lý thuyết tổng quát về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học-cao đẳng và học sinh giỏi (tỉnh, quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phâ

MỤC LỤC PHẦN 1: Lý do viết sang kiến kinh nghiệm……………………………… 2 PHẦN 2: Nội dung của sang kiến kinh nghiệm………………………… 3 2.1. Tình hình thực tế và biện pháp thực hiện……………………………….3 2.1.1. Tình hình thực tế trước khi thực hiện đề tài………………….…3 2.1.2. Biện pháp thực hiện đề tài…………………………………….…3 2.2. Nội dung……………………………………………………………… 3 2.2.1. Lí thuyết……………………………………………………… 3 2.2.2. Một số ví dụ minh họa……………………………………………7 2.2.3. Một số lí thuyết mở rộng về điện phân và ứng dụng……… 17 2.2.4. Cơ sở thực nghiệm 20 PHẦN 3. Kết luận và đề xuất………………………………………………. 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bài tập cở sở lí thuyết các quá trình hóa học-Vũ Đăng Độ chủ biên-Nhà xuất bản giáo dục 2. Bài tập hóa lí-Lâm Ngọc Thiềm- Trần Hiệp Hải-Nguyễn Thị Thu. 3. Bộ đề luyện thi đại học 1996 4. Đề thi đại học, cao đẳng các năm (từ 2007 đến 2012) 5. Đề thi học sinh giỏi tỉnh-quốc gia các năm (2001 đến 2012) 6. Hóa học đại cương- Lê Mậu Quyền- Nhà xuất bản giáo dục 7. Phản ứng điện hóa và ứng dụng-Trần Hiệp Hải-Nhà xuất bản giáo dục 2005 8. Sách giáo khoa hóa học 12-nâng cao-Nhà xuất bản giáo dục 2012 9. Tạp chí hóa học và ứng dụng các năm gần đây 1 PHẦN 1: LÝ DO VIẾT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM - Hoá học là môn khoa học cơ bản được giảng dạy ở các trường THCS, THPT. Đây là môn mà học sinh mới được trang bị kiến thức từ khi học lớp 8 bậc THCS. Tuy nhiên, đây cũng là môn thường xuyên sử dụng thi tốt nghiệp THPT và là một trong ba môn bắt buộc trong kì thi tuyển sinh vào ĐH, CĐ, THCN khối A, B. - Kể từ năm 2007, Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã chuyển cấu trúc thi tuyển sinh đại học, cao đẳng môn hoá học từ tự luận sang trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn 100%. Điều đó cũng đồng nghĩa trong vòng 90 phút, học sinh phải thật bình tĩnh để lựa chọn phương án trả lời tối ưu nhất trong thời gian ngắn nhất. Nắm bắt được điều đó, các giảng viên đại học, cao đẳng, các chuyên gia và các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm đã xuất bản rất nhiều sách và tài liệu tham khảo về các phương pháp giải nhanh trắc nghiệm. - Thông qua các đề thi đại học, cao đẳng hiện nay chúng tôi nhận thấy trong đề thi đại học cao đẳng luôn có 1 đến 2 câu liên quan đến điện phân. Đây là dạng toán khó mà học sinh hay bị lúng túng xử lí để có đáp án đúng. - Trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và quốc gia thông thường cũng hay có bài toán điện phân, theo thống kê của chúng tôi từ năm 2000 trở về đây có ít nhất một câu trong đề thi quốc gia liên quan đến điện phân-pin điện. - Qua 7 năm giảng dạy ở trường THPT kết hợp với những kiến thức tích luỹ được khi ngồi trên giảng đường đại học và cao học chúng tôi đúc kết được kinh nghiệm về giảng dạy bài điện phân đó là “ Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện phân”. Trong đề tài này phần nội dung chúng tôi đưa ra bốn phần chính đó là lý thuyết tổng quát về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học-cao