KỶ YẾU CHUYÊN ĐỀ MÔN HOÁ

BTC TRẠI HÈ HÙNG VƯƠNG LẦN THỨ XI -* - KỶ YẾU CHUYÊN ĐỀ MƠN HỐ Lạng Sơn, tháng năm 2015 MỤC LỤC CÁC NỘI DUNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN HOÁ HỌC VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI- THPT Chuyên Hùng Vương - Phú Thọ PHẦN A: MỞ ĐẦU PHẦN B: NỘI DUNG Chương I: Ôn tập bổ sung số kiến thức điện hóa học Chương II: Hệ thống tập trắc nghiệm Chương III :Hệ thống tập tự luận Chương IV : Một số tập điện hóa đề thi học sinh giỏi khu vực quốc gia PHẦN C: KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT ĐIỆN HÓA HỌC VÀ CÁC DẠNG BÀI TẬP BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI - THPT Chuyên Chu Văn An – Lạng Sơn PHẦN A: MỞ ĐẦU PHẦN B: NỘI DUNG I/ Pin điện hóa II/ Điện phân III/ Bài tập ấp dụng KẾT LUẬN VÀI NÉT VỀ ĐIỆN HÓA TRONG HỌC SINH GIỎI - THPT Chuyên Sơn La PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: NỘI DUNG II.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN II.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG OXH – KHỬ II.3: HỆ THỐNG CÂU HỎI, BÀI TẬP PHẦN III: KẾT LUẬN PIN ĐIỆN HÓA - THPT Chuyên Lào Cai LỜI MỞ ĐẦU Phần A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÓM TẮT Phần B: BÀI TẬP VẬN DỤNG Phần C: MỘT SỐ KIẾN THỨC THỰC TIỄN VỀ PIN ĐIỆN HÓA KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐIỆN HÓA HỌC - THPT Chuyên Tuyên Quang PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: NỘI DUNG Chương PHẢN ỨNG OXI HÓA- KHỬ Chương PIN ĐIỆN Chương SỰ ĐIỆN PHÂN PHẦN III KẾT LUẬN MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỢP CHẤT DỊ VÒNG - THPT Chuyên Chu Văn An – Lạng Sơn PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: NỘI DUNG Phần Hệ thống hóa lí thuyết Hợp chất dị vòng Phần Một số luyện tập Hợp chất dị vòng PHẦN III KẾT LUẬN PHỤ LỤC – Tổng hợp nhận xét ngắn gọn từ kết chấm chuyên đề khoa học trại hè hùng vương Trang 2 5 14 50 80 99 102 102 102 102 108 111 136 137 137 138 139 142 144 187 188 188 189 195 228 237 239 239 240 240 243 262 269 270 270 271 271 274 308 311 TRƯỜNG THPT CHUYÊN HÙNG VƯƠNG - PHÚ THỌ CHUYÊN ĐỀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN HOÁ HỌC VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN A: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Đầu kỉ XXI, giáo dục giới có bước tiến lớn với nhiều thành tựu mặt Hầu hết quốc gia nhận thức cần thiết cấp bách phải đầu tư cho giáo dục Luật Giáo dục 2005 nước ta khẳng định: “Phát triển giáo dục quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài” Như vậy, vấn đề bồi dưỡng nhân tài nói chung, đào tạo học sinh giỏi, học sinh chuyên nói riêng nhà nước ta đầu tư hướng đến Trong hội nghị tồn quốc trường THPT chun, Phó Thủ tướng, nguyên Bộ trưởng Bộ GD&ĐT Nguyễn Thiện Nhân nhấn mạnh: “Hội nghị tổ chức nhằm tổng kết kết đạt được, hạn chế, bất cập, đồng thời đề mục tiêu, giải pháp nhằm xây dựng, phát triển trường THPT chuyên thành hệ thống trường THPT chuyên chất lượng cao làm nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng tài trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển đất nước thời kỳ đổi hội nhập” Hệ thống trường THPT chuyên đóng góp quan trọng việc phát hiện, bồi dưỡng học sinh khiếu, tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho đất nước, đào tạo đội ngũ học sinh có kiến thức, có lực tự học, tự nghiên cứu, đạt nhiều thành tích cao góp phần quan trọng nâng cao chất lượng hiệu giáo dục phổ thông Tuy nhiên hạn chế, khó khăn hệ thống trường THPT chuyên toàn quốc gặp phải chương trình, sách giáo khoa, tài liệu cho mơn chun cịn thiếu, chưa cập nhật liên kết trường Bộ Giáo Dục Đào tạo chưa xây dựng chương trình thức cho học sinh chuyên nên để dạy cho học sinh, giáo viên phải tự tìm tài liệu, chọn giáo trình phù hợp, phải tự xoay sở để biên soạn, cập nhật giáo trình Bộ mơn Hóa học môn khoa học bản, quan trọng Mỗi mảng kiến thức vô rộng lớn Đặc biệt kiến thức giành cho học sinh chuyên hóa, học sinh giỏi cấp khu vực, cấp Quốc Gia, Quốc tế Trong điện hố học nội dung quan trọng Phần thường có đề thi học sinh giỏi lớp 10, 11 khu vực; Olympic trại