SKKN Mở Rộng Và Đào Sâu Kiến Thức Về Sự Điện Phân Trong Chương Trình Hóa Học THPT

SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT CHUYÊN LAM SƠN Tên sáng kiến kinh nghiệm: “MỞ RỘNG VÀ ĐÀO SÂU KIẾN THỨC VỀ SỰ ĐIỆN PHÂN TRONG CHƯƠNG TRÌNH HĨA HỌC THPT” Họ tên tác giả : LÊ VĂN ĐẬU Chức vụ: Giáo viên Lĩnh vực nghiên cứu: Bộ mơn HỐ HỌC Đơn vị cơng tác: Trường THPT chuyên Lam Sơn NĂM HỌC 2010 - 2011 LỜI NĨI ĐẦU Sự điện phân có nhiều ứng dụng công nghiệp Đối với học sinh trung học phổ thơng, đặc biệt học sinh lớp chun hố, nắm kiến thức điện phân mảng kiến thức thiếu mơn hố học Trong năm gần đây, đề thi tuyển sinh vào đại học, đề thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp quốc gia, quốc tế đề cập nhiều đến kiến thức điện phân Tuy nhiên, kiến thức điện phân chương trình hố học trung học phổ thơng gói gọn tiết dạy, chưa đủ để học sinh hiểu rõ tính tốn thành thạo toán điện phân Trong nhiều năm giảng dạy lớp chuyên hố, tơi tìm hiểu, nghiên cứu xây dựng thành giảng điện phân để giúp cho học sinh mở rộng, đào sâu kiến thức vấn đề này, giúp em giải câu hỏi tập điện phân cách thành thạo Trong q trình nghiên cứu trình bày khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong hội đồng khoa học bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến xây dựng Mở rộng đào sâu kiến thức điện phân chương trình hóa học THPT I - ĐỊNH NGHĨA Sự điện phân trình oxi hoá - khử xảy bề mặt điện cực có dịng điện chiều qua chất điện li nóng chảy dung dịch chất điện li Khi có dịng điện chiều qua bình điện phân: Các cation catot (cực âm), catot xảy khử Các anion anot (cực dương), anot xảy oxihoá II - ĐIỆN PHÂN CHẤT ĐIỆN LI NÓNG CHẢY 1) Điện phân muối halogenua nóng chảy 2MXn đpnc 2M + nX2 Phương pháp dùng để điều chế kim loại kiềm kim loại kiềm thổ Thí dụ: 2NaCl đpnc 2Na + Cl2 MgCl2 đpnc Mg + Cl2 2) Điện phân hiđroxit nóng chảy 4M(OH)n đpnc 4M + nO2 + 2nH2O Phương pháp dùng để điều chế kim loại kiềm Thí dụ: 4NaOH đpnc 4Na + O2 + 2H2O 3) Điện phân oxit nóng chảy 2M2On đpnc 4M + nO2 Phương pháp dùng để điều chế nhôm 2Al2O3 đpnc 4Al +3O2 criolit III - ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI TRONG NƯỚC 1) Ở catot (cực âm): Ion dương dễ nhận electron điện phân trước, thứ tự điện phân catot sau: - Các cation kim loại đứng sau Al3+ dãy điện hoá điện phân trước (kể ion H+ dung dịch axit) - Sau đến ion H+ H2O điện phân: 2H2O + 2e H2 + 2OH- - Các cation Al3+ trước dãy điện hoá không bị điện phân dung dịch Câu hỏi đặt là: Tại ion H+ H2O lại điện phân sau ion từ Zn2+ đến Pb2+ dãy điện hố? Lí là: ion H+ có tính oxi hố mạnh ion kim loại số lượng nhỏ so với số lượng ion kim loại dung dịch muối (thực nghiệm cho biết 555 triệu phân tử nước có phân tử phân li thành ion H+ nhiệt độ 250C) 2) Ở anot (cực dương): Ion âm dễ nhường electron điện phân trước Nếu anot trơ graphit, Pt,… thứ tự điện phân anot sau: - Các anion gốc axit không chứa oxi điện phân trước theo thứ tự: S2- > I- > Br- > Cl- Sau đến anion OH- dung dịch kiềm nước điện phân: 4OH- O2 + 2H2O + 4e 2H2O O2 + 4H+ + 4e - Các anion gốc axit chứa oxi NO3-, CO32-, SO42-,… F- không bị điện phân dung dịch Riêng anion gốc axit hữu bị điện phân dung dịch: 2RCOO- R – R + 2CO2 + 2e 3) Điện phân với anot tan: Trường hợp anot khơng trơ trước hết anot kim loại làm điện cực bị tan Thí dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 với anot đồng anot: Cu catot: Cu2+ + 2e Cu2+ + 2e Cu Phương trình điện phân: Cu + Cu2+ Anot Cu2+ + Cu Catot Điện phân với anot tan dùng để tinh chế kim loại Thí dụ: để có vàng tinh khiết, người ta dùng anot tan vàng thô, catot thu vàng rịng có độ tinh khiết 99,99% 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 đền 1.10-3 cm Thí dụ: mạ kẽm, thiếc, niken, bạc, vàng,… 4) Điện phân dung dịch chứa muối trung hoà nước với điện cực trơ Khi điện phân dung dịch hỗn hợp dùng kiến thức nêu Khi điện phân dung dịch chứa muối trung hoà nước với điện cực trơ xảy trường hợp sau đây: Trường hợp 1: Điện phân dung dịch muối trung hoà axit không chứa oxi kim loại từ Al trước dãy điện hố xảy phản ứng: Muối + H2O Hiđroxit kim loại + H2 + phi kim đp Thí dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn xốp điện cực 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 đp có màng ngăn Trường hợp 2: Điện phân dung dịch muối trung hoà axit không chứa oxi kim loại đứng sau Al dãy điện hố xảy phản ứng: Muối Thí dụ: kim loại + Phi kim đp Điện phân dung dịch CuCl2 CuCl2 Cu + Cl2 đp Trường hợp 3: Điện phân dung dịch muối trung hoà axit chứa oxi kim loại từ Al trước dãy điện hố thực chất nước điện phân Thí dụ: Điện phân dung dịch Na2SO4 2H2O đp 2H2 + O2 Na2SO4 Na2SO4 đóng vai trị dẫn điện, khơng tham gia điện phân Trường hợp 4: Điện phân dung dịch muối trung hoà axit chứa oxi kim loại đứng sau Al dãy điện hố xảy phản ứng: Muối + H2O Kim loại + O2 + Axit tương ứng đp Thí dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 2CuSO4 + 2H2O đp 2Cu + O2 + 2H2SO4 IV - ĐỊNH LUẬT FARADAY Dựa vào công thức biểu diễn định luật Faraday ta xác định khối lượng chất thu điện cực: m= AIt nF Trong m : Khối lượng chất thu điện cực, tính gam A : Khối lượng mol nguyên tử chất thu điện cực n : Số electron mà nguyên tử ion cho nhận I : Cường độ dịng điện tính ampe (A) t: Thời gian điện phân, tính giây (s) F: Hằng số Faraday ( F = 96500 culông/mol ) F điện lượng cần thiết để tạo điện lượng mol electron Hệ quả: A gam chất