tổ chức ngoại khóa nghiên cứu phần điện phân trong bài điều chế kim loại

Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn A. ĐẶT VẤN ĐỀ I. Lời mở đầu : Qua nhiều năm giảng dạy lớp khối 12 và tham gia ôn luyện thi đại học, trung học chuyên nghiệp, tôi nhận thấy phải có một bài soạn ngắn gọn, phù hợp với điều kiện và khả năng tiếp thu của học sinh. Trong đó phần điện phân là một vấn đề khó mà đa số học sinh đều lưu ý và cần được hướng dẫn cẩn thận . Nếu chỉ để học sinh học theo SGK và thầy dạy theo SGK về phần điện phân trong bài điều chế kim loại thì tất nhiên học sinh sẽ không giải quyết trọn vẹn một số bài toán có liên quan đến điện phân . II. Thực trạng vấn đề nghiên cứu . 1. Thực trạng : Qua thực tế những năm trước đây chưa có bài giảng ngoại khoá ngoài thì trong quá trình hướng dẫn học sinh gặp rất nhiều khó khăn. Nhận thức về điện phân là rất mơ hồ. 2. Kết quả, hiệu quả của thực trạng trên . Để đáp ứng nhu cầu của học sinh, góp phần giải trọn vẹn những đề thi đại học và trung học chuyên nghiệp. Tôi đã mạnh dạn nghiên cứu tài liệu để biên soạn bài ngoại khoá nghiên cứu này và đã sử dụng trong nhiều năm. Kêt quả tiếp thu phần điện phân của học sinh lớp 12 đã năng lên rõ rệt ( qua kiểm tra đối chứng hàng năm, giữa giai đoạn chưa cung cấp và sau khi ngoại khoá phần điện phân này ) Với sự tìm tòi, tự kiểm chứng và bài soạn mang tính chất tự phục vụ trong phạm vi hẹp, nên chắc chắn còn có thiếu sót không tránh khỏi, mong quý vị thông cảm . Trang 1 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Các giải pháp thực hiện . 1. Cơ sở kiến thức : a. Phương pháp điện phân dùng để điều chế kim loại là một phần của điện phân nói chung . - Phương pháp điện phân : dùng dòng điện một chiều trên ca tốt ( cực âm ) để khử ion kim loại trong hợp chất. Bằng phương pháp này có thể điều chế được hầu hết các kim loại với độ tinh khiết cao. b. Bằng điện phân có thể dùng điều chế kim loại, mạ kim loại, tinh chế và tách kim loại ra khỏi nhau. c. Bản chất của quá trình điện phân là quá trình cho nhận e gián tiếp ( qua các điện cực ) phải nhờ điện cực bên ngoài và quá trình không tự diễn biến Vậy phản ứng trong quá trình điện phân giống và khác nhau với phản ứng ôxi hoá khử : - Đều là các quá trình cho nhận e ( là các quá trình ôxi hoá - khử ) - Phản ứng ôxi hoá khử : sự cho nhận e xảy ra trực tiếp do va chạm của các nguyên tử , phân tử ion và quá trình tự diễn biến còn quá trình điện phân không tự diễn biến mà phải nhờ dòng điện bên ngoài . 2. Các trường hợp điện phân 2.1. Điện phân nóng chảy : Muối – oxit – kiềm dùng để điều chế kim loại hoạt động : K – AI 2.1.1. Muối Halogen . MX n → M + 2 n X 2 ↑ 2.1. 2 Ôxít : R X O Y → x R + y O 2 ↑ 2 Trang 2 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn 2.1. 