hè Hùng Vương gắn với kiến thức phần kim loại đề thi học sinh giỏi Quốc Gia, Quốc Tế Tuy nhiên, thực tế giảng dạy trường phổ thơng nói chung trường chuyên nói riêng, việc dạy học phần kiến thức điện hố gặp số khó khăn: - Đã có tài liệu giáo khoa dành riêng cho học sinh chuyên hóa, nội dung kiến thức lí thuyết điện hố cịn sơ sài chưa đủ để trang bị cho học sinh, chưa đáp ứng yêu cầu kì thi học sinh giỏi cấp - Tài liệu tham khảo mặt lí thuyết thường sử dụng tài liệu bậc đại học, cao đẳng biên soạn, xuất từ lâu Khi áp dụng tài liệu cho học sinh phổ thơng gặp nhiều khó khăn Giáo viên học sinh thường không đủ thời gian nghiên cứu khó xác định nội dung cần tập trung vấn đề - Trong tài liệu giáo khoa chuyên hóa lượng tập ít, làm HS khơng đủ “lực” để thi đề thi khu vực, HSGQG, Quốc Tế năm thường cho rộng sâu nhiều Nhiều đề thi vượt chương trình - Tài liệu tham khảo phần tập vận dụng kiến thức lí thuyết điện hố ít, chưa có sách tập dành riêng cho học sinh chuyên hóa nội dung Để khắc phục điều này, tự thân GV dạy trường chuyên phải tự vận động, nhiều thời gian công sức cách cập nhật thông tin từ mạng internet, trao đổi với đồng nghiệp, tự nghiên cứu tài liệu…Từ đó, GV phải tự biên soạn nội dung chương trình dạy xây dựng hệ thống tập để phục vụ cho cơng việc giảng dạy Xuất phát từ thực tiễn đó, giáo viên trường chuyên, chúng tơi mong có nguồn tài liệu có giá trị phù hợp để giáo viên giảng dạy - bồi dưỡng học sinh giỏi cấp học sinh có tài liệu học tập, tham khảo Trong năm học tập trung biên soạn chuyên đề : ĐIỆN HOÁ số dạng tập hay gặp đề thi học sinh giỏi khu vực quốc gia Trong thời gian tới nhờ quan tâm đầu tư nhà nước, Bộ Giáo Dục với nỗ lực giáo viên dạy chuyên, giao lưu học hỏi, chia sẻ kinh nghiệm trường chuyên khu vực nước hi vọng có tài liệu phù hợp, đầy đủ giành cho giáo viên học sinh chuyên II Mục đích nghiên cứu Đúc rút tổng kết kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy đội tuyển hoá học quốc gia để từ hồn thành chun đề ‘MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN HOÁ VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MƠN HỐ HỌC ‘ để làm tài liệu phục vụ cho giáo viên trường chuyên giảng dạy, ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp làm tài liệu học tập cho học sinh chun hố Ngồi cịn tài liệu tham khảo cho giáo viên mơn hóa học học sinh u thích mơn hóa học nói chung III Nhiệm vụ 1- Nghiên cứu chương trình hóa học phổ thơng nâng cao chun hóa học, phân tích đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh, khu vực, cấp quốc gia, quốc tế sâu nội dung liên quan đến vấn đề điện hoá 2- Sưu tầm, lựa chọn tài liệu giáo khoa, sách tập cho sinh viên, tài liệu tham khảo Các đề thi học sinh giỏi cấp có nội dung liên quan; phân loại, xây dựng tập lí thuyết tính tốn tập trắc nghiệm tự luận 3- Đề xuất phương pháp xây dựng sử dụng hệ thống tập dùng cho việc giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp trường THPT chuyên IV Giả thuyết khoa học Nếu giáo viên giúp học sinh nắm vững vấn đề lí thuyết xây dựng hệ thống tập chất lượng, đa dạng, phong phú đồng thời có phương pháp sử dụng chúng cách thích hợp nâng cao hiệu trình dạy- học bồi dưỡng học sinh giỏi, chuyên hóa học V Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực tiễn dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học trường THPT chuyên - Nghiên cứu tài liệu phương pháp dạy học hóa học, tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, đề thi học sinh giỏi, - Thu thập tài liệu truy cập thông tin internet có liên quan đến đề tài - Đọc, nghiên cứu xử lý tài liệu VI Điểm chuyên đề - Chuyên đề xây dựng hệ thống hệ thống lí thuyết có mở rộng nâng cao cách hợp lí hệ thống tập gồm 168 có phân loại rõ ràng dạng câu hỏi lí thuyết, dạng tập điện hoá học để làm tài liệu phục vụ cho học sinh giáo viên trường chuyên học tập giảng dạy, ơn luyện, bồi dưỡng kì thi học sinh giỏi cấp làm tài liệu học tập cho học sinh đặc biệt cho học sinh chun điện hố Ngồi cịn tài liệu tham khảo mở rộng nâng cao cho giáo viên mơn hóa học học sinh u thích mơn hóa học nói chung - Đề xuất phương pháp xây dựng sử