đẳng và học sinh giỏi (tỉnh, quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phân. 2 PHẦN 2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1. Tình hình thực tế và biện pháp thực hiện 2.1.1. Tình hình thực tế trước khi thực hiện đề tài. - Qua những năm giảng dạy tại trường phổ thông và nhiều năm đi gia sư khi ngồi trên ghế giảng đường đại học, tôi nhận thấy rất nhiều học sinh khi làm bài tập điện phân thường hay lung túng-khúc mắc. Điều đó, sẽ mất nhiều thời gian làm bài và đôi khi không làm ra được kết quả do điện phân chỉ được học trong 1 tiết ở lớp 12. - Thực tế là học sinh hay giải bài tập phần điện phân nhầm do không hiểu hết các vấn đề của điện phân. Xác định không rõ vai trò, viết sai các quá trình oxi hóa-khử. - Vì vậy để nâng cao hiệu quả giải bài tập điện phân trong đề thi đại học- cao đẳng cũng như trong đề thi học sinh giỏi tỉnh-quốc gia chúng tôi chọn đề tài phương pháp giải bài tập điện phân này nhằm đưa học sinh tới hiểu thấu đáo hơn và giải quyết vấn đề tốt hơn. 2.1.2. Biện pháp thực hiện đề tài. 2.1.2.1. Những kiến thức cần trang bị. - Nắm vững quy tắc catot, anot - Viết được các quá trình khử và quá trình oxi hoá tại catot và anot - Áp dụng hệ quả định luật Farađây - Xử lí các dữ kiện bài toán: số mol, thể tích khí, khối lượng… 2.1.2.2. Những điểm cần lưu ý. - Trong điện phân thì số mol e nhường tại A bằng số mol e nhận tại K - Hằng số Farađây trong công thức: F = 96500 C·mol −1 ứng với t là s, F=26,8 ứng với t là h 2.2. Nội dung 2.2.1. Lí thuyết 2.2.1.1. Định nghĩa: Điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dụng dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy. Trong điện phân có 2 điện cực: - Cực âm (-) gọi là catot (kí hiệu K): tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e) - Cực dương (+) gọi là anot (kí hiệu A): tại đây xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e) * Bạn đọc chú ý: Catot cả trong điện phân và pin điện đều xảy ra quá trình oxi hóa, và Anot là nơi mà ở đó xảy ra quá trình khử Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl 2 : Ta có trong dung dịch: CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - Tại catot (K - ): Cu 2+ + 2e → Cu Tại anot (A + ): 2Cl - → Cl 2 + 2e 3 Phương trình điện phân: CuCl 2 dp → Cu + Cl 2 * Hai loại điện phân chủ yếu: điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch 2.2.1.2. Điện phân nóng chảy (muối, bazơ, oxit) a. Điện phân nóng chảy muối (chủ yếu là muối halogen của kim loại kiềm và kiềm thổ): Công thức muối: MX n (n là hóa trị của M, X= F, Cl, Br, I) MX n nc → M n+ + nX - Tại K (-): M n+ + ne → M Tại A (+): 2Cl - → Cl 2 + 2e Phương trình điện phân tổng quát : MX n dpnc → M + X 2 Ví dụ : Điện phân nóng chảy NaCl, CaCl 2 - Điện phân nóng chảy NaCl : NaCl nc → Na + + Cl - Tại K (-) : Na + + 1e → Na; Tại A (-): 2Cl - → Cl 2 + 2e Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl dpnc → 2Na + Cl 2 - Điện phân nóng chảy CaCl 2 : CaCl 2 nc → Ca 2+ + 2Cl - Tại K (-) : Ca 2+ + 2e → Ca; Tại A (-): 2Cl - → Cl 2 + 2e Phương trình điện phân tổng quát: CaCl 2 dpnc → Ca + Cl 2 b. Điện phân nóng chảy hiđroxit M(OH) n (M là kim loại kiềm, kiềm thổ) M(OH) n