2 BÁO CÁO SÁNG KIẾN I ĐIỀU KIỆN HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN Qua nhiều năm giảng dạy môn Hóa học, tôi nhận thấy Lý thuyết và bài toán về sự điện phân (đp) hoặc có liên quan đến sự điện phân khá khó khăn[.]
2 BÁO CÁO SÁNG KIẾN I ĐIỀU KIỆN HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN - Qua nhiều năm giảng dạy mơn Hóa học, tơi nhận thấy: Lý thuyết tốn điện phân (đp) có liên quan đến điện phân khó khăn học sinh, học sinh thường có tâm lý sợ sệt, dẫn đến làm không tốt loại tập - Với suy nghĩ trăn trở làm để học sinh khơng cịn tâm lý sợ sệt, khơng cịn gặp khó khăn với loại tập này, nhiều năm qua tơi tích cực nghiên cứu tài liệu tham khảo, đề thi đại học, thi trung học phổ thông quốc gia, thi tốt nghiệp trung học phổ thông từ trước đến nay, tập hợp tất tập có liên quan; nghiên cứu cách giải xây dựng giải pháp hướng dẫn học sinh ôn tập chuyên đề này, thể nghiệm đạt hiệu trường THPT A Hải Hậu, trường THPT C Hải Hậu II MƠ TẢ GIẢI PHÁP Mơ tả giải pháp trước tạo sáng kiến - Trước áp dụng sáng kiến này, giảng dạy phần điện phân chương trình hóa học lớp 12 cho học sinh, tơi thường thực cách đơn giản là: dạy xong lý thuyết, giao tập nhà sách giáo khoa, sách tập cho học sinh nghiên cứu chuẩn bị, sau giáo viên chữa tập luyện tập - Khi làm tơi thấy có nhiều hạn chế: + Về phía giáo viên, việc nắm tập khơng thành hệ thống, việc giải tập khó không quy dạng khó khăn Giáo viên khơng nắm tập khó phát triển từ dạng nào, nhiều giáo viên khơng thể giải tập khó khơng thể xây dựng tập tương tự Giáo viên khó đáp ứng nhiệm vụ bồi dưỡng học sinh giỏi hay hướng dẫn ôn thi tốt nghiệp THPT cho học sinh + Về phía học sinh học tập cách thụ động, học biết đó, khơng khái qt tập thành dạng loại, học sinh tiếp thu lượng kiến thức lớn, vươn lên thành học sinh giỏi, làm thi chậm khó đạt điểm cao Các giải pháp 2.1 Giải pháp 1: Hướng dẫn học sinh nghiên cứu, ôn tập kiến thức lý thuyết Sự điện phân I Khái niệm điện phân Định nghĩa *Ví dụ: Mơ tả đp NaCl nóng chảy (n/c) với điện cực (đ/c) trơ NaCl → Na+ + ClTại anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e Tại catot (-): Na+ + 1e → Na dien − phan → 2Na + Cl2 Ptđp: 2NaCln/c ⎯⎯⎯⎯ *Định nghĩa: Sự điện phân trình oxihoa-khử xảy bề mặt điện cực cho dòng điện chiều qua chất điện li nóng chảy dd chất điện li Các trình xảy bề mặt điện cực 2.1 Tại catot (-) (làm vật liệu trơ grafit): - Xảy trình khử cation kim loại H+ VD: Cu2+ + 2e → Cu Zn2+ + 2e → Zn Fe2+ + 2e → Fe 2H+ + 2e → H2 (axit) - Nếu H+ nước điện phân, viết phương trình: 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (*) (Giáo viên giải thích thêm phương trình (*) có kết hợp phương trình sau: 2H2O 2H+ + 2OH2H+ + 2e → H2 ) - Nếu dung dịch (dd) catot có nhiều cation cation oxihoa mạnh (cation kim loại yếu hơn) điện phân trước Thứ tự điện phân cation hay