dụng có hiệu hệ thống tập hóa học NỘI DUNG Chương I: Ơn tập bổ sung số kiến thức điện hoá Chương II: Hệ thống tập trắc nghiệm gồm 90 - hướng dẫn giải Chương III: Hệ thống tập tự luận gồm 59 - hướng dẫn giải Chương IV: Các tập chọn lọc đề thi học sinh giỏi hoá học khu vực quốc gia gồm 19 hướng dẫn giải chi tiết PHẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: ÔN TẬP VÀ BỔ SUNG MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐIỆN HOÁ HỌC I Điện cực điện cực Điện cực Điện cực vật đẫn điện thường đặt tiếp xúc với môi trường phi kim (chẳng hạn dung dịch chất điện giải) mạch điên bề mặt xẩy q trình oxi hố trình khử Chẳng hạn, điện cực Cu,CuSO4 kim loại đồng nhúng dung dịch CuSO4, bề mặt xảy q trình khử ion Cu2+ oxi hoá đồng kim loại Vật liệu dùng làm điện cực tham gia khơng tham gia vào phản ứng điện hoá Điện cực trơ loại điện cực mà vật liệu điện cực khơng có vai trị hố học phản ứng xẩy điện cực Điện cực làm kim loại quý, điện cực than chì ví dụ điện cực trơ Trong phản ứng oxi hoá – khử thông thường, chất khử trực tiếp nhường electron cho chất oxi hố Cịn phản ứng điện hố học, khử oxi hoá xảy điện cực khác Vì thế, người ta phân biệt điện cực xảy khử với điện cực xảy oxi hố đặt tên catot anot: ∗ Catot điện cực mà xảy khử, tức xảy trình nhận electron ∗ Anot điện cực mà xảy oxi hố, tức xảy trình nhường electron 1.1 Anot catot trình điện phân Khi điện phân dung dịch HCl (hình bên), điện cực nối với hai cực nguồn điện (acquy) Điện cực nối với cực âm tích điện âm Điện cực nối với cực dương nguồn tích điện dương Điện trường hai điện cực tạo dung dịch làm cho ion âm Cl− điện cực dương Tại đây, hai ion Cl− nhường electron để tạo phân tử khí Cl2: 2Cl−(dd) − 2e− → Cl2(k) Như vậy, điện phân, cực dương nơi xảy oxi hố ion Cl− Theo định nghĩa nói trên, cực dương anot Theo chiều ngược lại, ion dương H+ điện cực âm Tại đây, hai ion H+ nhận electron để trở thành phân tử H2: 2H+(dd) + 2e− → H2 (k) Điện cực âm nơi xảy khử ion H+ Theo định nghĩa nói trên, cực âm catot Phản ứng hố học xảy tồn hệ : Dòng diên 2HCl ⎯⎯⎯⎯ (1) → H2 + Cl2 Clo phi kim điển hình, phản ứng mãnh liệt với hiđro Phản ứng (1) tức phân li HCl thành hiđro tự diễn biến, xảy cách cưỡng nhờ lượng dòng điện 1.2 Anot catot pin điện hoá Xét pin điện hoá tạo cách nối điện cực Zn nhúng dung dịch ZnSO4 với điện cực Cu nhúng dung dịch CuSO4 Cầu muối chứa dung dịch chất điện li đóng vai trị dây dẫn, làm cho mạch kín để dịng điện lưu thơng Tại điện cực Zn, kim loại hoạt động mạnh Cu, nguyên tử Zn nhường electron để trở thành ion Zn2+ vào dung dịch Những electron theo dây dẫn sang điện cực đồng,, nơi mà electron ion Cu2+ dung dịch CuSO4 thu nhận để trở thành nguyên tử Cu bám vào điện cực Cu Sự chuyển electron làm phát sinh dịng điện Vì vậy, ta gọi pin điện hoá, hay nguyên tố Ganvani Khi nguyên tố Ganvani phát hiện, người ta chưa tìm electron đinh ninh dòng điện dòng chuyển dời điện tích dương, chiều dịng điện quy ước chiều chuyển động điện tích dương, tức ngược với chiều chuyển động dòng electron mà ngày biết Người ta quy ước dòng điện từ cực dương sang cực âm pin điện hoá Như điện cực đồng cực dương điện cực kẽm cực âm Trong pin điện hoá này,tại cực âm (Zn) xảy oxi hoá kẽm: Zn (r) − 2e− → Zn2+(dd) Tại cực dương xảy khử ion Cu2+: Cu2+(dd) + 2e− → Cu(r) Toàn phản ứng xảy pin: Zn(r) + Cu2+(dd) → Zn2+ (dd) + Cu(r) (2) Phản ứng (2) tự diễn biến, Zn đứng trước Cu dãy hoạt động hố học kim loại Áp dụng định nghĩa nêu catot anot pin điện hố Zn-Cu - Tại điện cực âm (Zn) xảy oxi hoá Zn thành Zn2+ nên cực âm anot - Tại điện cực dương (Cu) xảy khử Cu2+ thành Cu nên cực dương catot Như dấu catot anot pin hệ điện phân ngược Sự chuyển hoá lượng pin điện phân ngược Trong pin điện, phản ứng hoá học tự diễn lượng phản ứng chuyển thành điện Còn điện phân, lượng dòng điện gây tiến hành cưỡng phản ứng hố học khơng có khả tự diễn biến Thế điện cực sức điện động pin điện Trở lại ví dụ pin điện hố Zn-Cu Sự xuất dòng điện từ cực đồng sang cực kẽm chứng tỏ hai điện cực có chênh lệch điện thế, tức điện cực xuất điện cực Hiệu điện cực dương (E+) điện cực âm (E-) động lực gây chuyển