nc → M n+ + nOH - Tại K (-): M n+ + ne → M Tại A (+): 4OH - → 2H 2 O + O 2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 4M(OH) n dpnc → 4M + 2nH 2 O + nO 2 Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH: NaOH nc → Na + + nOH - Tại K (-): Na + + e → Na Tại A (+): 4OH - → 2H 2 O + O 2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 4NaOH dpnc → 4Na + 2H 2 O + O 2 c. Điện phân nóng chảy oxit kim loại M 2 O n M 2 O n nc → 2M n+ + nO 2- Tại K (-): M n+ + ne → M Tại A (+): 2O 2- → O 2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 2M 2 O n dpnc → 4M + nO 2 Ví dụ: Điện phân nóng chảy Al 2 O 3 Al 2 O 3 nc → 2Al 3+ + 3O 2- Tại K (-): Al 3+ + 3e→Al Tại A (+): 2O 2- → O 2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát: 2Al 2 O 3 dpnc → 4Al + 3O 2 2.2.1.3. Điện phân dung dịch 2.2.1.3.1. Vai trò của H 2 O trong điện phân: - Giúp chất điện li phân li ra ion - Vận chuyển các ion đến các điện cực - Có thể tham gia vào quá trình oxi hóa khử tại bề mặt các điện cực, tức tham gia vào quá trình điện phân, cụ thể: Tại K(-): 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 ↑ Tại A (+): 2H 2 O → 4H + + O 2 ↑ + 4e 2.2.1.3.2. Quy luật chung, quy tắc K, quy tắc A 4 Quy luật chung: - Ở catot (K): ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử, ví dụ: Tại K: Ag + ; Cu 2+ thì Ag + + 1e→Ag rồi mới đến Cu 2+ + 2e→Cu - Ở anot (A): ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa, ví dụ: Tại A: Br - ; Cl - thì 2Br - →Br 2 + 2e rồi mới đến 2Cl - →Cl 2 + 2e. a. Quy tắc ở K: Ở K có mặt cation kim loại M n+ và H + ( do nước hoặc axit phân li) thì: - Nếu M n+ là cation kim loại trước Al 3+ và Al 3+ thì cation này không nhận electron (không bị khử) mà cation H + nhận electron (bị khử): H + do nước phân li: 2H 2 O → ¬  2H + + 2OH - 2H + + 2e → H 2 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - H + do axit phân li: 2H + + 2e → H 2 - Nếu M n+ là cation kim loại sau Al 3+ thì cation nhận electron (bị khử) để tạo thành kim loại: M n+ + ne → M - Cation có tính oxi hóa càng mạnh thì càng dễ nhận e, ví dụ tại K(-) gồm: Ag + ; Fe 3+ ; Cu 2+ ; H + ; H 2 O thi thứ tự nhận electron sẽ như sau: Ag + + 1e → Ag (1) Fe 3+ + 1e → Fe 2+ (2) Cu 2+ + 2e → Cu (3) 2H + + 2e → H 2 (4) Fe 2+ + 2e → Fe (5) 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 (6) b. Quy tắc ở anot: Ở anot có mặt anion gốc axit và OH - (do nước và bazơ phân li) * Đối với anot trơ (là anot không tham gia vào quá trình phản ứng) - Nếu anot có mặt các anion: I - ; Br - ; Cl - ; S 2- ; RCOO - ; … thì các anion này sẽ nhường electron cho điện cực (bị oxi hóa) và anion có tính khử càng mạnh càng dễ nhường electron và thứ tự nhường electron đã được thực nghiệm tìm ra như sau: S 2- > I - > Br - > Cl - > RCOO - > H 2 O Ví dụ tại A(+): Cl - , I - ; H 2 O thì thứ tự nhường electron như sau: 2I - → I 2 + 2e (1); 2Cl - → Cl 2 + 2e (2); 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e (3) - Nếu anot có mặt các ion gốc axit vô cơ chứa O như: NO 3 − ; SO 4 2- ; CO 3 2- ; và F - ; OH - thì những anion này không nhường electron (không bị oxi hóa) mà H 2 O sẽ nhường electron thay: 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e * Đối với anot hoạt động: đó là anot làm bằng các kim loại Cu, Zn, thì các anot sẽ tham gia vào quá trình oxi hóa, nó sẽ nhường electron thay cho các anion: Zn → Zn 2+ +2e; Cu → Cu 2+ +2e Chú ý: Hiện tượng dương cực tan thì: Độ tăng khối lượng tại K = độ giảm khối lượng tại A Ví dụ 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân tổng quát khi điện phân điện phân điện cực trơ: a. dung dịch FeCl 2 b. dung dịch CuSO 4 c. dung dịch NaCl d. dung dịch KNO 3 5 Hướng dẫn giải: a. FeCl 2 → Fe 2+ + 2Cl - Tại K (-): Fe 2+ ; H 2 O: Fe 2+ + 2e → Fe Tại A(+): Cl - ; H 2 O: 2Cl - → Cl 2 +2e Phương trình điện phân tổng quát: FeCl 2 dddp → Fe + Cl 2 ↑ b. CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- Tại K (-): Cu 2+ ; H 2 O: Cu 2+ + 2e → Cu Tại A (+): SO 4 2- ; H 2 O: 2H 2 O → 4H + + O 2 ↑ + 4e Phương trình điện phân tổng quát: 2Cu 2+ + 2H 2 O dpdd → 2Cu + 4H + + O 2 ↑ hay 2CuSO 4 + 2H 2 O dpdd → 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2 ↑ c. NaCl → Na + + Cl - Tại K (-): Na + ; H 2 O: 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 ↑ Tại A (+): Cl - ; H 2 O: 2Cl - → Cl 2 ↑ + 2e Phương trình điện phân tổng quát: 2Cl - + 2H 2 O dpdd → 2OH - + H 2 ↑ + Cl 2 ↑ hay: 2NaCl + 2H 2 O dpdd → 2NaOH + H 2 ↑ + Cl 2 ↑ d. KNO 3 → K + + NO 3 - Tại K (-): K + ; H 2 O: 2H 2 O → 4H + + O 2 ↑ + 4e Tại A (+): NO 3 - ; H 2 O: 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 ↑ Phương trình điện phân tổng quát: 2H 2 O dpdd → 2H 2 ↑ + O 2 ↑ Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối: - dung dịch muối của ion kim loại sau Al 3+ và ion gốc axit không chứa O ( trừ F - ) thì pH dung dịch không đổi - dung dịch muối ion kim loại sau Al 3+ và ion gốc axit chứa O, F - thì pH dung dịch giảm dần do tạo ra H + - dung dịch muối ion kim loại trước Al 3+ và ion gốc axit không chứa O ( trừ F - ) thì pH dung dịch tăng dần do tạo ra OH - - dung dịch muối ion kim loại trước Al 3+ và ion gốc axit chứa O, F - thì pH dung dịch không đổi Ví dụ 2: Viết phương trình điện phân dung dịch CuSO 4 với điện cực anot là Cu. Hướng dẫn giải: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 - Tại K (-): Cu 2+ ; SO 4 - : Cu 2+ + 2e → Cu Tại A (+) là Cu: SO 4 2- ; H 2 O: Cu → Cu 2+ + 2e Phương trình điện phân tổng quát: Cu + Cu 2+ → Cu↓ + Cu 2+ (A) (K) Ví dụ 3: Viết phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO 4 a mol; NaCl b mol trong các trường hợp: a. b = 2a b. b > 2a c. b < 2a Hướng dẫn giải: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 - NaCl → Na + + Cl - Tại K (-): Cu 2+ ; Na + ; H 2 O: Cu 2+ + 2e → Cu 6 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 ↑ Tại A (+): Cl - ; SO 4 2- ; H 2 O: 2Cl - → Cl 2 ↑ +2e 2H 2 O → 4H + + O 2 ↑ + 4e a. b = 2a thì: Cu 2+ + 2Cl - dddp → Cu + Cl 2 ↑ hay CuSO 4 + 2NaCl dddp → Cu + Cl 2 ↑ + Na 2 SO 4 sau đó: 2H 2 O dddp → 2H 2 ↑ + O 2 ↑ b. b > 2a thì: Cu 2+ + 2Cl - dddp → Cu + Cl 2 ↑ hay CuSO 4 + 2NaCl dddp → Cu + Cl 2 ↑ + Na 2 SO 4 sau đó: 2Cu 2+ + 2H 2 O dpdd → 2Cu + 4H + + O 2 ↑ hay 2CuSO 4 + 2H 2 O dpdd → 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2 ↑ c. b < 2a thì: Cu 2+ + 2Cl - dddp → Cu + Cl 2 ↑ hay CuSO 4 + 2NaCl dddp → Cu + Cl 2 ↑ + Na 2 SO 4 sau đó: 2Cl - + 2H 2 O dpdd → 2OH - + H 2 ↑ + Cl 2 ↑ Hay: 2NaCl + 2H 2 O dpdd → 2NaOH + H 2 ↑ + Cl 2 ↑ 2.2.1.4. Biếu thức định luật Farađây Dùng để tính khối lượng các chất thoát ra ở điện cực, giả sử tại điện cực A hay K thoát ra chất X, ta có: X A . . m . X e I t n F = (gam) hay n X = . e I t n F (mol) (1) Với: A X là khối lượng mol của X (gam/mol) n e là số electron trao đổi tại điện cực I là cường độ dòng điện (A) F hằng số Farađây : F = 96500 (Culong/mol.s) nếu t tính bằng giây (second) hoặc F =26,8 nếu t tính bằng giờ (hour) t (times) : thời gian tính bằng giây (s) hoặc giờ (h) Chú ý: - Khi tính theo (1) thì phương trình điện cực các chất ở điện cực phải viết theo hệ số nguyên tối giản. - Từ (1) ta có: ( ). . ( / ) X e X m gI t n F A g mol = = số mol electron trao đổi đây là hệ quả rất quan trọng ta sẽ sử dụng đề tính toán trong các bài tập điện phân. - Điện phân là quá trình oxi hóa khử nên số mol electron nhường tại A= số mol electron nhận tại K. 2.2.2. Một số ví dụ minh họa 2.2.2.1. Ví dụ cơ bản Ví dụ 1:(Trích đề thi đại học khối A năm 2012). Điện phân 150 ml dung dịch AgNO 3 1M với điện cực trơ trong t giờ, cường độ dòng điện không đổi 2,68A (hiệu suất quá trình điện phân là 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khí Z. Cho 12,6 gam Fe vào Y, sau khi các phản ứng kết thúc thu được 14,5 gam hỗn hợp kim loại và khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N +5 ). Giá trị của t là A. 0.8. B. 0,3. C. 1,0. D. 1,2. 7 Hướng dẫn giải: Phương trình điện phân: 4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + O 2 + 4HNO 3 (1) Dung dịch Y gồm: AgNO 3 , HNO 3 . Cho Fe + dd Y sau phản ứng thu được 14,5g hỗn hợp kim loại nên Fe dư có các phản ứng: 3Fe + 8HNO 3 → 3Fe(NO 3 ) 3 + 2NO + 4H 2 O (2) Fe + 2AgNO 3 → Fe(NO 3 ) 2 + 2Ag (3) Gọi x là số mol AgNO 3 bị điện phân→ nHNO 3 = x, dung dịch Y: HNO 3 : x mol; AgNO 3 dư: 0,15 –x mol. Theo (2,3) nFe phản ứng = 3x/8 + (0,15-x)/2 = 0,075 –x/8 mol nAg = 0,15 – x mol Vậy m hỗn hợp kim loại = mFe dư + mAg =12,6 –(0,075-x/8).56 +(0,15-x).108 =14,5 Suy ra: x= 0,1 mol. Ta có mAg = 108.2,68. 1.26,8 t = 0,1.108 → t = 1,0 h Ví dụ 2: (Trích đề thi đại học khối B năm 2012). Người ta điều chế H 2 và O 2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dòng điện 0,67 A trong thời gian 40 giờ. Dung dịch thu được sau điện phân có khối lượng 100 gam và nồng độ NaOH là 6%. Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phân là (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể) A. 5,08% B. 6,00% C. 5,50% D. 3,16% Hướng dẫn giải: Điện phân dung dịch NaOH chính là sự điện phân H 2 O, phương trình điện phân: 2H 2 O dpNaOH → 2H 2 + O 2 (1) Số mol e trao đổi = 0,67.40 26,8 = 1 mol Tại K(-): 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 → nH 2 = 0,5 mol Tại A (+): 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e → nO 2 = 0,25 mol Vậy m dung dịch trước điện phân = 100 + 0,5. 