thoát điện cực F n Số mol chất điện cực = It nF V – HIỆU SUẤT ĐIỆN PHÂN HOẶC HIỆU SUẤT DỊNG Trong q trình điện phân, tất electron tham gia q trình khử catot q trình oxi hố anot với chất chính, cịn tham gia q trình phụ khác ( thí dụ điện phân tạp chất có mặt, điện phân thành sản phẩm phụ khác,…), lượng chất thực tế điện cực (mtt) nhỏ lượng chất tính theo định luật Faraday (mlt) Hiệu suất điện phân tính theo cơng thức H% = mtt ×100% mlt Hiệu suất điện phân phụ thuộc vào nhiều yếu tố: chất phản ứng điện phân, mơi trường (pH), mật độ dịng,… VI – MẬT ĐỘ DỊNG d Mật độ dịng cường độ dịng điện đơn vị diện tích điện cực d= I S Trong đó: I : tính theo ampe, miliampe S : tính theo m2, dm2, cm2, mm2 Mật độ dịng có ý nghĩa lớn thực tế, ảnh hưởng tới hiệu suất điện phân, tới màu sắc kim loại thoát điện cực, đặc biệt mạ điện, ảnh hưởng tới độ bám dính kim loại lên bề mặt vật mạ VII – ỨNG DỤNG CỦA SỰ ĐIỆN PHÂN Sự điện phân có nhiều ứng dụng công nghiệp luyện kim ( điều chế tinh luyện kim loại kiềm, kiềm thổ, Mg, Al, Cu, Ag, Au, … ); điều chế phi kim H2, O2, F2, Cl2,…….; điều chế số hợp chất KMnO4, NaOH, H2O2, nước Gia-ven,… mạ điện ( mạ Cu, Ni, Cr, Ag, Au,……) VIII – BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Dung dich X có chất tan muối M(NO3)2 Người ta dùng 200ml dung dịch K3PO4 vừa đủ phản ứng với 200ml dung dịch X, thu kết tủa M3(PO4)2 dung dịch Y Khối lượng kết tủa (đã sấy khơ) khác khối lượng M(NO3)2 ban đầu 6,825 gam Điện phân 400 ml dung dịch X dòng điện I = ampe tới thấy khối lượng catot không tăng thêm dừng, dung dịch Z Giả thiết điện phân có hiệu suất 100% a) Hãy tìm nồng độ ion dung dịch X, dung dịch Y, dung dịch Z Cho biết gần phải chấp nhận tính nồng độ dung dịch Y, dung dịch Z b) Tính thời gian (theo giây) điện phân c) Tính thể tích khí thu 27,3oC, 1atm điện phân Lời giải: a) Phương trình phản ứng: M(NO3)2 + K3PO4 Dung dịch Y: KNO3 M3(PO4)2 ↓ K+ + NO3– + KNO3 (1) (2) Theo (1), 6mol NO3- phản ứng tạo 2mol (PO4 )3– làm thay đổi khối lượng 372 − 190 = 182 (g) x mol NO3- phản ứng tạo x/3mol PO43- làm thay đổi khối lượng 6,825 (g) x= 3.6,825 = 0,1125 182 ⇒ CddX = 0,1125 = 0,5625M 0,2 Theo (1): nK+ = nNO3- = nKNO3 = nM (NO3)2 = × 0,1125 = 0,225 (mol) m= AIt 96500n t= m 96500n × A I (7 ) Coi Vdd Y ≈ Vdd X + Vdd K3PO4 ≈ 400 (ml) Vậy C K+ = C NO3- = 0,225 × 1000 400 (3) = 0,5625 (mol/l) Dung dịch Y có nồng độ: C K+ = C NO3- = 0,5625 (mol/l) Các gần chấp nhận tính nồng độ dung dịch Y: - Bỏ qua thay đổi thể tích tính (3) có mặt M3(PO4)2 ↓ - Bỏ qua tan M3(PO4)2 ƒ 3M2+ + 2PO43(4) + – - Bỏ qua phân li H2O ƒ H + OH Xét điện phân, sơ đồ điện phân: K M(NO3)2 A H2O M2+ + e → M H2O → 1/2 O2↑ + 2H+ + 2e Phương trình điện phân: M(NO3)2 + H2O