SKKN Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện phân

- 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.. - Trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:

"PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH VÀ CHUYÊN SÂU DẠNG BÀI

TOÁN ĐIỆN PHÂN"

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 làmôn mà học sinh mới được trang bị kiến thức từ khi học lớp 8 bậc THCS Tuy nhiên, đâycũng là môn thường xuyên sử dụng thi tốt nghiệp THPT và là một trong ba môn bắt buộctrong 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 chọnphương án trả lời tối ưu nhất trong thời gian ngắn nhất Nắm bắt được điều đó, các giảngviên đại học, cao đẳng, các chuyên gia và các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm đã xuất bảnrất 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 khingồi 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 trênghế giảng đường đại học, tôi nhận thấy rất nhiều học sinh khi làm bài tập điện phânthường hay lung túng-khúc mắc Điều đó, sẽ mất nhiều thời gian làm bài và đôi khikhông 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 đềcủa 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 cũngnhư trong đề thi học sinh giỏi tỉnh-quốc gia chúng tôi chọn đề tài phương pháp giải bàitập 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 nóngchảy

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 + 2ePhương 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+ + nX

-Tại K (-): Mn+ + ne  M

Tại A (+): 2Cl-  Cl2 + 2e

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

- 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

M(OH)n  nc Mn+ + nOH

-Tại 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 nc

  Na+ + nOH

-Tại 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+ + nO

2-Tại K (-): Mn+ + ne  M Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát : 2M2On   dpnc 4M + nO2

Al2O3  nc 2Al3+ + 3O

2-Tại 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 quátrình 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 kimloại: 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:

Ag+ + 1e   Ag (1) Fe3+ + 1e  Fe2+ (2)

Cu2+ + 2e   Cu (3) 2H+ + 2e   H2 (4)

Fe2+ + 2e  Fe (5) 2H2O + 2e   2OH- + H2 (6)

* 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 nhườngelectron cho điện cực (bị oxi hóa) và anion có tính khử càng mạnh càng dễ nhườngelectron và thứ tự nhường electron đã được thực nghiệm tìm ra như sau: S2- > I-> Br- > Cl-

> RCOO- > H2O

Ví dụ tại A(+): Cl-, I-; H2O thì thứ tự nhường electron như sau:

* 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   Zn2+ +2e; Cu   Cu2+ +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 FeCl2 b dung dịch CuSO4

c dung dịch NaCl d dung dịch KNO3

Hướng dẫn giải:

a FeCl2   Fe2+ + 2Cl

-Tại K (-): Fe2+; H2O: Fe2+ + 2e    Fe Tại A(+): Cl-; H2O: 2Cl

- -  Cl2 +2ePhương trình điện phân tổng quát: FeCl2   dpdd Fe + Cl2

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

    2Cu + 4H+ + O2hay 2CuSO4 + 2H2O dpdd

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

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 giảmdần 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 dịchkhông đổi

NaCl b mol trong các trường hợp:

   Cl2 +2e2H2O   4H+ + O2 + 4e

a b = 2a thì: Cu2+ + 2Cl- dpdd

    Cu + Cl2 hay CuSO4 + 2NaCl dpdd

    Cu + Cl2 + Na2SO4

sau đó: 2H2O dpdd

    2H2 + O2

b b > 2a thì: Cu2+ + 2Cl- dpdd

    Cu + Cl2 hay CuSO4 + 2NaCl dpdd

    Cu + Cl2 + Na2SO4

sau đó: 2Cu2+ + 2H2O dpdd

    2Cu + 4H+ + O2hay 2CuSO4 + 2H2O dpdd

    2Cu + 2H2SO4 + O2

c b < 2a thì: Cu2+ + 2Cl- dpdd

    Cu + Cl2 hay CuSO4 + 2NaCl dpdd

    Cu + Cl2 + Na2SO4

sau đó: 2Cl- + 2H2O dpdd

    2OH- + H2 + Cl2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 rachất X, ta có:

X

A m

.

X e

Với: AX là khối lượng mol của X (gam/mol)

ne 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 sốnguyên tối giản.

- Từ (1) ta có: . ( ) .

X

e X

m g

I 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

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 hợpkim loại nên Fe dư có các phản ứng:

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

Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag (3)

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 bằngphương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dòng điện 0,67 Atrong 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 bayhơi không đáng kể)

Số mol e trao đổi = 0,67.4026,8 = 1 mol

Tại K(-): 2H2O + 2e    2OH- + H2  nH2 = 0,5 mol

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) hỗnhợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16 Lấy 2,24 lít (ở đktc) hỗn hợp khí X sục vàodung dịch nước vôi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa Giá trị của m là

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

Bạn đọc chú ý: Ở đây chúng tôi sử dụng:

(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 dịchgiảm 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

-Cu(NO3)2    Cu2+ + 2NO3

-Taị K (-): Cu2+, K+, H2O: Cu2+ + 2e    Cu (1)

Tại A (+): Cl-; NO3-; H2O: 2Cl

- -  Cl2 + 2e (2) 2H2O  4H+ + O2 + 4e (3)

Nếu tại K mà 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

-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 MSO4 vàonước 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 là0,1245 mol Giá trị của y là

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 enhường =0,07.4 = 0,28 mol   khí tại K: 0,1245 – 0,07 = 0,0545 mol và ne (2) = 0,109mol và ne(1)= 0,171 mol nM2+ = 0,0855 mol

và MMSO4 = M + 96 = 160  M=64 là Cu

Tại thời gian t giây thì số mol e nhường = 0,035.4 = 0,14 mol < 2nCu2+ nên lúc đó Cu2+

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 250C, cho dòng điện một chiều có cường độ0,5A đi qua bình điện phân chứa 2 điện cực platin nhúng trong 200 ml dung dịch gồmCu(NO3)2 0,020M, Co(NO3)2 1,0 M, HNO3 0,010M.

1 Viết phương trình các nửa phản ứng có thể xảy ra trên catot và anot trong quá trìnhđiện phân

2 Khi 10% lượng ion kim loại đầu tiên bị điện phân, người ta ngắt mạch và nối đoảnmạch hai điện cực của bình điện phân Hãy cho biết hiện tượng xảy ra và viết phươngtrình phản ứng minh họa

3 Xác định khoảng thế của nguồn điện ngoài đặt vào catot để có thể điện phân hoàn toànion thứ nhất trên catot (coi quá trình điện phân là hoàn toàn khi nồng độ của ion bị điệnphân 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 trịthế 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

CoCo= -0,277V;

hằng số Faraday F = 96500 C.mol-1

; ở 250C: 2,303RT 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 (-): Cu2+ + 2e  Cu (1)

2H+ + 2e  H2 (2)