các phương pháp giải bài tập 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 g

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

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

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 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

học-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 CuCl2:

Ta có trong dung dịch: CuCl2  Cu2+ + 2Cl

-Tại catot (K - ): Cu2+

+ 2e   Cu Tại anot (A + ): 2Cl-  Cl2 + 2e

Phương trình điện phân: CuCl2 dp Cu + Cl2

* 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: MXn (n là hóa trị của M, X= F, Cl, Br, I)

MXn nc Mn+ + nXTại K (-): Mn+

+ ne  M Tại A (+): 2Cl-  Cl2 + 2e

Phương trình điện phân tổng quát : MXn dpncM + X2

Ví dụ : Điện phân nóng chảy NaCl, CaCl2

- Điện phân nóng chảy NaCl : NaClnc Na+ + Cl

-Tại K (-) : Na+

+ 1e  Na; Tại A (-): 2Cl-  Cl2 + 2e Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl dpnc2Na + Cl2

- Điện phân nóng chảy CaCl2 : CaCl2 nc Ca2+ + 2Cl

-Tại K (-) : Ca2+

+ 2e  Ca; Tại A (-): 2Cl-  Cl2 + 2e Phương trình điện phân tổng quát: CaCl2dpncCa + Cl2

b Điện phân nóng chảy hiđroxit M(OH) n (M là kim loại kiềm, kiềm thổ)

M(OH)n  Mnc n+

+ nOHTại K (-): Mn+

+ ne  M Tại A (+): 4OH-  2H2O + O2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 4M(OH)n dpnc4M + 2nH2O + nO2

Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH:

NaOH  Nanc +

+ nOHTại K (-): Na+

+ e  Na Tại A (+): 4OH-  2H2O + O2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 4NaOH dpnc4Na + 2H2O + O2

c Điện phân nóng chảy oxit kim loại M 2 O n

M2On nc 2Mn+ + nOTại K (-): Mn+

+ ne  M Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát : 2M2On dpnc4M + nO2

Ví dụ: Điện phân nóng chảy Al2O3

Al2O3 nc 2Al3+ + 3OTại K (-): Al3+

+ 3eAl Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e Phương trình điện phân tổng quát: 2Al2O3 dpnc4Al + 3O2

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(-): 2H2O + 2e  2OH- + H2 Tại A (+): 2H2O  4H+ + O2 + 4e

2.2.1.3.2 Quy luật chung, quy tắc K, quy tắc A

Quy luật chung: - Ở catot (K): ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử, ví

dụ: Tại K: Ag+

; Cu2+ thì Ag+ + 1eAg rồi mới đến Cu2+

+ 2eCu

- Ở anot (A): ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa, ví dụ: Tại A: Br-;

Cl- thì 2Br-Br2 + 2e rồi mới đến 2Cl-Cl2 + 2e

a Quy tắc ở K: Ở K có mặt cation kim loại Mn+

và H+( do nước hoặc axit phân li) thì:

- Nếu Mn+ là cation kim loại trước Al3+ và Al3+ thì cation này không nhận electron (không bị khử) mà cation H+nhận electron (bị khử):

H+ do nước phân li: 2H2O2H+

+ 2OH 2H+ + 2e  H2 2H2O + 2e  H2 + 2OH-

-H+ do axit phân li: 2H+ + 2e  H2

- Nếu Mn+ là cation kim loại sau Al3+ thì cation nhận electron (bị khử) để tạo thành kim loại: Mn+ + ne M

- Cation có tính oxi hóa càng mạnh thì càng dễ nhận e, ví dụ tại K(-) gồm: Ag+;

Fe3+; Cu2+; H+; H2O thi thứ tự nhận electron sẽ như sau:

* Đối với anot trơ (là anot không tham gia vào quá trình phản ứng)

- Nếu anot có mặt các anion: I-; Br-; Cl-; S2-; 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: S2- > I-> Br- > Cl- > RCOO- > H2O

; CO3 2-

; và

F- ; OH- thì những anion này không nhường electron (không bị oxi hóa) mà H2O

sẽ nhường electron thay: 2H2O  4H +

+ O2 + 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

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:

b CuSO4   Cu2+ + SO4

2-Tại K (-): Cu2+

; H2O: Cu2+ + 2e   Cu Tại A (+): SO42-; H2O: 2H2O   4H+ + O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát: 2Cu2+