3. Hyđrô xít kim loại kiềm: 4 MOH → 4M +O 2 ↑ + 2 H 2 O Ví dụ minh hoạ: a, Ôxít : Al 2 O 3 = 2Al 3+ + 3O 2- Ca tốt ( - ) : Al 3t + 3 e = Al 4 A nốt ( + ) : 2O 2 - 4 e = O 2 3 PTĐP : 2Al 2 O 3 đ pnc 4 Al + 3O 2 ↑ b, Muối Halogen : NaCl nc Na + + Cl — Catốt ( - ) : Na + + 1e = Cl 2 A nốt ( + ) : 2 Cl - – 2e = Cl 2 1 PTĐP : 2 NaCl đpnc 2 Na + CI 2 c, Hyđrôxit NaOH đ pnc Na + + OH - Ca tốt ( - ) : Na + + 1e = Na 4 A nốt ( + ) : 4 OH - – 4 e = O 2 + 2H 2 O 1 PTĐP : 4 NaOH đpnc 4Na + 2 H 2 O + O 2 ↑ ( Có 1 phần nhỏ Na + H 2 O ) Trang 3 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn 2 . 2. Điện phân dung dịch : Chủ yếu để điều chế các kim loại trung bình và yếu từ sau AI trở đi( Zn → Hg ) 2.2.1 Quá trình điện phân xảy ra ở Catốt ( - ) : K + , Na + ….AI 3+ không tham gia điện phân . Zn 2+ H + … Cu 2+ ; Fe 3+ / Fe 2+ ; Hg + / Hg ; Ag + / Ag ; Hg 2+ / Hg tham gia điện phân . Nếu ở Ca tốt chỉ có các ion K +  AI 3+ thì H 2 O điện phân 2 H 2 O + 2e = H 2 ↑ + 2 OH — Nếu ở Ca tốt có Zn 2+ … Hg 2+ thì chúng tham gia điện phân M n+ + ne = M ↓ Kết luận chung :Các ion có tính ôxi hoá càng cao thì khả năng nhận e càng lớn ( đễ bị điện phân trước ) theo thứ tự : Hg 2+ → Ag + – ( Fe 3+ → Fe 2+ )Cu 2+ H + …. Fe 2+ e 3+ Zn 2+ Khả năng nhận e giảm dần ( Thứ tự điện phân từ trái sang phải ) Nếu ( H + ) nhỏ hoặc môi trường trung tính thì đồng thời xảy ra cả quá trình khử 2H + H 2 + và khử ion KL → kim loại ( Tất nhiên trong dung dịch K + , Na + … Mg 2+ , AI 3+ không điện phân ) 2 2.2. Phản ứng điện phân xảy ra ở Anốt ( + ) ( trơ ) : Các anion có tính khử càng mạnh ( khả năng nhường e càng lớn ) thì dễ bị điện phân trước, cụ thể thứ tự điện phân là : S 2 - → I - → Br - → CI - … sau đó tới OH - của kiềm hoặc của H 2 O Lưu ý : Các Anion: NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- ; PO 4 3- coi như không bị điện phân . Trang 4 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn Điện cực anốt : Anốt trơ Có hai trường hợp Anốt tan Các phản ứng điện phân xảy ra ở Anốt trên với điều kiện là A nốt trơ . Tổng quát Anốt trơ : 1 0 . Ion âm ( anion ) không có ôxi : CI, Br, I , S 2 -… thì tham gia điện phân Ví dụ : 2 CI – 2e = CI 2 2 0 . Ion âm có ôxi ( SO 4 2- ; NO 3 ; PO 4 3- …) không tham gia phản ứng mà H 2 O điện phân H 2 O – 2e = 2H + + 2 1 O 2 ↑ Với Anốt tan là Anốt làm bằng kim loại cùng tên với kim loại trong chất điện phân : kim loại của anốt nhường e tạo ion dương vào dung dịch chuyển về ka tốt thu e tạo kim loại bám vào Ka tốt : chất điện phân không tham gia điện phân . 3 0 . Ứng dụng Anốt tan để mạ kim loại . 3. Một số ví dụ minh hoạ về điện phân dung dịch : 3.1. Điện phân dung dịch chứa một chất điện phân . Ví dụ 1 : Điện phân dung dịch NaCI Dung dịch NaCI NaCI = Na + + CI- H 2 O H + + OH - Ka tốt ( - ) A nốt ( + ) Na + CI H 2 O H + + OH - H 2 O H + OH - 2H + +2e = H 2 ↑ 2 CI - - 2e = CI 2 ↑ ( 2H 2 O + 2 e = H 2 ↑ + 2 OH- ) Trang 5 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn PTĐP : 2 NaCI + 2 H 2 O đp có màng ngăn H 2 ↑ + CI 2 ↑ + 2 NaOH Hoặc : NaCI = Na + + CI - H 2 O H + + OH Ca tốt ( - ) 2H + + 2e = H 2 ↑ 1 ( 2 H 2 O + 2 e = H 2 ↑ + 