động điện tích mạch gọi sức điện động (Epin), viết tắt SĐĐ: Epin = E+ - E(3) Sức điện động chuẩn điện cực chuẩn 3.1 Thế điện cực chuẩn SĐĐ pin điện, đo thực nghiệm (chẳng hạn nhờ von kế có điện trở lớn) Nó phụ thuộc vào nhiệt độ, chất điện hoá kim loại dùng làm điện cực nồng độ ion dung dịch tiếp xúc với điện cực Để so sánh tính chất điện hoá kim loại, người ta đo SĐĐ trường hợp nồng độ ion dung dịch M áp suất rieng phần chất khí có tham gia vào phản ứng điện cực atm SĐĐ đo điều kiện gọi SĐĐ chuẩn (E0pin) điện cực điện cực điều kiện gọi điện cực chuẩn (E+0, E-0) Phương trình (3) có dạng: E0pin = E+0 - E-0 (4) Cần ý khái niệm điện cực chuẩn gắn với điều kiện nồng độ ion dung dịch M áp suất rieng phần chất khí có tham gia vào phản ứng điện cực atm Thế điện cực chuẩn phụ thuộc vào nhiệt độ Chỉ điện cực chuẩn điện cực hiđro quy ước không nhiệt độ 3.2 Điện cực hidro chuẩn Khi đo SĐĐ chuẩn (E0pin), người ta xác định hiệu điện cực chuẩn cực dương cực âm, không xác định giá trị riêng rẽ điện cực chuẩn Vì người ta đưa khái niệm điện cực hidro chuẩn quy ước điện cực điện cực 0,000 V nhiệt độ Điện cực hidro chuẩn tạo cách sục khí hydro áp suất atm vào kim loại Platin phủ muội Platin nhúng dung dịch H+ có nồng độ M (hình 2) Hình Bán phản ứng xảy điện cực hidro: 2H+ + 2e− → H2 3.3 Tính điện cực chuẩn dựa vào đo SĐĐ chuẩn (E0pin) quy ước điện cực điện cực hidro chuẩn (E0(hidro) = 0) Nếu ta thiết lập pin điện hoá bao gồm điện cực nghiên cứu chuẩn (đóng vai trị cực dương) điện cực hidro chuẩn (hình 3) thì: E0pin = E0+ − E0(hidro) = E0+ − 0,000 = E0+ > (5) Khi điện cực hidro chuẩn đóng vai trò cực dương: E0pin = E0(hidro) - E0- = 0,000 - E0- = - E0- > → E0- < (6) Như điện cực chuẩn điện cực nhiệt độ có trị tuyệt đối SĐĐ chuẩn (E0pin)pin điện hoá bao gồm điện cực nghiên cứu chuẩn điện cực hidro chuẩn Khi điện cực nghiên cứu đóng vai trị cực dương, điện cực chuẩn (E0) có dấu dương Khi điện cực nghiên cứu đóng vai trị cực âm, điện cực chuẩn (E0) có dấu âm Bằng cách nói người ta xác định điện cực chuẩn điện cực tạo thành từ kim loại nhúng dung dịch muối Bán phản ứng điện cực viết dạng chung: Mn+ + ne → M (7) Trong ne số electron, M kí hiệu kim loại Vì phương trình (7) biểu diễn trình trình khử ion kim loại, nên giá trị điện cực chuẩn đo (hoặc tính được) gọi khử chuẩn kí hiệu EM0 n+ / M , chẳng hạn E0Zn2+ /Zn hay E0Cu 2+ /Cu Bảng cung cấp giá trị khử chuẩn 25oC số nguyên tố thường gặp BẢNG 1: Thế điện cực chuẩn 25oC số nguyên tố thường gặp Nguyên tố Bán phản ứng Thế điện cực chuẩn E0, Von Li Li+ + 1e− → Li −3,045 + − K K + 1e → K −2,925 Ca Ca2+ + 2e− → Ca −2,87 + − Na Na + 1e → Na −2,714 2+ − Mg Mg + 2e → Mg −2,37 3+ − Al Al + 3e → Al −1,66 2+ − Zn Zn + 2e → Zn −0,763 3+ − Cr Cr + 3e → Cr −0,74 2+ − Fe Fe + 2e → Fe −0,44 2+ Cd Cd + 2e− → Cd −0,403 2+ − Ni Ni + 2e → Ni −0,25 2+ − Sn Sn + 2e → Sn −0,14 2+ Pb Pb + 2e− → Pb −0,126 + − H2 2H + 2e → H2 −0,000 2+ − Cu +0,337 Cu + 2e → Cu I2 +0,535 I2 + 2e− → 2I− 2+ − Hg +0,789 Hg + 2e → Hg + − Ag +0,799 Ag + e → Ag Br2 +1,08 Br2 + 2e− → 2Br− − − Cl2 +1,360 Cl2 + 2e → 2Cl 3+ − Au +1,50 Au + 3e → Au F2 +2,87 F2 + 2e− → 2F− Dựa vào bảng số liệu ta thấy: -Thế điện cực âm kim loại có tính khử mạnh ion có tính oxi hố yếu -Thế điện cực dương kim loại có tính khử yếu ion có tính khử mạnh Với phi kim, thể điện cực dương, tính oxi hố mạnh tính khử ion yếu Người ta xếp kim loại thành dãy theo thứ tự tăng dần khử chuẩn Chú thích: Thế oxi hố chuẩn giá trị ngược dấu khử chuẩn Chẳng hạn oxi hoá chuẩn điện cực kẽm, kí hiệu E0Zn/Zn 2+ +0,763 tương ứng với bán phản ứng: Zn(r) − 2e− → Zn2+(dd) Theo đề nghị IUPAC, bảng số liệu thường cung cấp giá trị khử chuẩn Trong Mĩ Canada, người ta hay dùng oxi hoá chuẩn Thế khử chuẩn đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ Nhưng người ta quy ước điện cực hidro chuẩn 0,000 V nhiệt độ, để việc đo điện cực cách so sánh với điện cực hidro thuận tiện Trong tài liệu người ta thường sử dụng thuật ngữ pin điện với nghĩa SĐĐ Trong ví dụ pin Zn-Cu thấy phản ứng oxi hoá khử Zn(r) + Cu2+(dd) → Zn2+ (dd) + Cu(r) bố trí cho khử oxi hoá xảy riêng biệt