+ 2H2O dpdd2OH- + H2 + Cl2

hay: 2NaCl + 2H2O dpdd2NaOH + H2 + Cl2

d KNO3   K+ + NO3

Tại K (-): K+

-; H2O: 2H2O   4H+ + O2 + 4e Tại A (+): NO3-; H2O: 2H2O + 2e   2OH -

+ H2

Phương trình điện phân tổng quát: 2H2O dpdd2H2 + O2

Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối:

- dung dịch muối của ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit không chứa O ( trừ F-) thì pH dung dịch không đổi

- dung dịch muối ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit chứa O, F- thì pH dung dịch giảm dần do tạo ra H+

- dung dịch muối ion kim loại trước Al3+ 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 Al3+ và ion gốc axit chứa O, F

thì pH dung dịch không đổi

Ví dụ 2: Viết phương trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực anot là Cu

Hướng dẫn giải:

CuSO4   Cu2+ + SO4

Tại K (-): Cu2+

-; SO4 -: Cu2+ + 2e   Cu Tại A (+) là Cu: SO42-; H2O: Cu   Cu2+ + 2e

Phương trình điện phân tổng quát:

Cu + Cu2+   Cu + Cu2+

Ví dụ 3: Viết phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 a mol;

NaCl b mol trong các trường hợp:

Hướng dẫn giải:

CuSO4   Cu2+ + SO4

NaCl   Na+ + Cl-Tại K (-): Cu2+

-; Na+; H2O: Cu2+ + 2e   Cu

Hay: 2NaCl + 2H2O dpdd2NaOH + H2 + Cl2

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

ne là số electron trao đổi tại điện cực

- 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

I t

n

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

AgNO3 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

Hướng dẫn giải:

Phương trình điện phân: 4AgNO3 + 2H2O → 4Ag + O2 + 4HNO3 (1)

Dung dịch Y gồm: AgNO3, HNO3 Cho Fe + dd Y sau phản ứng thu được 14,5g

hỗn hợp kim loại nên Fe dư có các phản ứng:

3Fe + 8HNO3 → 3Fe(NO3)3 + 2NO + 4H2O (2)

Gọi x là số mol AgNO3 bị điện phân nHNO3 = x, dung dịch Y: HNO3: x mol;

AgNO3 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 mhỗn hợp kim loại = mFedư + 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 H2 và O2

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)

Tại A (+): 2H2O   4H+ + O2 + 4e  nO2 = 0,25 mol

Vậy mdung dịch trước điện phân = 100 + 0,5 2 + 0,25.32 = 109 gam

Ta có mNaOH không đổi = 100.6/100 = 6 gam

Vậy CM (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 Al2O3

với anot than chì (hiệu suất điện phân 100%) thu được m kg Al ở catot và 67,2

m3 (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

Hướng dẫn giải:

Al2O3 nc 2Al3+ + 3OTại K (-): Al3+

+ 3eAl Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát: 2Al2O3 dpnc4Al + 3O2

O2 tạo ra đốt cháy A bằng than chì tạo khí X: CO, CO2, O2(dư)

Gọi x, y, z là số mol CO, CO2, O2 dư trong 2,24 lít X Khi sục X qua nước vôi

trong dư có phản ứng: CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2O (1)

(lít) tương ứng với (mol), còn (m3) 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(NO3)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 KNO3 và KOH B KNO3, KCl và KOH

C KNO3 và Cu(NO3)2 D KNO 3 , HNO 3 và Cu(NO 3 ) 2

Hướng dẫn giải:

Ta có: nKCl= 0,1 mol; nCu(NO3)2 = 0,15 mol

Phương trình phân li: KCl   K +

+ Cl

+ 2NO3

Taị K (-): Cu2+

phản ứng hết ta có: ne nhận 0,15.2 = 0,3 mol và hiển nhiên tại

A thì Cl- hết  mdung dịch giảm  mCu + mCl2 = 13,15 gam > mdung dịch giảm đề cho

nên Cu2+ phải dư

Nếu tại A mà Cl

dư thì ne nhường  0,1 mol, lúc đó nCu ở K 0,1/2 = 0,05 mol nên

mdung dịch giảm 0, 05.71 + 0,05 64 = 6,75 gam < mdung dịch giảm đề cho nên Cl- phải

hết

Vậy dung dịch sau điện phân gồm: Cu2+

dư, K+; H+ tạo ra và NO3

Ví dụ 5: (Trích đề thi đại học khối A năm 2011) Hòa tan 13,68 gam muối

MSO4 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

số mol e nhường =0,07.4 = 0,28 mol  khí tại K: 0,1245 – 0,07 = 0,0545 mol

và ne (2) = 0,109 mol và ne(1)= 0,171 mol nM2+ = 0,0855 mol

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 pH2 = 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 /

