dụng cụ dùng để chứa và điện phân chất điện li ở trạng thái dung dịch hoặc nóng chảy Bình làm bằng vật liệu trơ với dung dịch hoặc chất điện phân Bên trong bình có 2 điện cực trái dấu và được cấp vào nguồn một chiều

Điện cực âm (âm cực, cực âm, catot) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện

một chiều, là nơi phát ra các electron Tại bề mặt của catot luôn có quá trình khử xảy ra, đó là quá trình trong đó chất oxi hóa nhận electron để tạo thành chất khử tương ứng.

Khi có nhiều chất oxi hóa khác nhau, thường là các ion kim loại khác nhau (ion dương) cùng về catot thì ion kim loại nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ bị khử trước Khi hết chất oxi hóa mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục thì chất oxi hóa yếu hơn kế tiếp mới bị khử sau Thí dụ khi các ion kim loại: Cu2+, Fe2+, Ag+ cùng

về catot của bình điện phân thì thứ tự điện phân lần lượt là: Ag+, Cu2+, Fe2+ Quá trình khử chung ở catot được viết: Mn+ + n.e → M

Điện cực dương (cực dương, dương cực, anot) là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, là nơi hút các electron về Tại bề mặt anot luôn có quátrình oxi hóa xảy ra, đó là quá trình chất khử cho electron để tạo thành chất oxi hóa tương ứng Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là anion phi kim cùng

về anot thì ion nào mạnh nhất sẽ bị oxi hóa trước Khi hết chất khử mạnh nhất

mà còn điện phân tiếp tục thì chất khử yếu hơn kế tiếp mới bị oxi hóa sau Thí dụkhi ion I , Cl ,Br - - -cùng về anot của bình điện phân thì thứ tự điện phân lần lượt là:

-I , Br , Cl Quá trình oxi hóa chung ở anot được viết: Xm- → X + m.e

Trong dãy điện hóa, người ta sắp xếp các kim loại theo thứ tự từ trước ra sau có

độ mạnh tính khử giảm dần Các ion kim loại theo thứ tự từ trước ra sau có độ mạnh tính oxi hóa tăng dần Thế oxi hóa – khử chuẩn của cặp oxi hóa – khử nào càng lớn thì chất oxi hóa đó càng mạnh và chất khử tương ứng càng yếu Dãy điện hóa của kim loại được sắp xếp như sau:

a Điện phân hợp chất nóng chảy

Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối,bazơ, oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca,

Mg, Al

- Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – )    NaCl    Anot ( + )

Na+ + 1e → Na 2Cl- → Cl2 + 2.1e

Hình 1: Sơ đồ điện phân NaCl nóng chảyPhương trình điện phân là: DPNC

2 2NaCl    2Na + Cl

Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóngchảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân Một số chất phụ gia như NaF,KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ điện phân

- Điện phân NaOH nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – )    NaOH    Anot ( + )

Phương trình điện phân là: 2Al2O3   DPNC 4Al + 3O2

Hình 2: Sơ đồ điện phân Al2O3 nóng chảyCriolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóngchảy của Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, ngoài ra nó còn làm tăng độ dẫnđiện của hệ và tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trườngngoài Anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trongoxi mới sinh:

C + O2

o t

  CO2 và 2C + O2

o t

  2CO

b Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn

có các ion H+ và OH- của nước Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phânphức tạp hơn Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bìnhđiện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau

Ví dụ khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na+, H+(H2O) đi về catot còn

các ion Cl-, OH-(H2O) đi về anot Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở cácđiện cực

Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử củacác cặp Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử Vì vậy khi có nhiềudạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị khử trước.Ngược lại trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế oxi hóa – khửnhỏ nhất trước

Khả năng phóng điện của các cation ở catot: Ở catot có thể xảy ra các quátrình khử sau đây:

Mn+ + ne → M 2H+(axit) + 2e → H2Hoặc ion hiđro của nước bị khử:

2H2O + 2e → H2 + 2OHDạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử Theo dãy thếoxi hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau: Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…dễ bị khử nhất vàthứ tự tăng dần Từ Al3+ đến các ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+…không bị khử trongdung dịch Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước

-Khả năng phóng điện của các anion ở anot: Ở anot xảy ra quá trình oxi

hóa các anion gốc axit như Cl-, S2-…hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước

2Cl- → Cl2 + 2.1e 4OH- → O2 + 2H2O + 4e Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxihóa Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau: Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự:

RCOO- < Cl- < Br- < I- < S2-… Các anion gốc axit như - 2- 3- 2- -

NO , SO , PO , CO , ClO …không bị oxi hóa Riêngcác ion OH- của kiềm hoặc của nước khó bị oxi hóa hơn các ion S2-, I-, Br-, Cl-… Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùngcác kim loại như Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion vìthế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch (anottan)

Một số ví dụ:

- Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)    CuCl2    Anot (+)

Cu2+ + 2e    Cu 2Cl

- -  Cl2 + 2.1e