2 OH - ) Anốt ( + ) 1 2CI - 2 e = CI 2 PTĐP thu gọn : 2 CI + 2 H 2 O đp có màng ngăn H 2 ↑ + CI 2 ↑ + 2 OH - PTĐP : 2 NaCI + 2 H 2 O đpm.n H 2 ↑ + CI 2 ↑ + 2 NaOH Ví dụ 2 : Điện phân dung dịch CuCI 2 CuCI 2 = Cu 2+ + 2CI- H 2 O H + + OH - - Ca tốt ( - ) : Cu 2+ + 2 e = Cu 1 A nốt ( + ) : 2 CI - - 2 e = CI 2 1 PTĐP: CuCI 2 đpdd Cu + CI 2 ↑ Ví dụ 3 : Điện phân dung dịch Cu SO 4 . Cu SO 4 = Cu 2+ + SO 4 2 - H 2 O H + + OH - Ca tốt ( - ) : Cu 2+ + 2e = Cu 2 A nốt ( + ) : 2 H 2 O - 4e = O 2 1 ( 4 OH - - 4e = O 2 ↑ + 2 H 2 O ) PTĐP : 2 Cu 2 + + 2 H 2 O = 2 Cu + O 2 ↑ + 4 H + Hay : 2 Cu SO 4 + 2 H 2 O = 2 Cu + O 2 ↑ + 2 H 2 SO 4 Trang 6 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn Ví dụ 4 : Điện phân dung dịch muối kim loại kiềm với gốc a xít chứa ôxy ( I on kim loại kiềm + a ni on SO 4 2 ) Điện phân dung dịch Na 2 SO 4 ( hoặc dung dịch K 2 SO 4 ) Na SO 4 = 2 Na + + SO 4 2- H 2 O H + + OH Ka tốt ( - ) 2 H 2 O + 2 e = H 2 ↑ + 2 OH - 2 A nốt ( + ) 2 H 2 O - 4 e = O 2 ↑ + 4 H + 1 2 H 2 O → 2 H 2 ↑ + O 2 ↑ 3. 2 Điện phân dung dịch chứa nhiều chất điện phân . Ví dụ : Điện phân dung dịch chứa ( điện cực trơ… ) KBr ; MgSO 4 ; CuCI 2 ; FeCI 3 ; HCI ; Cu SO 4 Phương trình điện ly : KBr = K + Br - MgSO 4 = Mg 2+ + SO 4 2 - Cu SO4 = Cu 2+ + SO 4 2 - CuCI 2 = Cu 2+ + 2 CI - FeCI 3 = Fe 3+ + 3 CI - HCI = H + + CI - H 2 O H + + OH - Thứ tự điện phân ở Catốt lần lượt : Fe 3+ + 1e = Fe 2 + Cu 2 + + 2 e = Cu 2 H + + 2e = H 2 ↑ Fe 2+ + 2e = Fe 2 H 2 O + 2e = H 2 ↑ + 2 OH - ( 2 H + + 2e = H 2 ↑ ) Trang 7 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn Thứ tự điện phân ở a nốt ( - ) lần lượt : 2 Br - - 2 e = Br 2 2 CI - - 2 e = CI 2 2 H 2 O - 4 e = O 2 + 4 H + ( 4 OH - - 4 e = O 2 ↑ + 2 H 2 O 3 . 3 Điện phân dung dịch với a nốt tan . Ví dụ : Điện phân dung dịch Ni SO 4 với Anốt là Ni Dung dịch : Ni SO 4 → Ni 2 + + SO 4 2 - H 2 O = H + + OH – Ca tốt ( - ) : Ni 2 + + 2 e = Ni bám vào Ca tốt A nốt ( + ) : Ni - 2 e = Ni 2 + tan vào dung dịch Kết quả : [ Ni 2 + ] không thay đổi trong dung dịch SO 4 2 - , H 2 O ở Anốt không xảy ra điện phân ( ứng dụng điện phân dung dịch với A nốt để mạ kim loại ) . 4 . Điện phân các bình điện phân mắc nối tiếp : Các bình điện phân mắc nối tiếp chú ý : sự thu hút hoặc nhường e ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở cực cùng tên tỉ lệ với nhau . Ví dụ : Bình 1.: Ag NO 3 Bình 2 : Cu SO 4 bình 1 và bình 2 mắc nối tiếp thì : Bình 1 : 2 Ag + + 2 e = 2 Ag Bình 2 : Cu 2 + + 2 e = Cu Và n Ag = 2 n Cu ( hay số mol Ag tạo thành bằng 2 lần số mol của Cu ) Trang 8 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn 5. Định luật FARADAY : AI t m = n F m: Lượng chất thoát ra ở điện cực ( Tính theo gam ) A : Khối lượng mol nguyên tử ( hay ion ) ( Nếu là khí thoát ra thì A : KL phân tử ) Ví dụ : O 2 ; A = 32 I : Cường độ tính theo am pe t : Thời gian ( s ) F : Số Faraday : 96.500 cu lông n : là e tham gia ở điện cực Ví dụ I : Điện phân dung dịch