1 Phương trình các nửa phản ứng trên catot và anot

Các quá trình có thể xảy ra trên catot (-): Cu2+ + 2e  Cu (1)

2H+ + 2e  H2 (2)

Co2+ + 2e  Co (3) Quá trình xảy ra trên anot (+): 2H2O  4H+ + O2 + 4e (4)

0, 0592

log[ ] 2

Co Co Cu Cu

Cu Cu Cu Cu



lúc đó H2 chưa thoát ra và nếu ngắt mạch điện, nối đoản mạch hai cực của bình

điện phân sẽ tạo ra pin điện có cực dương (catot) là O 2 /H 2 O và cực âm (anot) là cặp Cu 2+

/Cu Phản ứng xảy ra là: Trên catot: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

Trên anot: Cu → Cu2+

+ 2e Phản ứng xảy ra trong pin là: 2Cu + 4H+

+ O2 2Cu2+ + 2H2O

Sự phóng điện của pin chỉ dừng khi thế của 2 điện cực bằng nhau

3 Để tách được hoàn toàn ion Cu2+

thì thế cần đặt vào catot là:

2 2

H H H H



Vậy trong trường hợp tính không kể đến quá thế của H2 trên điện cực

platin thì thế catot cần khống chế trong khoảng - 0,077 V < Ec < 0,159 V, khi đó

Cu2+ sẽ bị điện phân hoàn toàn

Ví dụ 2: (Đề thi casio hóa học tỉnh Thanh Hóa năm 2012, QG năm 2001-bảng

A) Dung dịch X có chất tan là muối M(NO3)2 Người ta dùng 200 ml dung dịch

K3PO4 vừa đủ để phản ứng với 200 ml dung dịch X, thu được kết tủa là

M3(PO4)2 và dung dịch Y Khối lượng kết tủa đó (đã được sấy khô) khác khối lượng M(NO3)2 ban đầu là 6,825 gam

Điện phân 400 ml dung dịch X bằng dòng điện 1 chiều với I =2,000 ampe tới khi khối lượng catot không tăng thêm nữa thì dừng, được dung dịch Z Giả

sử sự điện phân có hiệu suất 100%

a Hãy tìm nồng độ các ion của dung dịch X, dung dịch Y, dung dịch Z Cho biết sự gần đúng phải chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y, dung dịch

Z

b Tính thời gian (theo giây) đã điện phân

c Tính thể tích khí thu được ở 27,30C, 1 atm trong sự điện phân

Hướng dẫn giải:

a Phản ứng:

3M(NO3)2 + 2K3PO4   M3(PO4)2 ↓ + 6KNO3 (1)

Dung dịch Y: dung dịch KNO3: KNO3   K+ + NO3

-(2) Theo (1) cứ 6 mol NO3

phản ứng tạo ra 2 mol PO4

- làm thay đổi khối lượng 372-190=182g

3-x mol NO3- phản ứng tạo ra x/3 mol PO43- làm thay đổi khối lượng 6,825 gam Vậy có ngay: x =

182

825 , 6

6 = 0,225 mol từ đó suy ra:

2 0,1125 2

NO M

-2 , 0

225 ,

- Theo (1): nK+ = nNO3

= nKNO3 =2.nM(NO3)2 = 2.0,1125 = 0,225 mol Coi VddY ≈ VddX + Vdd K3PO4 ≈ 400 ml Vậy trong dung dịch Y:

-C(K+) =C(NO3-) =

4 , 0

225 , 0

Dung dịch Y có nồng độ: C(K+

) =C(NO3

) = 0,5625M Các gần đúng đã chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y:

Bỏ qua sự thay đổi thể tích khi tính (3) và sự có mặt M3(PO4)2 ↓

- Bỏ qua sự tan của M3(PO4)2 ⇄ 3M2+ + 2PO4

3 Bỏ qua sự phân li của H2O⇄ H+ + OH

-* Xét sự điện phân dung dịch X: M(NO3)2   M2+ + 2NO3

Tại K ( ): M2+, H2O: M2+ + 2e   M

- Tại A (+): NO3

, H2O: 2H2O 4H+ + O2 ↑ + 4e Phương trình điện phân:

mol Vậy C(H+

) = C (NO3

) = nHNO 1 , 125M

-400

1000

Các gần đúng đã chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Z:

- Coi Vdd Z ≈ Vdd X , bỏ qua sự thay đổi thể tích do sự điện phân gây ra

- Bỏ qua sự phân li của H2O vì Z là dung dịch HNO3

Theo (4) nO2 = 1/2 nM(NO3)2 = 0,1125 mol

Từ công thức: mO2 =

96500

4

2 It

A O

suy ra: t =

I A

mO

O .