gặp, là: Hg2+ Ag+ Fe3+ Cu2+ H+ (của axit) Pb2+ Sn2+ Ni2+ Fe2+ Zn2+ H+ (của H2O) (cation kim loại mạnh Al không bị điện phân dung dịch) 2.2 Tại anot (+) (bằng vật liệu trơ grafit): - Xảy trình oxihoa anion VD: 2Cl - → Cl2 + 2e 2Br - → Br2 + 2e S2- → S + 2e 4OH - → O2 + 4e + 2H2O (Bazơ) - Nếu OH- nước điện phân, viết phương trình: 2H2O → O2 + 4e + 4H+ (*) (Giáo viên giải thích thêm phương trình (*) có kết hợp phương trình sau: 4H2O 4H+ + 4OH4OH - → O2 + 4e + 2H2O ) - Nếu dd anot có nhiều anion anion khử mạnh điện phân trước Thứ tự điện phân số anion hay gặp, là: S2- I- Br- Cl- OH- (của bazơ) OH- (của H2O ) (Coi gốc axit có oxi khơng bị điện phân dd) 2.3 Nếu anot làm kim loại hay hợp kim (điện cực hoạt động) kim loại hợp kim nhường e trước bị tan dần (hiện tượng điện phân dương cực tan hay điện phân anot tan) VD: Anot Cu, bề mặt anot xảy phản ứng: Cu → Cu2+ + 2e II Mô tả q trình điện phân Điện phân hợp chất nóng chảy với điện cực trơ: (Giáo viên hướng dẫn học sinh viết phản ứng điện cực ptđp ba loại hợp hay gặp, điện phân nóng chảy để điều chế kim loại tương ứng) VD1: Mô tả q trình điện phân CaCl2 nóng chảy (đ/c trơ) CaCl2 → Ca2+ + 2Cl- Tại catot (-): Ca2+ + 2e → Ca - Tại anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e - Ptđp: CaCl2 → Ca + Cl2 VD2: Mơ tả q trình điện phân NaOH n/c (đ/c trơ) NaOH → Na+ + OHTại catot (-): Na+ + 1e → Na Tại anot (+): 4OH- → O2 + 2H2O + 4e Ptđp: 4NaOH → 4Na + O2 + 2H2O VD3: Mơ tả q trình điện phân Al2O3 n/c (đ/c trơ) Al2O3 → 2Al3+ + 3O2Tại catot (-): Al3+ + 3e → Al Tại anot (+): 2O2- → O2 + 4e Ptđp: Al2O3 → 2Al + 3O2 Điện phân dung dịch axit với điện cực trơ: (Giáo viên hướng dẫn học sinh viết phản ứng điện cực ptđp dd loại axit hay gặp axit khơng có oxy – axit hiđric axit có oxy Các tập điện phân dd axit thường gặp tương tự hai ví dụ này) VD1: Mơ tả q trình điện phân dung dịch HCl (đ/c trơ) HCl → H+ + Cl – H2O H+ + OH - VD2 Mô tả trình điện phân dung dịch H2SO4 (đ/c trơ) H2SO4 → 2H+ + SO42 – H2O H+ + OH - Tại catot (-): 2H+ + 2e → H2 Tại anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e Tại catot (-): 2H+ + 2e → H2 Tại anot (+): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Ptđp: 2HCl → H2 + Cl2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd axit khơng chứa Oxy axit bị điện phân Khi axit bị điện phân hết trình điện phân dừng lại cịn nước khơng dẫn điện) Ptđp: 2H2O → O2 + 2H2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd axit chứa Oxy nước bị điện phân, axit khơng bị điện phân, đóng vai trò dẫn điện Khi nước bị điện phân hết trình điện phân dừng lại bình cịn axit ngun chất khơng dẫn điện) Điện phân dung dịch bazơ với điện cực trơ: (Giáo viên khắc sâu cho học sinh: điện phân dd bazơ tương tự ví dụ này) VD: Mơ tả q trình điện phân dung dịch NaOH (đ/c trơ) NaOH → Na+ + OHH2O H+ + OH Tại catot (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OHTại anot (+): 4OH- → O2 + 2H2O + 4e Ptđp: 2H2O → O2 + 2H2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd bazơ nước bị điện phân, bazơ khơng bị điện phân, đóng vai trị dẫn điện Khi nước bị điện phân hết trình điện phân dừng lại bình cịn bazơ khan khơng dẫn điện) Điện phân dung dịch muối với điện cực trơ a) Điện phân dd muối kim loại mạnh - Điện phân dd muối kim loại mạnh gốc axit khơng có oxi VD: Mơ tả q trình điện phân dd NaCl (đ/c trơ, có màng ngăn) NaCl → Na+ + ClH2O H+ + OH Tại catot (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OHTại anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e Ptđp: 2Cl- + 2H2O → H2 + 2OH- + Cl2 dp 2NaCl + 2H2O ⎯⎯ → H2 + 2NaOH + Cl2 mn (Màng ngăn có tác dụng ngăn khơng cho khí Cl2 sinh anot khuyếch tán sang dd vùng catot để tác dụng với NaOH sinh ra) - Điện phân dd muối kim loại mạnh gốc axit có oxi VD: Mơ tả q trình điện phân dd NaNO3 (đ/c trơ) NaNO3 → Na+ + NO3H2O H+ + OH – Tại catot (-): 2H2O + 2e → H2 + 2OHTại anot (+): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Ptđp: 2H2O → O2 + 2H2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd muối kim loại mạnh gốc axit có oxy nước bị điện phân; muối khơng bị điện phân, đóng vai trị dẫn điện Khi nước bị điện phân hết trình điện phân dừng lại bình cịn muối khan không dẫn điện) b) Điện phân dd muối kim loại yếu - Điện phân dd muối kim loại ú gốc axit khơng có oxi VD: Mơ tả trình điện phân dd CuCl2 (đ/c trơ) CuCl2 → Cu2+ + 2ClH2O H+ + OH Tại catot (-): Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e Ptđp: CuCl2 → Cu + Cl2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd muối kim loại yếu gốc axit khơng chứa Oxy muối bị điện phân Khi muối bị điện phân hết trình điện phân dừng lại bình điện phân cịn nước khơng dẫn điện) - Điện phân dd muối kim loại yếu gốc axit có oxi VD: Mơ tả q trình điện phân dd Cu(NO3)2 (đ/c trơ) Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3H2O H+ + OH Tại catot (-): Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Ptđp (dạng ion): 2Cu2+ + 2H2O → 2Cu + O2 + 4H+ Ptđp: 2Cu(NO3)2 + 2H2O → 2Cu + O2 + 4HNO3 *Ghi chú: Giáo viên khắc sâu cho học sinh, tập điện phân dung dịch muối với điện cực trơ thường gặp tương tự ví dụ Điện phân dung dịch với anot kim loại hoạt động (điện phân dương cực tan hay điện phân anot tan) VD: Mơ tả q trình điện phân dd CuSO4 (anot Cu) CuSO4 → Cu2+ + SO42H2O H+ + OH Tại catot (-): Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+): Cu → Cu2+ + 2e Ptđp: Cu2+ + Cu → Cu + Cu2+ (dd) (anot) (catot) (dd) Nhận xét: Trong trình điện phân dương cực tan ví dụ trên: khối lượng Cu tan anot = khối lượng Cu bám vào catot, nồng độ ion Cu2+ dung dịch không thay đổi III Ứng dụng điện phân Điều chế kim loại: Kim loại kiềm, kiềm thổ, Al số kl khác Thí dụ: Hơn 