M + 1/2 O2 + HNO3 (5) Dung dịch Z có chất tan HNO3 Coi Vdd Z ≈ Vdd X ≈ 400 (ml) Theo (5) n HNO3 = n M(NO3)2 = × Vậy C H+ = C NO3- = (hoặc theo(6) (5) : 0,5625 × 400 n HNO3 × 1000 1000 (6) = 1,125 (mol/l) 400 nH+ = nNO3- = C dd x = 1,125) Các gần chấp nhận tính nồng độ dung dịch Z: - Coi Vdd Z ≈ Vdd X, bỏ qua thay đổi thể tích điện phân gây - Bỏ qua phân li: H2O ƒ H+ + OH– dd Z dd HNO3 - Nồng độ ion dd X: CM+ = 0,5625 M ; CNO3- = 1,125 M dd Y: CK+ = CNO3- = 0,5625 M dd Z: CH+ = CNO3- = 1,125 M b) Tính thời gian điện phân: m Thay số vào (7) = nM(NO3)2 = 0,5625 × 0,4 = 0,225 (mol) A n=2 ; I=2 Vậy t = 0,225 × 96500 = 21712,5 (giây) c) Tính thể tích khí thu 27,3oC , 1atm điện phân dung dịch Y, Z Theo( 5) : nO2 = 0,225 n M ( NO ) = = 0,1125( mol) 2 22,4 × 0,1125 × 300,3 × n = 2,772 (lít) 273 × Vo2 = Bài : Điện phân 50 ml dung dịch HNO3 có pH = 5,0 với điện cực than chì 30 giờ, dòng điện 1A a) Viết nửa phản ứng điện cực phương trình phản ứng chung b) Tính pH dung dịch sau điện phân c) Tính thể tích dung dịch NaOH 0,0001 mol/l cần để trung hoà dung dịch sau điện phân d) Hãy cho biết nên dùng chất thị để xác định điểm dừng phản ứng trung hoà Coi khối lượng riêng dung dịch HNO3 loãng g/ml Lời giải: a) Nửa phản ứng oxi hoá anot: H2O → H+ + Nửa phản ứng khử catot: H+ + 2e H2O 1/2 O2 + 2e → H2 → H2 + 1/2 O2 b) Tính pH dung dịch sau điện phân q = A × 30 × 3600 s = 108000 (Culông) ; Số Farađây: 1,11917 F → Hn2 = 1,11917 F F/mol 108000 c = 96500 C/F = 0,559585 ≈ 0,56 mol Số mol nước bị điện phân 0,56 mol Khối lượng nước bị điện phân: 0,56 mol × 18 g/mol = 10,08 g Khối lượng dung dịch trước điện phân 50 g Khối lượng dung dịch sau điện phân 50 − 10,08 = 39,92 (g) ≈ 40 (g) 40 g Thể tích dung dịch sau điện phân là: V = g/ml = 40 ml = 0,04 (l) Số mol HNO3 = 0,05 × 10−5 = 10−7 (mol) 10−7 mol 0,04 l HNO3 C = [H+] = = 1,25.10−5 M pH = − lg [H+] = − lg (1,25.10−5) = 4,903 ≈ 4,9 c) Phản ứng: NaOH + HNO3 → NaNO3 + H2O nNaOH = nHNO3 = 10−7 mol −7 Vdd NaOH = 10 = 10−3 l = 0,005 l = ml −4 10 M bazơ mạnh nên dùng chất thị d) Phản ứng xảy axit mạnh phenolphtalein có khoảng chuyển màu (pH) − 10 Bài : Một bình điện phân chứa dung dịch NaOH (pH=14) bình điện phân khác chứa dung dịch H2SO4 (pH=0) 298K Khi tăng hiệu điện từ từ hai cực bình người ta thấy có khí giống hai bình điện 1) Giải thích tượng Viết phương trình phản ứng xảy bình (khơng xét tạo thành H2O2 H2S2O8) 2) Tính hiệu điện tối thiểu phải đặt vào hai cực bình trình điện phân xảy 3) Người ta muốn giảm pH dung dịch NaOH xuống cịn 11 Có thể dùng NH4Cl khơng? Nếu được, giải thích tính khối lượng NH4Cl phải dùng để giảm pH lít dung dịch NaOH từ 14 xuống 11 4) Khi pH dung dịch NaOH 11, hiệu điện tối thiểu phải