96500 4 2

c Tính thể tích khí thu được ở 27,30C, 1 atm trong sự điện phân dung dịch Z

77 , 2 1

3 , 300 082 , 0 1125 , 0

P

nRT

Ví dụ 3: Chia 1,6 lít dung dịch A chứa HCl và Cu(NO3)2 làm 2 phần bằng nhau

1 Phần 1 đem điện phân (các điện cực trơ) với cường độ dòng 2,5 ampe, sau thời gian t thu được 3,136 lít khí (ở đktc) một chất khí duy nhất ở anôt Dung dịch sau điện phân phản ứng vừa đủ với 550 ml dung dịch NaOH 0,8M và thu được 1,96 g kết tủa

Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch A và thời gian t

2 Cho m gam bột sắt vào phần 2, lắc đều để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn, sau phản ứng thu được hỗn hợp kim loại có khối lượng bằng 0,75m (gam) và V lít khí Tính m và V (ở đktc)

; NO3 -

; H2O: 2Cl-   Cl2 + 2e Khí duy nhất tại A là Cl2 : nCl2 = 0,14 mol  ne nhường = 0,28 mol = ne nhận

Vậy: CM Cu(NO3)2 = 0,2 M; CM HCl = 0,5 M

2 Cho bột Fe vào phần 2 thu được hỗn hợp kim loại nên Fe phản ứng dư:

3Fe + 8H+ + 2NO3-   3Fe2+ + 2NO + 4H2O (3) 0,15 0,4 0,1 0,1 mol

Khi điện phân dung dịch A trong nước, trong 1447,5 giây với I = 10 ampe (điện cực trơ), được dung dịch B Cho CuO lấy dư 25% về khối lượng tác dụng với B, lọc tách chất rắn, thu được dung dịch D có chứa 22,6 gam muối

a Tìm công thức chất A

b Tính khối lượng kim loại M đã bám vào catot và khối lượng CuO đã dùng

c Tính khối lượng chất A đã dùng trước khi điện phân và nồng độ mol/lít của các chất có trong dung dịch D (cho thể tích của dung dịch D là 250 ml)

Hướng dẫn giải:

a Gọi ZX là số proton nguyên tử X, số electron trong XOm- = ZX + 8m + 1 =32

 ZX = 31 – 8m (*) Do X thuộc chu kì 2 nên ZX < 10 và X tạo anion nên X là phi kim, từ (*) dễ thấy thỏa mãn m = 3, ZX = 7 (N)

Ta có: ne = 0,15 mol, theo (2): nH+ = ne = 0,15 mol

Cho CuO vào B có phản ứng : CuO + 2H+   Cu 2+

+ H2O (3)

Từ (3) có: nCuOphản ứng = nCu2+ = 0,075 mol  mCu(NO3)2 = 14,1 gam

Mà mmuối = 22,6 gam nên AgNO3 dư: 8,5 gam  nAgNO3 dư = 0,05 mol

Ta có: nAg = ne = 0,15 mol  mAg bám vào K = 0,15 108 = 16,2 gam

nCuO dùng = 0,075 125

100= 0,09375 mol  mCuO = 7,5 gam

c nAgNO3 đã dùng = 0,05 + 0,15 = 0,2 mol  mAgNO3 đã dùng = 34 gam

dung dịch D: Cu(NO3)2: 0,075 mol; AgNO3 dư: 0,05 mol

Biết: -Hằng số Faraday F = 26,8 Ampe.giờ

- Thể tích dung dịch không đổi trong quá trình điện phân

- Các giá trị logarit của x

(0,04 mol); SO4

(0,03 mol): 2Cl-   Cl2 + 2e

2H2O   4H+ + O2 + 4e

Số mol e trao đổi trong thời gian t giờ = 0,1 t (mol)

Khi t = 1giờ thì H+ tại K hết do nH+ = ne nhận

Khi t = 0, 4 giờ thì Cl

hết tại A, còn H+ dư = 0,06 (mol)

- Nếu 0 < t  0,4 thì: H+ dư = (0,1 – 0,1.t ) mol  pH = -log[H+] = - log (1-t)