50% sản lượng Zn giới điều chế phương pháp điện phân dung dịch ZnSO4 Điều chế số phi kim: Như H2, O2, F2, Cl2 Điều chế số hợp chất: Như KMnO4, NaOH, H2O2, nước Gia-ven, 4.Tinh chế số kim loại: Như Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au, Phương pháp điện phân với anot tan dùng để tinh chế kim loại Thí dụ, để có vàng tinh khiết, người ta dùng anot tan vàng thơ, catot thu vàng rịng có độ tinh khiết 99,99% Mạ điện: Điện phân với anot tan dùng kĩ thuật mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn tạo vẻ đẹp cho vật mạ Trong mạ điện, anot kim loại dùng để mạ, Cu, Ag, Au, Cr, Ni , catot vật cần mạ Lớp mạ thường mỏng, có độ dày từ 5.10–5 đến 1.10–3cm Thí dụ: mạ kẽm, thiếc, niken, bạc, vàng, IV Định luật Faraday Dựa vào công thức biểu diễn định luật Faraday (xem sách giáo khoa Vật lí lớp 11) ta xác định khối lượng chất thu điện cực trình điện phân m= AIt nF Trong đó: m: Khối lượng chất thu đ/c I: Cường độ dịng điện, tính ampe (g) (A) A: Kl mol nguyên tử chất thu t: Thời gian điện phân, tính giây điện cực (s) n: Số e mà nguyên tử ion F: Hằng số Faraday (F = 96500 cho nhận culông/mol) Hệ quả: Số mol e cho (ne cho) = Số mol e nhận (ne nhận) = I t (mol) F V Chú ý - Khi điện phân dd chứa ion kim loại từ Zn 2+ đến Pb2+, H+ nước đồng thời bị khử VD: Điện phân dd ZnSO4 (với điện cực trơ) Catot (-): Zn2+ + 2e → Zn 2H2O + 2e → H2 + 2OH- Thông thường người ta bỏ qua khử đồng thời H+ nước Nếu giả thiết cho có khử đồng thời nước ta xét 2.2 Giải pháp 2: Bài tập vận dụng lý thuyết 2.2.1 Các ví dụ vận dụng: VD1: Viết ptpư điện phân với đ/c trơ dd sau: NaCl (có màng ngăn); FeSO4 HCl đến nước bắt đầu điện phân điện cực dừng lại Cho biết quỳ tím thay đổi cho vào dd lại sau điện phân? * Điện phân dd NaCl (đ/c trơ có màng ngăn): NaCl → Na+ + ClH2O H+ + OH- Tại catot (-): H+ (H2O), Na+ 2H2O + 2e → H2 + 2OH(1) - Tại anot (+): Cl-, OH- (H2O) 2Cl- → Cl2 + 2e (1’) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2’) (phản ứng (1’) (2’) xảy ra) dienphan - Ptđp: 2NaCl + 2H2O ⎯⎯⎯⎯ → 2NaOH + H2 + Cl2 mangngan (I) Khi H2O điện phân điện cực NaCl điện phân hết, dd sau điện phân có NaOH, cho quỳ tím vào dd sau điện phân dd có màu xanh * Điện phân dd hỗn hợp FeSO4 HCl (đ/c trơ) HCl → H+ + ClFeSO4 → Fe2+ + SO42H2O H+ + OH- Tại catot (-): Fe2+, H+ (axit), H+ (H2O); phản ứng đp xảy là: 2H+ + 2e → H2 (1) Fe2+ + 2e → Fe (2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH(3) - Tại anot (+): Cl-, OH- (H2O), SO42- ; phản ứng đp xảy là: 2Cl- → Cl2 + 2e (1’) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2’) - Ptđp: dienphan → H2 + Cl2 + Ban đầu: 2HCl ⎯⎯⎯⎯ (I) + Sau HCl điện phân hết, FeSO4 bị điện phân: 10 dienphan → 2Fe + O2 + 2H2SO4 (II) 2FeSO4 + 2H2O ⎯⎯⎯⎯ Khi H2O điện phân điện cực FeSO4 bị điện phân hết, dd cịn H2SO4, dd có mơi trường axit, cho quỳ tím vào dd có màu