điện cực khác làm cho trao đổi electron phải thực gián tiếp qua dây dẫn hình thành pin điện hố Sử dụng quy ước điện cực hidro chuẩn xác định khử chuẩn cặp oxi hố - khử nói Về ngun tắc, phản ứng oxi hố khử bố trí Vì thế, tương tự với cặp oxi hoá – khử Cu2+/Cu, Zn2+/Zn, người ta xác định khử chuẩn cặp oxi hố – khử Giá trị khử chuẩn số cặp oxi hoá – khử liên quan đến nhiều phản ứng vô quan trọng cho đây: MnO4− + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O MnO4− + 4H+ + 3e− → MnO2(r) + 2H2O MnO4− + 2H2O + 3e− → MnO2(r ) + 4OH− Cr2O72− + 14H+ + 6e− → 2Cr3+ + 7H2O CrO4− + 4H2O + 3e− → Cr(OH)4− + 4OH− NO3− + 4H+ + 3e− → NO + 2H2O S2O82− + 2e− → 2SO42− 2SO42− + 4H+ + 2e− → S2O62− + 2H2O SO42− + H2O + 2e− → SO32− + 2OH− SO42− + 4H+ + 2e− → H2SO3 + H2O 2SO32− + 2H2O + 2e− → S2O42− + 4OH− 2SO32− + 3H2O + 4e− → S2O32− + 6OH− O2(k) + 4H+ + 4e− → 2H2O O2(k) + 2H2O + 4e− → 4OH− O3(k) + 2H+ + 2e− → O2(k) + H2O 2H2O + 2e− → H2 + 2OH− Fe3+ + e→ Fe2Chú thích: giá trị khử chuẩn 25oC Chẳng hạn E0 = +1,507 V E0 = +1,70 V E0 = +0,60 V E0 = +1,33 V E0 = −0,13 V E0 = +0,96 V E0 = +1,96 V E0 = −0,25 V E0 = −0,936 V E0 = +0,172 V E0 = −1,13 V E0 = −0,576 V E0 = +1,229 V E0 = +0,401 V E0 = +2,07 V E0 = −0,828 V E0 = +0,77 V = +1,507 V liên quan EMnO − / Mn2+ 2+ − đến bán phản ứng khử MnO4 môi trường axit thành Mn điều kiện [MnO4−]=1M [Mn2+] = 1M Mặc dù giá trị khử chuẩn, tài liệu người ta hay dùng thuật ngữ oxi hoá – khử chuẩn để giá trị Khi cung cấp giá trị oxi hố chuẩn người ta kí hiệu là: EMn = - 1,507 V 2+ / MnO− 4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện cực 4.1 Ảnh hưởng nồng độ, phương trình Nernst Mối quan hệ điện cực với nồng độ dạng oxi hố dạng khử biểu diễn phương trình Nernst: RT E = E0 (8) ln Q nF Ở 25oC, phương trình trở thành: 0, 059 E = E0 lgQ (9) n với E điện cực điều kiện nồng độ bất kì, E0 điện cực điều kiện tiêu chuẩn, R số khí, R = 8,31 J.mol−1.K−1, T nhiệt độ Kenvin, n số electron trao đổi bán phản ứng, Q, thường gọi tỉ số phản ứng, biểu thức có dạng giống số cân nồng độ có mặt biểu thức khơng phải nồng độ hệ đạt đến cân Chẳng hạn áp dụng phương tình Nernst để tính điện cực điện cực kẽm nồng độ ion kẽm dung dịch 0,01 M: 0, 059 lg =- 0,704 V E Zn2+ / Zn = E0Zn2+ / Zn [Zn 2+ ] 10 Chú ý tỉ số phản ứng [Zn]/[Zn2+] =1/ [Zn2+] kẽm kim loại trạng thái rắn, nên theo quy ước trạng thái chuẩn [Zn] = Khi bán phản ứng biểu diễn trình khử dạng oxi hố có mặt ion H+hoặc OH- phương trình Nernst có mặt nồng độ H+ OH- Chẳng hạn phản ứng khử ion MnO4− môi trường axit: MnO4− (dd) + 5e− + 8H+(dd) → Mn2+(dd) + 4H2O(l) EMnO− /Mn2+ = E0MnO− /Mn2+ 4 0, 059 [Mn 2+ ] lg [MnO−4 ].[H + ]8 Khi [MnO4−] = 0,2M, [Mn2+] = 0,02 M [H+] = 0,1 M ta có: 0,02 0, 059 lg EMnO− /Mn2+ = E0MnO− /Mn2+ 4 0,2.(10-1 )8 Sự phụ thuộc điện cực vào nồng độ tạo khả thiết lập pin nồng độ có hai điện cực làm kim loại nhúng vào hai dung dịch có nồng độ khác (hình 4) Hình Sơ đồ pin nồng độ Chú thích: Thế khử chuẩn hidro quy ước 0,000 Trong nước, [H+][OH-] = 10-14 Thế điện cực hidro nước tính từ phương trình Nernst : pH RT pH RT E2H+/H2 = E02H+/H2 (20) ln [OH - ]2 ln + 2 = 2F 10−14 2F [H ] Khi PH2 = atm, T = 298,15 K, (20) trở thành: RT E2H+/H2 = - 0,828 (21) ln[OH - ]2 2F Giá trị - 0,828 V xem khử chuẩn nước tương ứng với bán phản ứng: 2H2O(l) + 2e− → 2OH(aq)− + H2(k) E0 = −0,828 V (22) Tuy nhiên, điện phân, catot đạt giá trị - 0,828 V chưa xảy khử cation H+ catot Do ảnh hưởng (xem phần dưới), để quan sát phản ứng khử cation H+, cần catot âm so với khử chuẩn nước (−0,828 V) 4.2 Ảnh hưởng áp suất Áp suất ảnh hưởng đến điện cực có tham gia chất khí vào phản ứng bề mặt điện cực Ảnh hưởng phản ảnh phương trình Nernst Chẳng hạn phụ thuộc điện cực hydro vào áp suất khí H2 bề mặt điện cực platin làm thay đổi điện cực hidro: 2H+(dd) + 2e− → H2(k) 11 P 0, 059 lg H+2 2 2 [H ] 4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến điện cực E thông qua thay đổi điện cực chuẩn E0 theo nhiệt độ có mặt thừa số T phương trình Nernst Sơ đồ pin điện Người ta quy ước viết sơ đồ pin điện hoá sau: - Điện cực dương đặt bên phải, điện cực âm bên trái sơ đồ - Giữa kim loại điện cực dung dịch chất điện giải đặt gạch đơn thẳng đứng - Giữa dung dịch bao quanh cực dương dung dịch bao quanh cực âm đặt gạch đôi thẳng đứng Theo quy ước ấy, sơ đồ pin Zn-Cu viết sau: (-)Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu(+) Hoặc đơn giản hơn: (-)Zn|Zn2+||Cu2+|Cu(+) II Chiều tự diễn biến phản ứng oxi hoá khử Liên hệ ΔG SĐĐ Cho phản ứng oxi hoá – khử: Znr + Cu2+dd → Zn2+dd + Cur (2) 2+ 2+ Giữa ΔG phản ứng SĐĐ (Epin) pin điện (-)Zn|Zn ||Cu |Cu(+) có mối liên hệ: ΔG = -nFEpin (9) 0 và, điều kiện chuẩn ΔG = -nFE pin (10) Trong công thức trên: ΔG, ΔG0 biến thiên đẳng áp biến thiên đẳng áp chuẩn phản ứng xảy pin điện, Epin, E0pin SĐĐ SĐĐ chuẩn pin điện, N số electron trao đổi, F số Faraday, F = 96500 C/mol (C Coulomb, đọc Cu-long) Trong nhiệt động lực học, người ta chứng tỏ rằng, q trình tự diễn biến ΔG < Từ (10) rút phản ứng oxi hoá – khử pin điện tự diễn nếu: Epin = E+ - E- > hay E+ > E(11) Khi phản ứng diễn điều kiện chuẩn (nồng độ ion dung dịch = 1M, áp suất riêng phần khí tham gia vào phản ứng điện cực = 1atm) tiêu chuẩn (11) trở thành: E0pin = E+0 - E-0 > hay E+0 > E-0 (12) Trở lại với phăn ứng (2), điều kiện chuẩn, ta có: E0pin = E+0 - E-0 = E 0Cu 2+ /Cu − E0Zn2+ /Zn = 1,100 V E H + /H = E0H+ /H - → ΔG0 = -nFE0pin = - 2.96500.1,100 = - 212300 J ΔG0 < nên điều kiện chuẩn, phản ứng (2) tự xảy Điều phù hợp với kết luận quen biết: kẽm đẩy đồng khỏi dung dịch muối đồng Kim loại khử chuẩn nhỏ (càng âm) có tính khử mạnh Ion kim loại khử chuẩn lớn (càng dương) có tính oxi hố mạnh Một cách tổng qt cặp oxi hố khử chuẩn khử cao oxi hố chất khử khử chuẩn thấp Hiệu khử chuẩn chất oxi hoá khử chuẩn chất khử gọi chuẩn phản ứng oxi hoá khử Nếu phản ứng oxi hoá khử diễn pin điện chuẩn phản ứng SĐĐ chuẩn pin điện Liên hệ SĐĐ chuẩn (E0pin) số cân 12 RTlnK = - ΔG0 = nFE0pin nFE 0pin Rút ra: K = e RT Ở 25oC chuyển sang logarit thập phân (13) trở thành: (13) nE 0pin K = 10 0,059 (14) III Sự điện phân Định luật Faraday Hai định luật Faraday điện phân tóm tắt chung biểu thức: ⎛ Q ⎞⎛ M ⎞ (15) m = ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ F ⎠⎝ z ⎠ Trong đó: m khối lượng chất bị điện phân giải phóng điện cực (g), Q điện lượng qua bình điện phân (C), F số Faraday, F = 96485 C/mol, M khối lượng mol (g/mol) Z điện tích ion bị điện phân Vì Q = It (16) Nên (15) viết lại thành: ⎛ It ⎞ ⎛ M ⎞ (17) m = ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ F ⎠⎝ z ⎠ Trong I cường độ dịng điện (Ampe), t thời gian (s) Phương trình (16) viết dạng: m It n= (18) = M zF Trong n số mol chất bị điện phân giải phóng điện cực Điện phân dung dịch 2.1 Sự phóng điện H+ OHa) Ở cực âm (catot) Ở cực âm, cation kim loại cịn có mặt cation H+ nước điện li mà tạo thành Khi xảy phản ứng: 2H+ + 2e → H2 (19) Vì thế, kim loại khử chuẩn âm (kiềm, kiềm thổ, Al), cation chúng có tính oxi hố yếu khơng bị khử cực âm Chỉ kim loại hoạt động hoá học Zn, Cr, Ni , kim loại quý) giải phóng cực âm b) Ở cực dương (anot) Ở cực dương, ngồi anion gốc axit cịn có mặt anion OH- nước điện li mà tạo thành Khi xảy phản ứng: 4OH- - 4e → O2 + 2H2O (20) Vì thế, anion đơn giản Cl-, Br-, I- phóng điện cực dương, nhiều anion gốc axit phức tạp, chằng hạn SO42-, khơng bị oxi hố 2.2 Sơ lược q Trong thực tế, q trình oxi hố anion anot khử cation catot điện phân thường phức tạp Để quan sát thực nghiệm trình khử cation kim loại catot, catot thường phải âm khử chuẩn kim loại Để anion thực tế bị oxi hoá, anot thường phải cao oxi hoá chuẩn Hiệu điện cần phải có để xảy phóng điện ion điện 13 cực (gọi phân hủy) với khử oxi hoá chuẩn (trong kĩ thuật điện phân thường gọi điện cực cân bằng) gọi thế: η (quá thế) = E(phân hủy) – E(cân bằng) (21) Có nhiều loại thế: - Quá hoá học liên quan đến lượng hoạt động hoá phản ứng hoá học trước trao đổi ion xảy Q hố học thường khắc phục nhờ sử dụng chất xúc tác điện hoá đồng thể dị thể - Quá hoạt động hoá liên quan đến lượng hoạt động hố q trình trao đổi electron ion với bề mặt điện cực - Quá nồng độ gây giảm nồng độ tiểu phân tích điện vùng gần bề mặt điện cực - Quá bọt khí chậm giải hấp bọt khí khỏi