- Nếu 0,4 < t < 1,0 thì : H+ không đổi = 0,06 mol do tại K mất H+ thì tại A tạo ra

Phần 1: Cho thêm vào 4,05 g bột nhôm, sau một thời gian thu được 0,672

lít khí (đktc), dung dịch B và chất rắn C Cho dung dịch B tác dụng với dung dịch NaOH dư, lấy kết tủa nung ở nhiệt độ cao trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 4g chất rắn Tính khối lượng chất rắn C

Phần 2: Đem điện phân với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng

I=1,34 ampe trong 2 giờ Tính khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot Biết hiệu suất điện phân là 100%

Đáp số: mC = 9,21 gam; mkim loại K = mFe = 1,12 gam; Vkhí = 0,896 lít

Ví dụ 2: Hoà tan 20g K2SO4 vào 150g nước, thu được dung dịch A Tiến hành điện phân dung dịch A một thời gian Sau khi điện phân khối lượng K2SO4 trong dung dịch chiếm 14,93% khối lượng của dung dịch Biết lượng nước bị bay hơi

là không đáng kể

a.Tính thể tích khí thoát ra ở mỗi điện cực đo ở điều kiện tiêu chuẩn

b Tính thể tích H2S (đktc) cần dùng để phản ứng hết với khí thoát ra ở anot tạo

ra SO2

Đáp số: Vkhí tại K = 44,8 lít; Vkhí tại A = 22,4 lít; Vậy VH2S 14,93 lít

Ví dụ 3: Điện phân (với điện cực Pt) 200 mililít dung dịch Cu(NO3)2 đến khi bắt đầu có khí thoát ra ở catôt thì dừng lại Để yên dung dịch cho đến khi khối lượng

của catôt không đổi, thấy khối lượng catôt tăng 3,2 gam so với lúc chưa điện phân Tính nồng độ mol của dung dịch Cu(NO3)2 trước khi điện phân

Đáp số: : CM (Cu(NO3)) trước điện phân = 1,0 M

Ví dụ 4: Hoà tan 50 gam CuSO4.5H2O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6M được dung dịch A Tiến hành điện phân dung dịch A với dòng điện cường độ 1,34 ampe trong 4 giờ Tính khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot Biết hiệu suất các phản ứng đạt 100%

Đáp số: Vậy: mCu = 0,1 64 = 6,4 gam; Vkhí tại A = 1,792 lít

Ví dụ 5: Điện phân 2 lít dung dịch CuSO4 0,5M với điện cực trơ Sau một thời gian, ngừng điện phân và cho đi qua dung dịch sau điện phân một luồng khí A lấy dư thì thu được 72 gam kết tủa màu đen Biết rằng, khi đốt khí A trong oxi

dư thì tạo thành hơi nước và khí B, khí B làm mất màu dung dịch nước brom

a Xác định công thức phân tử của các khí A,B

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

Ví dụ 7: (Trích đề thi đại học khối A năm 2010) Điện phân (điện cực trơ) dung

dịch X chứa 0,2 mol CuSO4 và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có cường độ 2A Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là

Ví dụ 8: (Trích đề thi cao đẳng năm 2011) Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4

0,2M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 3,2 gam kim loại thì thể tích

khí (đktc) thu được ở anot là:

Ví dụ 9: (Trích đề thi đại học khối B năm 2010) Điện phân (với điện cực trơ)

200 ml dd CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y v n còn màu xanh, có khối lượng giảm 8g so với dung dịch ban đầu Cho 16,8g bột

Fe vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4g kim loại Giá trị của x là

Ví dụ 10: (Trích đề thi đại học khối B năm 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

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 chất nhờ 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 chỉ xảy ra khi có dòng điện

Khi nối điện cực kẽm Zn2+/Zn với điện cực clo Cl2/2Cl-ở điều kiện chuẩn, pin kẽm - clo có suất điện động E0

= 2,12V Ngược lại nếu dùng dòng điện một chiều có thế hiệu 2,12V nối với hai điện cực trơ (bằng platin hoặc than chì) nhúng trong dung dịch ZnCl2 sẽ thấy kẽm kim loại bám vào điện cực nối với cực âm của nguồn điện và khí clo xuất hiện ở điện cực nối với cực dương của nguồn điện, nghĩa là ở các điện cực đó đã xảy ra hai nửa phản ứng:

2H+ + 2Cl-  dong dien  H2 + Cl2 xảy ra ở thế hiệu là 1,36V

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 thiểu 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 ZnCl 2 trong dung dịch:

Thế phân giải của đại đa số 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 nước, người ta phải dùng dòng điện có thế hiệu cao hơn so với suất điện động E

của pin tương ứng Thế hiệu phụ thêm đó được gọi là quá thế (kí hiệu là ΔE )

Hiện tượng quá thế có bản chất rất phức tạp và phụ thuộc nhiều vào yếu

tố liên quan với đặc tính động học như vật liệu được dùng để làm điện cực, bề mặt của điện cực, trạng thái tập hợp của chất thoát ra ở điện cực, với mật độ dòng điện và nhiệt độ

Khi ở điện cực thoát ra kim loại, đại lượng quá thế thường rất bé, có thể bỏ qua được trừ các trường hợp sắt ΔE = 0,24V và niken ΔE = 0,23V Khi ở điện cực thoát ra các khí như H2 và O2 đại lượng quá thế là đáng kể, không thể

bỏ qua được

Dưới đây là quá thế của hiđro và oxi trên các điện cực khác nhau:

2.2.3.2 Giải thích sự tạo thành sản phẩm khi điện phân dung dịch

Khi điện phân dung dịch nước chứa một số loại cation và một số loại anion

thì về nguyên tắc, ở điện cực âm, cation nào có thế điện cực chuẩn lớn hơn sẽ bị khử trước và ở điện cực dương, anion nào có thế điện cực bé sẽ bị oxi hóa trước Tuy nhiên trên thực tế thứ tự đó thường bị phá vỡ bởi hiện tượng quá thế

Để làm sáng tỏ điều này, chúng ta xét thế phân giải của tất cả những trường hợp có thể xảy ra điện phân Thí dụ như dung dịch NiCl2 1M với các điện cực platin nhẵn

Và sự phân hủy nước khi điện phân dung dịch H2SO4, NaOH, Na2SO4

H2O dpdd  H2 + 1

2O2Kiềm , axit, muối chỉ có tác dụng tăng độ d n 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 nghiệm nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất, điện phân thường được dùng để tách lấy đơn chất từ hợp chất Nhiều quá trình điện phân giữ vai trò then chốt trong sản xuất như:

- Sản xuất NaOH, Cl 2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl đậm đặc

- Sản xuất các khí H 2 , O 2 bằng phương pháp điện phân dung dịch K 2 SO 4 ,

H 2 SO 4 , NaOH…

- Sản xuất Li, Na, Mg, Ca, Sr, Ba, Cl 2 , Br 2 …bằng phương pháp điện phân

các muối halogenua nóng chảy

- Sản xuất Al bằng phương pháp điện phân Al 2 O 3 nóng chảy có thêm

Na3AlF6 (criolit) để giảm nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit

- Sản xuất KClO 3 bằng phương pháp điện phân dung dịch KCl đặc, nóng…

- Điều chế các kim loại tinh khiết

- Tinh chế kim loại

- Đúc các đồ vật bằng kim loại được tiến hành tương tự như tinh

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 rất tốt: lớp 12B1 đậu 53/53 tương ứng 100%, lớp 12B2 đậu đại học 49/55 tương ứng 89,1% và điểm trung bình môn hóa trường chúng tôi xếp thứ 7 toàn tỉnh

Hiện tại chúng tôi đang đưa vào áp dụng đối với các lớp 11C1, 11C2, 11C3, 11C4 và 12B7 là lớp làm đối chứng (lớp chỉ được học 1 tiết) chúng tôi nhận thấy được kết quả như sau:

%Số học sinh giải bài tập tốt

phần điện phân

Từ 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

- Sáng kiến kinh nghiệm này 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

- Hi vọng với phần kiến thức và kinh nghiệm nhỏ bé chúng tôi có thể góp một phần nào đó nâng cao chất lượng dạy và học hoá học ở trường phổ thông Rất mong được sự góp ý của các bạn đồng nghiệp và các em học sinh để lần sau

có những kinh nghiệm quý báu hơn

- Với thời gian ngắn ngủi và trình độ có hạn chúng tôi rất mong các thầy,

cô đồng nghiệp góp ý kiến về chuyên đề này và cùng nhau phát triển sang các chuyên đề tiếp theo để học trò chuyên Hoá ngày càng có nhiều tài liệu học tập một cách hệ thống hơn

XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh hóa, ngày 25 tháng 05 năm 2013

Tôi xin cam đoan đây là SKKN của mình viết, không sao chép nội dung của

người khác

Tác giả

Hoàng Văn Tùng