2 + 0,25.32 = 109 gam Ta có mNaOH không đổi = 100.6/100 = 6 gam Vậy C M (NaOH) trước điện phân = 6.100% 109 ≈ 5,50 % Ví dụ 3: (Trích đề thi đại học khối B năm 2009). Điện phân nóng chảy Al 2 O 3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100%) thu được m kg Al ở catot và 67,2 m 3 (ở đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16. Lấy 2,24 lít (ở đktc) hỗn hợp khí X sục vào dung dịch nước vôi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa. Giá trị của m là A. 108,0 B. 75,6 C. 54,0 D. 67,5 Hướng dẫn giải: Al 2 O 3 nc → 2Al 3+ + 3O 2- Tại K (-): Al 3+ + 3e→Al Tại A (+): 2O 2- → O 2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát: 2Al 2 O 3 dpnc → 4Al + 3O 2 O 2 tạo ra đốt cháy A bằng than chì tạo khí X: CO, CO 2 , O 2 (dư) 8 Gọi x, y, z là số mol CO, CO 2 , O 2 dư trong 2,24 lít X. Khi sục X qua nước vôi trong dư có phản ứng: CO 2 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O (1) Ta có hệ phương trình: 2 / 3 0,1 28 44 32 16 2( ) 0,02 X X H n x y z x y z d x y z nCaCO y  = + + =  + +  = =  + +   = =  từ đó có: x = 0,06; y = z = 0,02. Vậy 2,24 lít X có 0,06.1 + 0,02.2+ 0,02.2 = 0,14 mol O 67,2 m 3 X có 67,2.0,14 2,24 = 4,2 kmol O Từ đó có: nAl = 2 3 nO = 2,8 kmol → m= 2,8. 27 = 75,6 kg Bạn đọc chú ý: Ở đây chúng tôi sử dụng: (lít) tương ứng với (mol), còn (m 3 ) tương ứng với (kmol) (kilo mol) Ví dụ 4: (Trích đề thi đại học khối A năm 2011). Điện phân dung dịch gồm 7,45 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO 3 ) 2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khí khối lượng dung dịch giảm đi 10,75 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Tất cả các chất tan trong dung dịch sau điện phân là A. KNO 3 và KOH. B. KNO 3 , KCl và KOH. C KNO 3 và Cu(NO 3 ) 2 . D. KNO 3 , HNO 3 và Cu(NO 3 ) 2 . Hướng dẫn giải: Ta có: nKCl= 0,1 mol; nCu(NO 3 ) 2 = 0,15 mol Phương trình phân li: KCl → K + + Cl - Cu(NO 3 ) 2 → Cu 2+ + 2NO 3 - Taị K (-): Cu 2+ , K + , H 2 O: Cu 2+ + 2e → Cu (1) Tại A (+): Cl - ; NO 3 - ; H 2 O: 2Cl - → Cl 2 + 2e (2) 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e (3) Nếu tại K mà Cu 2+ phản ứng hết ta có: n e nhận ≥ 0,15.2 = 0,3 mol và hiển nhiên tại A thì Cl - hết → m dung dịch giảm ≥ mCu + mCl 2 = 13,15 gam > m dung dịch giảm đề cho nên Cu 2+ phải dư. Nếu tại A mà Cl - dư thì n e nhường ≤ 0,1 mol, lúc đó nCu ở K ≤ 0,1/2 = 0,05 mol nên m dung dịch giảm ≤ 0, 05.71 + 0,05. 64 = 6,75 gam < m dung dịch giảm đề cho nên Cl - phải hết. Vậy dung dịch sau điện phân gồm: Cu 2+ dư, K + ; H + tạo ra và NO 3 - hay gồm D. KNO 3 , HNO 3 và Cu(NO 3 ) 2 . Ví dụ 5: (Trích đề thi đại học khối A năm 2011). Hòa tan 13,68 gam muối MSO 4 vào nước được dung dịch X. Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khí ở anot. Còn nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là 0,1245 mol. Giá trị của y là A. 4,480 B. 3,920 C. 1,680 d. 4,788 9 Hướng dẫn giải: MSO 4 → M 2+ + SO 4 2- Tại K (-): M 2+ ; H 2 O: M 2+ + 2e → M (1) 2H 2 O + 2e → 2OH - + H 2 ↑ (2) Tại A (+): SO 4 2- ; H 2 O: H 2 O → 2H + + 1/2O 2 ↑ + 2e Tại thời gian t giây có 0,035 mol khí tại A nên 2t giây có 0,07 mol khí tại A và số mol e nhường =0,07.4 = 0,28 mol → khí tại K: 0,1245 – 0,07 = 0,0545 mol và n e (2) = 0,109 mol và n e (1)= 0,171 mol→ nM 2+ = 0,0855 mol và M MSO4 = M + 96 = 160 → M=64 là Cu. Tại thời gian t giây thì số mol e nhường = 0,035.4 = 