đỏ VD2: Viết ptpư điện phân xảy điện phân (đ/c trơ, màng ngăn) dd chứa a mol CuSO4 b mol NaCl trường hợp: b = 2a; b < 2a; b > 2a * Mô tả trình điện phân: - Ptđl: CuSO4 → Cu2+ + SO42NaCl → Na+ + ClH2O H+ + OH- Tại catot (-): Cu2+, H+ (H2O), Na+; phản ứng đp xảy là: Cu2+ + 2e → Cu (1) 2H2O + 2e → H2 + 2OH(2) - Tại anot (+): Cl-, OH- (H2O), SO42-; phản ứng đp xảy là: 2Cl- → Cl2 + 2e (1’) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2’) - Phương trình điện phân: dienphan → Na2SO4 + Cu + Cl2 (I) + Ban đầu: CuSO4 + 2NaCl ⎯⎯⎯⎯ + Khi b = 2a, theo pt (I) sau thời gian điện phân, CuSO điện phân hết NaCl vừa hết, dd Na2SO4, H2O tiếp tục bị điện phân điện cực (khi H2O điện phân hết trình điện phân dừng lại), ptđp là: dienphan → 2H2 + O2 (II) 2H2O ⎯⎯⎯⎯ + Khi b < 2a: Theo ptđp (I), NaCl điện phân hết trước, sau NaCl bị điện phân hết, CuSO4 dư tiếp tục bị điện phân theo pt: dienphan → 2Cu + O2 + 2H2SO4 (III) 2CuSO4 + 2H2O ⎯⎯⎯⎯ Khi CuSO4 bị điện phân hết, dd H2SO4, H2O tiếp tục bị điện phân điện cực (khi H2O hết trình điện phân dừng lại), ptđp là: dienphan → 2H2 + O2 (IV) 2H2O ⎯⎯⎯⎯ + Khi b > 2a: Theo ptđp (I), CuSO4 điện phân hết trước, sau CuSO4 bị điện phân hết, NaCl dư tiếp tục bị điện phân theo pt: dienphan 2NaCl + 2H2O ⎯⎯⎯⎯ → 2NaOH + H2 + Cl2 mangngan (V) Khi NaCl bị điện phân hết, dd NaOH, H2O tiếp tục bị điện phân (khi H2O hết trình điện phân dừng lại), ptđp là: 11 dienphan → 2H2 + O2 (VI) 2H2O ⎯⎯⎯⎯ VD3: Viết ptpư xảy điện phân (đ/c trơ, màng ngăn xốp) dd hỗn hợp gồm: HCl, CuCl2, NaCl Trong trình điện phân pH dd thay đổi nào? *Mơ tả q trình điện phân: - Phương trình điện li chất: HCl → H+ + ClCuCl2 → Cu2+ + ClNaCl → Na+ + ClH2O H+ + OH- Tại catot (-) có cation: Na+, Cu2+, H+ (axit), H+ (H2O) Phản ứng điện phân catot là: Cu2+ + 2e → Cu (1) 2H+ + 2e → H2 (2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH(3) - Tại anot (+) có anion: Cl-, OH- (của nước) Phản ứng điện phân anot là: 2Cl- → Cl2 + 2e (1) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2) - Phương trình điện phân: dienphan → Cu + Cl2 (I) + Ban đầu: CuCl2 ⎯⎯⎯⎯ Trong giai đoạn nồng độ ion H+ dd không thay đổi nên pH dd không thay đổi (dd có pH 7) + Khi NaCl bị điện phân hết, dd NaOH, H 2O tiếp tục bị điện phân điện cực: ... + Cl2 (Học sinh ghi nhớ: Điện phân dd axit không chứa Oxy axit bị điện phân Khi axit bị điện phân hết trình điện phân dừng lại cịn nước khơng dẫn điện) Ptđp: 2H2O → O2 + 2H2 (Học sinh ghi... khử CuO nung nóng, thu kim loại Cu c) Để hợp kim Fe-Ni khơng khí ẩm kim loại Ni bị ăn mịn điện hóa học d) Dùng dd Fe2(SO4)3 tách Ag khỏi hỗn hợp Ag Cu e) Cho Fe dư vào dd AgNO3, sau phản ứng thu... II Mơ tả q trình điện phân Điện phân hợp chất nóng chảy với điện cực trơ: (Giáo viên hướng dẫn học sinh viết phản ứng điện cực ptđp ba loại hợp hay gặp, điện phân nóng chảy để điều chế kim loại