bề mặt điện cực - Quá điện trở liên quan với sụt điện trở dung dịch Quá phụ thuộc vào vật liệu dùng làm điện cực, chất ion dung dịch điện phân, mật độ dòng điện, nhiệt độ Q có vai trị quan trọng điện hố học Để minh họa, xem xét sản xuất clo điện phân dung dịch muối ăn Thế oxi hoá chuẩn clo: Cl- + 2e → Cl2 E0 = -1,360 V Thế oxi hoá chuẩn OH4OH− → O2(k) + 2H2O + 4e− E0 = -0,401 V Nếu khơng có q thế, OH- phóng điện anot đạt giá trị -0,401 V Cl- lại dung dịch Khi sử dụng anot than chì, oxi than chì có giá trị lớn làm cho phân hủy oxi vượt qua phân hủy clo Nhờ thế, anot xảy phóng điện ion Cl- *KẾT LUẬN: Trên số kiến thức điện hố (có mở rộng nâng cao hợp lí) giúp cho em học sinh hiểu rõ vận dụng nhanh để giải tốt dạng tập điện hoá đề thi học sinh giỏi khu vực quốc gia 14 CHƯƠNG HỆ THỐNG BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM II.1 Đề Bài Cặp oxi hoá - khử nguyên tố kim loại tạo A chất oxi hoá chất khử B hai nguyên tố kim loại có độ hoạt động khác tiếp xúc với C dạng oxi hoá dạng khử nguyên tố kim loại D hai nguyên tố hố học, ngun tố có tính oxi hố, ngun tố có tính khử Chọn đáp án Bài Có hai phát biểu liên quan đến cặp oxi hoá -khử Mn+/M: Mn+ dạng oxi hoá, M dạng khử Phương trình hố học thể trao đổi electron Mn+ M viết : Mn+ → M + ne− Trong hai phát biểu này, A có B có C D sai Chọn đáp án Bài Pin điện hố Zn-Cu mơ tả hình vẽ bên Có thể mơ tả q trình diễn pin hoạt động sau: Nguyên tử Zn nhường electron chuyển thành ion Zn2+ tan vào dung dịch, ion Cu2+ nhận electron tạo nguyên tử Cu bám vào điện cực Cu Dòng điện mạch chạy từ Zn sang Cu Phản ứng xảy pin: Zn(r) + Cu2+(dd) → Zn2+(dd) + Cu Các mơ tả xác gồm A 2, B 1, C 1, D 1, 2, Chọn đáp án Bài Khi pin điện hoá chuẩn Ni - Cu hoạt động, màu xanh dung dịch CuSO4 nhạt dần theo thời gian nguyên tử Ni bị oxi hoá thành Ni2+ tan vào dung dịch theo trình: Ni(r) → Ni2+(dd) + 2e− 15 Trong hai nhận xét này, A có B có C D sai Chọn đáp án Bài Hai điện cực tạo từ hai kim loại A, B nhúng vào hai ngăn bình chứa dung dịch muối nitrat kim loại tương ứng Hai ngăn cách li vách xốp có nhiều lỗ nhỏ cho ion qua, không để dung dịch bị trộn lẫn Nối hai điện cực với dây dẫn, dòng electron chuyển động theo hướng hình vẽ bên, nhận xét khơng xác? A Điện cực A anot, điện cực B catot B Ion dương chuyển động từ ngăn chứa điện cực B sang ngăn chứa điện cực A thông qua lỗ nhỏ vách xốp C Kim loại A bị hòa tan vào dung dịch dòng electron chuyển sang điện cực B D Khối lượng điện cực A giảm xuống theo thời gian Chọn đáp án Bài Một pin điện hoá tạo cách nối hai điện cực kim loại A, B Kim loại A ngâm dung dịch Am+, kim loại B ngâm dung dịch Bm+ Khi pin hoạt động, học sinh quan sát, ghi lại số thông tin sau: Khối lượng điện cực A tăng dần, khối lượng điện cực B giảm dần theo thời gian Xuất dòng điện chạy từ điện cực B sang điện cực A Biết B đẩy A khỏi dung dịch muối nó, cho biết hai thông tin trên, thông tin ghi lại khơng xác? A Chỉ B Chỉ C Cả D Không phải lẫn Chọn đáp án Bài Theo quy ước quốc tế, kết nối hai nửa pin để tạo pin điện hố điện cực dương đặt phía bên phải, điện cực âm đặt phía bên trái Cho biết pin đây, pin biểu diễn quy ước? A Chỉ pin B Chỉ pin 16 C Cả hai pin D Không phải lẫn Chọn đáp án Bài Một học sinh đưa ba nhận xét pin điện có sơ đồ hình bên: Điện cực khí hiđro chuẩn trì hoạt động cách thổi liên tục khí hiđro áp suất atm lên platin phủ muội platin ngâm dung dịch axit có nồng độ ion H+ 1M, Đo sức điện động pin ta xác định điện cực chuẩn cặp M2+/M M điện cực âm pin A B C D ba Chọn đáp án Bài Cho pin điện hố chuẩn hình thành từ điện cực M điện cực khí hiđro điều kiện tiêu chuẩn hình vẽ bên Biết Vơn kế giá trị 0,76 V, giá trị khử chuẩn cặp M2+/M A +0,76 V B +1,52 V C −0,76 V D −1,52 V Chọn đáp án Bài 10 Khi pin điện hoá Cu - Ag hoạt động điều kiện tiêu chuẩn, phương trình phản ứng xảy pin: Cu(r) + 2Ag+(dd) → Cu2+(dd) + 2Ag(r) khối lượng điện cực dương Cu giảm dần theo thời gian Trong hai nhận xét này, A B C D sai Chọn đáp án Bài 11 Để xác định điện cực cặp Mn2+/Mn người ta thiết lập pin điện hố chuẩn nửa pin gồm điện cực Mn nhúng vào dung dịch Mn2+ 1M, nửa pin cịn lại