0,14 mol < 2nCu 2+ nên lúc đó Cu 2+ dư và Cu tạo ra = 0,14/2 = 0,07 mol → y =4,480 gam 2.2.2.2. Ví dụ chuyên sâu Ví dụ 1: (Trích đề thi HSGQG năm 2011). Ở 25 0 C, cho dòng điện một chiều có cường độ 0,5A đi qua bình điện phân chứa 2 điện cực platin nhúng trong 200 ml dung dịch gồm Cu(NO 3 ) 2 0,020M, Co(NO 3 ) 2 1,0 M, HNO 3 0,010M. 1. Viết phương trình các nửa phản ứng có thể xảy ra trên catot và anot trong quá trình điện phân 2. Khi 10% lượng ion kim loại đầu tiên bị điện phân, người ta ngắt mạch và nối đoản mạch hai điện cực của bình điện phân. Hãy cho biết hiện tượng xảy ra và viết phương trình phản ứng minh họa. 3. Xác định khoảng thế của nguồn điện ngoài đặt vào catot để có thể điện phân hoàn toàn ion thứ nhất trên catot (coi quá trình điện phân là hoàn toàn khi nồng độ của ion bị điện phân còn lại trong dung dịch là 0,005% so với nồng độ ban đầu). 4. Tính thể tích khí thoát ra (đktc) trên anot khi điện phân được 25 phút. Khi đó, giá trị thế catot là bao nhiêu? Chấp nhận: Áp suất riêng của khí hidro pH 2 = 1 atm; khi tính toán không kể đến quá thế; nhiệt độ dung dịch không đổi trong suốt quá trình điện phân. Cho: E 2 0 /Cu Cu + = 0,337 V; E 2 0 /Co Co + = -0,277V; hằng số Faraday F = 96500 C.mol -1 ; ở 25 0 C: 2,303 RT F =0,0592. Hướng dẫn giải: 1. Phương trình các nửa phản ứng trên catot và anot Các quá trình có thể xảy ra trên catot (-): Cu 2+ + 2e → Cu↓ (1) 2H + + 2e → H 2 ↑ (2) Co 2+ + 2e → Co↓ (3) Quá trình xảy ra trên anot (+): 2H 2 O → 4H + + O 2 ↑ + 4e (4) 2. Theo phương trình Nerst: 2 2 0 2 / / 0,0592 log[ ] 2 Cu Cu Cu Cu E E Cu + + + = + = 0,287V 2 2 0 2 / / 0,0592 log[ ] 2 Co Co Cu Cu E E Co + + + = + =-0,277V 10 [...]... 2009) Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, hiệu suất điện phân 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây Dung dịch thu được sau điện phân có khả năng hoà tan m gam Al Giá trị lớn nhất của m là A 4,05 B 2,70 C 1,35 D 5,40 16 2.2.3 Một số lí thuyết mở rộng về điện phân và ứng dụng 2.2.3.1 Thế phân giải và quá thế Điện phân là sự phân hủy... bảng phân tích đó ta thấy rằng nếu học sinh được học dạng toán điện phân theo chúng tôi trình bày thì kết quả nắm bài sẽ tốt hơn, phát hiện được vấn đề nhanh hơn, và hầu hết làm tốt bài tập điện phân Chúng tôi nhận thấy rằng khi cho bài tập điện phân học sinh áp dụng rất nhanh với các bài trắc nghiệm có em chỉ nhẩm ra trên máy tính mà không cần phải viết phương trình điện phân PHẦN 3 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT... là một đề tài khó chúng tôi đã cố gắng đưa ra phương pháp giải nhanh và ngắn gọn áp dụng một cách linh hoạt mà gần như học sinh có thể hiểu được ngay khi được học - Từ kết quả thực nghiệm sư phạm ta thấy được hiệu quả của sáng kiến “Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện phân” có thể được sử dụng để ôn luyện thi đại học - cao đẳng, thi học sinh giỏi cấp trường, cấp tỉnh và quốc gia... dùng trong phòng thí nghiệm là 68% Ví dụ 6: (Trích đề thi đại học khối A năm 2010) Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl và CuSO4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là A khí Cl2 và O2 B khí H2 và O2 C chỉ có khí Cl2 D khí