CuSO 4 Ca tốt ( - ) Cu 2 + + 2e = Cu A nốt ( + ) 2 H 2 O - 4 e = O 2 ↑ + 4 H + Ca tốt : Cu 2+ + 2 e = Cu thì n = 2 ; A = 64 A nốt : 2 H 2 O - 4 e = O 2 ↑ + 4 H + thì n = 4 ; A = 32 Ví dụ 2 : Fe 3+ + 1 e = Fe 2 + thì n = 1 ; A = 56 Q = It gọi là điện lượng ; Q tính theo cu lông F = 96.500 đơn vị cu lông khi thời gian điện phân tính theo giây 96500 F = 26,8 = 26,8 3600 A Trang 9 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn Là đương lượng điện hoá = K n F Ait m It m = = = n n F A n F A n A sô moI chất thoát ra ở điện cực . AI t m = 96500 n 6 . Hiệu suất điện phân M T T h% = . 100 % M L T Mật độ dòng là cường độ dòng trên 1 đơn vị diện tích điện cực : 1 I : am pe – mi li am pe d = S S : m 2 - dm 2 - cm 2 = m m 2 7 . Bài tập ứng dụng : 7 . 1 Một số ví dụ ứng dụng : Ví dụ 1 : Viết các quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực khi điện phân dung dịch hỗn hợp FeCI 3 , CuCI 2 , HCI biết thứ tự điện thế như sau : Fe 3+ / Fe 2+ > Cu 2+ / Cu > 2 H + / H 2 > Fe 2+ / Fe ở Ca tốt ( - ) thứ tự điện phân : Fe 3 + + 1 e = Fe 2+ Cu 2+ + 2 e = Cu 2H + + 2 e = H 2 + Fe 2+ + 2 e = Fe Sau đó H 2 O điện phân ở A nốt thứ tự điện phân Trang 10 [...]... sinh tự nghiên cứu gải bài toán nâng cao 1 cách dễ dàng 2 Kiến nghị, đề xuất, bài học kinh nghiệm a Với bài soạn ngoại khóa nâng cao phần điện phân này có thể giúp mọi học sinh học Hóa yên tâm tự học, tự nghiên cứu các bài tập hóa học một cách trọn vẹn b Phạm vi ứng dụng của bài dạy ngoại khóa này là giúp học sinh khối 12 giải các bài toán điện phân, phần nhận biết, tách kim loại … trong phần hóa... túng khi gặp các bài toán hóa có liên quan đến điện phân vì tài liệu thì nhiều nhưng cách sử dụng còn thiếu hiệu quả, phần khác nữa là sách giáo khoa hướng dẫn phần điện phân rất chung chung, chưa cụ thể 2 Nội dung Sau khi xác định rõ tầm quan trọng của điện phân trong chương trình hóa học phổ thông Để giúp học sinh năm rõ một cách dễ dàng phần điện phân Tôi đã nghiên cứu và soạn bài giảng cho học... chất thoát ra ở điện cực khi điện hân tỉ lệ thuận với khối lượng nguyên tử ( hoặc khối lượng phân tử ) với cường độ dòng Trang 14 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn điện , thời gian điện phân mà lại tỉ lệ nghịch với số e tham gia phản ứng ở điện cực Bài tập 2: Viết PTPƯ điện phân nóng chảy các chất sau : Ml 2 , MxOy , M(OH)x , trong đó M là Kim loại Bài tập 3: Viết các PTPƯ điện phân các dung... ĐKTC Hỏi đó là muối Clỏua kim loại gì ? Bài tập 10: Có 200 ml dung dịch Cu( NO3 )2 và AgNO3 để điện phân hết các Ion Kim loai trong dung dịch cần dùngg dòng điện cường độ 0,402A, thời gian 4giờ, giả sử hiệu suất điện phân 100% Tính nồng độ mol của các muói Nitrat trong dung dịch ban đầu, cần biết rằng khối lượng cac Kim loại thoát ra ở Catốt là 3,44g II CÁC BIỆN PHÁP TỔ CHỨC THỰC HIỆN 1 Mục đích... gia điện phân 2H2O = 2H2 + O2 Nước giảm dần, NaOH không đổi nên PH > 7 và tăng dần vì nồng độ mol của NaOH tăng dần Ví dụ 5: a Những quá trình nào xảy ra trên bề mặt điện cực bạch kim khi điện phân 1lít dung dịch AgNO3 Viết sơ đồ điện phân và PTĐP tổng quát b Nếu môi trưuờng dung dịch sau khi điện phân có PH = 3, hiệu suất điện phân 80% Thể tích dung dịch không đổi Tìm nồng độ mol các chất trong. .. đầu bị điện phân ở cả 2 điện cực Bài tập 8: Tiến hành mạ huy chương bạc có tiết diện 8cm 2 với dung dịch là AgNO 3 Anôt làm bằng Ag, mật độ dòng 1A/dm2 ,thời gian điện phân 16phút 5giây, hiệu Trang 15 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn suất điện phân 80% Tính bề dày của lớp mạ theo micromet( M ) biết khối lượng riêng của Ag là 10,59/cm2 Bài tập 9: Tiến hành điện phân1 muối Clorua Kim loại nóng... đưa bài soạn giảng ngoại khóa nâng cao vào giảng dạy thì kết quả làm bài tập có ứng dụng điện phân như sau : - Đối với học sinh trung bình chỉ đạt 5% - 6% - Đối với học sinh khá giỏi cung chưa tới 30% Sau khi được phụ đao ngoại khóa áp dụng giải toán điện phân - Học sinh loại Trung bình : Tiếp thu và ứng dụng sau giải, đạt yêu cầu 70% - Học sinh khá giỏi : 100% đạt yêu cầu áp dụng giải quyết bài. .. 2a ) mol Nếu tiếp tục thì NaCl điện phân cùng nước theo PTĐP 2 NaCl + 2 H2O – H2 + Cl 2 + 2 NaOH ( b – 2a ) mol ( b -2a ) mol Sau phản ứng có a mol Na2SO4 và ( b - 2a )mol NaOH Tiếp tục điện phân thì H2O điện phân - Nếu b < 2a theo (1 ) dung dịch có Na2SO4 1 Còn Cu SO4 dư a- b 2 b mol 2 mol Nếu điện phân thì Cu SO4 điện phân 1 O2 ↑ + H2 SO4 2 b b aa2 2 b b Sau lần điện phân này, dung dịch có ( ) mol... mol Na2 SO4 ; ( a - ) mol H2SO4 2 2 Cu SO4 + H2O - Cu ↓ + Nếu tiếp tục điện phân thì nước điện phân Ví dụ 4 :Viết phương trình phản ứng có thể xảy ra khi điện phân dung dịch hỗn hợp HCl, CuCl 2 , NaCl với điện cực trơ, màng ngăn Hãy cho biết p H của dung dịch sẽ thay đổi như thế nào ( tăng hay giảm ) trong quá trình điện phân Sự điện ly: CuCl 2 = Cu2+ + 2 Cl- Trang 12 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT... về phần điện phân này 3 Tổ chức thực hiện a Cách tiến hành Bài phụ đạo gồm 4 tiết Trong đó 2 tiết lý thuyết và 2 tiết bài tập ứng dụng Có thể tiến hanh theo 2 cach như sau : Cách 1 : Phụ đạo trực tiếp theo phương pháp cổ truyền Trang 16 Nguyễn Quốc Khánh – Trường THPT Sầm Sơn Cách 2 : Phôtô phần nội dung phát cho hgọc sinh ngiên cứu trước, sau đó giới thiệu 1 tiết và hướng dẫn học sinh làm bài . thể điều chế được hầu hết các kim loại với độ tinh khiết cao. b. Bằng điện phân có thể dùng điều chế kim loại, mạ kim loại, tinh chế và tách kim loại ra khỏi nhau. c. Bản chất của quá trình điện. Phương pháp điện phân dùng để điều chế kim loại là một phần của điện phân nói chung . - Phương pháp điện phân : dùng dòng điện một chiều trên ca tốt ( cực âm ) để khử ion kim loại trong hợp chất theo SGK về phần điện phân trong bài điều chế kim loại thì tất nhiên học sinh sẽ không giải quyết trọn vẹn một số bài toán có liên quan đến điện phân . II. Thực trạng vấn đề nghiên cứu . 1. Thực