điện cực khí hiđro điều kiện chuẩn Sức điện động pin đo pin hoạt động 1,19 V Mặt khác, Mn đẩy Fe khỏi dung dịch muối: Mn(r) + Fe2+(dd) → Mn2+(dd) + Fe(r) Cho biết hai nhận xét sau, nhận xét xác? E0Mn 2+ /Mn = 1,19 V 17 Phản ứng xảy pin hoạt động: Mn(r) + 2H+(dd) → Mn2+(dd) + H2(k) A Chỉ B Chỉ C Cả D Không phải lẫn Chọn đáp án Bài 12 Một pin điện hố hình thành cách kết nối hai điện cực tạo kim loại M Cu nhúng hai dung dịch muối nitrat nồng độ 1M ion kim loại tương ứng 250C hình hình vẽ Vôn kế 0,57V; E0Cu2+/Cu (250C)= 0,34 V Dãy nhận định xác? A E0M2+/M (250C) = +0,13 V; điện cực M catot B E0M2+/M (250C) = +0,91 V; điện cực M catot C E0M2+/M (250C) = −0,13 V; điện cực M anot D E0M2+/M (250C) = +1,82 V; điện cực M anot Chọn đáp án Bài 13 Một pin điện hoá tạo nên từ hai điện cực chuẩn Al3+/Al Mn2+/Mn Al3+(dd) + 3e− Al0 (r) E0 = −1,66 V Mn2+(dd) + 2e− Mn0 (r) E0 = −1,18 V Xác định trình xảy anot pin chuẩn pin Quá trình xảy anot pin A Al3+(dd) Al0 (r) B Al3+(dd) C Mn2+(dd) D Mn2+(dd) + + + 3e− Mn0 (r) + 2e− Thế chuẩn pin 3e− +0,48 V Al0 (r) +0,48 V 2e− +2,84 V Mn0 (r) +2,62 V Chọn đáp án Bài 14 Pin khơ niken-cađimi, cịn gọi tắt Nicad, sản sinh dòng điện nhờ phản ứng sau: Cd (r) + NiO2 (r) + 2H2O (l) → Cd(OH)2 (r) + Ni(OH)2 (r) Trong nhận xét đây, nhận xét xác? NiO2 bị khử catot, Cd bị oxi hoá anot pin Dịng electron mạch ngồi truyền từ anot sang catot pin A Chỉ B Chỉ C Cả D Không phải lẫn Chọn đáp án Bài 15 Trong bốn ion đây, ion có tính oxi hố lớn điều kiện chuẩn A Ag+ B Ca2+ C Mg2+ 18 D Fe3+ E0Fe3+/Fe2+ = +0,77 V; E0Fe3+/Fe2+ =; E0Fe3+/Fe2+ =; E0Fe3+/Fe2+ = Chọn đáp án Bài 16 Cho: Sn2+(dd) + Mn2+(dd) + 2e− → Sn (r) E0 = −0,14V 2e− → Mn (r) E0 = −1,03V Ion hay ngun tử có tính oxi hố lớn ? A Mn2+ B Sn2+ C Mn D Sn Chọn đáp án Bài 17 Cho: Fe3+(dd) + e− → Fe2+(dd) E0 = +0,77 V Cu2+(dd) + e− → Cu+(dd) E0 = +0,15 V Ion có tính khử lớn nhất? A Fe3+ B Fe2+ C Cu2+ D Cu+ Chọn đáp án Bài 18 Cho điện cực chuẩn 25oC số cặp oxi hoá -khử: Bán phản ứng Thế điện cực chuẩn, V Fe3+(dd) + 1e− → Fe2+(dd) +0,77 Fe2+(dd) + 2e− → Fe(r) −0,44 Cu2+(dd) + 2e− → Cu(r) +0,34 Phản ứng tự xảy ra: Fe(r) + Cu2+(dd) → Fe2+(dd) Cu(r) + Fe3+(dd) → Cu2+(dd) + Fe2+(dd) Fe(r) + Fe3+(dd) → + Cu(r) Fe2+(dd) A Chỉ B Chỉ C Chỉ D Cả 1, 2, Chọn đáp án Bài 19 Thực nghiệm cho thấy rằng: Ag không tan dung dịch Fe(NO3)3 Fe(NO3)2 tác dụng với AgNO3 tạo kết tủa Ag muối Fe(NO3)3 Cho biết nhận xét khơng xác A Fe2+ có tính khử mạnh Ag B Fe3+ có tính oxi hố yếu Ag+ C E0Fe3+ /Fe2+ > E 0Ag+ /Ag D Ag kim loại hoạt động Fe Chọn đáp án Bài 20 Thực nghiệm cho thấy phản ứng sau tự xảy ra: A(r) + B2+(dd) → A2+(dd) + B(r) 19 B(r) + 2D3+(dd) → 2D2+(dd) + B2+(dd) Dựa vào kết trên, cho biết xếp xác? A E0 2+ < E0B2+ /B < E0D3+ /D2+ A /A B E0 2+ < E0D3+ /D2+ < E0B2+ /B A /A C E0D3+ /D2+ < E0 2+ < A /A D E0 2+ < E0B2+ /B < E0D3+ /D2+ A /A E0B2+ /B Chọn đáp án Bài 21 Cho biết: E0 3+ 2+ = − 0,42V ; E0 2+ = - 0,25 V ; E0 2+ = − 0,90 V Trong phản Cr /Cr Ni /Ni Cr /Cr ứng sau, phản ứng tự xảy ra: Ni(r) + Cr2+(dd) Cr(r) + 2Cr3+(dd) → 3Cr2+(dd) Ni(r) + 2Cr3+(dd) → Ni2+(dd) A → Ni2+(dd) B & + Cr(r) + 2Cr2+(dd) C & D.chỉ Chọn đáp án Bài 22 Trong dung dịch sau, dung dịch thể sử dụng để loại bỏ tạp chất Fe khỏi hỗn hợp với Ag nhằm thu Ag tinh khiết mà không làm bạc? 1.H2SO4(l), 2.HNO3(l), A 1, 2, Cho E HCl, 4.AgNO3, Fe(NO3)3, 6.Cu(NO3)2 B.1,2, 3, Fe3+/Fe2+ = +0,77 C 1,2 3, 4, 5, D 1, 3, 4, V Chọn đáp án Bài 23 Một mẫu Ag bị lẫn tạp chất Cu, Fe xử lí lượng dư dung dịch A thu Ag tinh khiết mà không làm bạc Dung dịch A chứa A NíSO4 C AgNO3, Fe(NO3)3 B Ag(NO3), Cu(NO3)2 D AgNO3, HNO3(l) Chọn đáp án Câu 24 Phản ứng tự xảy ra? A Cu (r) + Ag+(dd) → B Br2(l) + Cl− (dd) → C Cu2+(dd) + H2O(l) → D Au (r) + Mg2+(dd) → ([H+] = M) Chọn đáp án Câu 25 Ion có mặt hai bán phản ứng có tính khử lớn nhất? Fe3+(dd) + e− → Fe2+(dd) E0 = +0,77 V Cu2+(dd) + e− → Cu+(dd) E0 = +0,15 V A Fe3+ B Fe2+ C Cu2+ D Cu+ Chọn đáp án Câu 26 Ion hay nguyên tử có mặt bán phản ứng cho có tính oxi hố lớn nhất? Sn2+(dd) + 2e− → Sn (r) E0 = −0,14V Mn2+(dd) + 2e− → Mn (r) E0 = −1,03V A Mn2+ B Sn2+ C Mn D Sn Chọn đáp án 20