Cl2 và H2 Ví dụ 7: (Trích đề thi đại học khối A năm 2010) Điện phân (điện. .. tác dụng của dòng điện một chiều Khi nối nguồn điện một chiều với hai điện cực nhúng trong chất điện ly nóng chảy hay dung dịch chất điện ly ở các điện cực của bình điện phân xảy ra các quá trình oxi hóa và khử làm cho chất bị phân hủy Như vậy quá trình diễn ra ở đây ngược lại ở trong pin điện: dòng điện ở pin là do phản ứng oxi hóa khử sinh ra Phản ứng trong pin tự phát xảy ra còn phản ứng điện phân... Những thế hiệu 2,12V; 1,02V và 1,36V được gọi là thế phân giải của ZnCl2 , CuCl2 và HCl tương ứng ở trong dung dịch 1M Vậy thế hiệu tối thi u của dòng điện một chiều cần đặt vào các điện cực trơ để gây nên sự điện phân chất gọi là thế phân giải (kí hiệu là U) Những thế phân giải của các chất trên đây đúng bằng sức điện động của các pin tương ứng Thế phân giải của ZnCl2 trong dung dịch: 0 0 U = ECl... thử nghiệm áp dụng đối giảng dạy từ năm học 2008-2009 đối với học sinh lớp 11 trường THPT Hoằng Hóa 4, và đã đạt được chất lượng rất khả quan cả trong thi học sinh giỏi cũng như thi đại học Kết quả áp dụng đối với lớp 12 năm học 2009-2010: - Thi học sinh giỏi tỉnh casio và văn hóa đạt 100% trong đó: casio: 2 nhì, 1 ba, 2 khuyến khích; còn văn hóa 2 nhất, 7 nhì, 1 khuyến khích - Thi đại học đạt kết quả... dung dịch nước của các chất sau đây với điện cực trơ: dpdd → 2NaCl + 2H2O  2NaOH + Cl2 + H2 dpdd CuSO4 + H2O  Cu + H2SO4 + → 1 O2 2 Và sự phân hủy nước khi điện phân dung dịch H2SO4, NaOH, Na2SO4 dpdd H2O  H2 + → 1 O2 2 Kiềm , axit, muối chỉ có tác dụng tăng độ dẫn điện 2.2.3.3 Ứng dụng của điện phân Phương pháp điện phân được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất và trong phòng thí... cation và anion ở các điện cực trơ thực tế bằng thế điện cực của nguyên tố tương ứng Nhưng thế phân giải của một vài ion như Fe2+ , Ni2+ , H+ và OH- (hay H2O) về giá trị tuyệt đối rất lớn hơn thế của điện cực tương ứng Khi điện phân dung dịch của chất chứa các ion đó ở trong 2 2 2 − 2+ − 2+ − + 2 17 nước, người ta phải dùng dòng điện có thế hiệu cao hơn so với suất điện động E của pin tương ứng Thế hiệu... Thế phân giải của CuCl2 trong dung dịch: 0 0 U = ECl /2Cl − ECu / Cu = 1,36 – 0,34 = + 1,02 V Thế phân giải của HCl trong dung dịch: 0 0 U = ECl /2Cl − EH / H = 1,36 – 0 = + 1,36 V Từ đó ta thấy thế phân giải của chất bao gồm thế phân giải cation và thế phân giải anion Thế phân giải của ion là thế tối thi u cần đặt vào điện cực để ion đó tích điện hay phóng điện Thế phân giải của đại đa số cation và . tổng quát về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học- cao đẳng và học sinh giỏi (tỉnh, quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phân. 2 PHẦN 2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN. quả giải bài tập điện phân trong đề thi đại học- cao đẳng cũng như trong đề thi học sinh giỏi tỉnh -quốc gia chúng tôi chọn đề tài phương pháp giải bài tập điện phân này nhằm đưa học sinh tới hiểu. dục 2. Bài tập hóa lí-Lâm Ngọc Thi m- Trần Hiệp Hải-Nguyễn Thị Thu. 3. Bộ đề luyện thi đại học 1996 4. Đề thi đại học, cao đẳng các năm (từ 2007 đến 2012) 5. Đề thi học sinh giỏi tỉnh -quốc gia các