đặt vào hai cực bình điện phân trình điện phân xảy bao nhiêu? Cho biết: E0H2O 1/2O2/2OH- = 0,4V; E02H+, 1/2O2/H2O=1,23V; pKb(NH3) = 4,75 Lời giải: 1) Trong thí nghiệm này, nước bị điện phân điện a) Dung dịch NaOH: Ở anot: OH− H2O + 1/2 O2 + e Ở catot: H2O + e H2 + OH− H2O H2 + 1/2 O2 b) Dung dịch H2SO4: Ở anot: Ở catot: H2O H+ + e H2O 1/2 O2 + H+ + e H2 H2 + 1/2 O2 10 Khí bình hiđro oxi 2) a) Dung dịch NaOH: Eanot = 0,4 V 0,059 Ecatot = +2 lg (10−14)2 = − 0,83 V U = E anot − E catot = 0,4 + 0,83 = 1,23 V b) Dung dịch H2SO4: Eanot = 1,23 V Ecatot = V Umin = E anot − E catot = 1,23 V (khi tính Umin khơng xét đến thế) 3) Có thể dùng NH4Cl để giảm pH dung dịch NaOH từ 14 xuống 11 NH4+ + OH− NH3 + H2O pOH dung dịch NaOH thêm NH4Cl để giảm pH dung dịch NaOH từ 14 xuống 11 tính theo cơng thức: + pOH = pKb + lg [NH4 ] = 4,75 + lg [NH3] [NH4+] [NH3] Suy [NH4+] = 0,0178 × [NH3] Khi pH dung dịch NaOH giảm từ 14 xuống 11 [OH −] dung dịch giảm đi: − 10−3 = 0,999 mol Đây số mol NH hình thành Vậy [NH3] = 0,999 mol/l và: [NH4+] = 0,0178 × 0,999 ≅ 0,0178 (mol/l) Số mol NH4Cl phải thêm vào lít dung dịch: n = nNH + + nNH = 0,0178 + 0,999 = 1,0168 (mol) Khối lượng NH4Cl phải thêm vào lít dung dịch: 1,0168 × 53,5 = 54,4 (gam) 4) Khi pH = 11, dung dịch NaOH: Eanot = 0,4 V + 0,0592 lg 0,0592 2 (10−3)2 11 Ecatot = + lg (10−11)2 U = E anot − E catot = 0,4 + × 0,0592 + 0,0592 × 11 ≈ 1,23 V Bài 4: Người ta mạ niken lên mẫu vật kim loại phương pháp mạ điện bể mạ chứa dung dịch niken sunfat Điện áp đặt lên điện cực bể mạ 2,5 V Cần mạ 10 mẫu vật kim loại hình trụ; mẫu có bán kính 2,5cm, cao 20cm Người ta phủ lên mẫu lớp niken dày 0,4mm Hãy: a) Viết phương trình phản ứng xảy điện cực bể mạ điện b) Tính điện (theo KWh) phải tiêu thụ Cho biết: Niken có khối lượng riêng D = 8,9 g/cm3; khối lượng mol nguyên tử 58,7(g/mol): hiệu suất dòng 90% ; 1KWh = 3,6.106J Lời giải: a) Phương trình phản ứng xảy bề mặt điện cực bể mạ: Anot (cực +): Ni Ni2+ + 2e (sự oxi hoá) Catot (cực -): Ni2+ + e Ni (sự khử) b) Thể tích mẫu vật kim loại hình trụ V = π r2h = 3,14 × (2,5)2 × 20 = 392,5 (cm3) Lớp phủ niken mẫu vật có bề dày 0,4 mm nên mẫu vật bán kính tăng tới 2,5 + 0,04 = 2,54 (cm); chiều cao tăng tới 20,0 + (0,04×2) = 20,08 (cm) Vậy thể tích mẫu vật tăng thêm là: ∆ V = V ' - V = [ 3,14 (2,54)2 20,08] - 392,5 ∆ V = 14,281(cm3) Tổng số thể tích tăng thêm cuả 10 mẫu vật là: V = 10 ∆ V = 10 × 14,281cm3 = 142,81 cm3 Đây thể tích niken phải phủ lên 10 mẫu vật cần mạ; khối lượng tương ứng là: m = V.D =142,81.8,9 = 1271,01 (gam) hay 1271,01/ 58,7 = 21,6526 (mol) Từ biểu thức định luật Farađay: m = AIt/ 96500n It = (m/A).96500n (1) Số điện tương ứng là: w = ItU = (m/A).96500n.U (2) Với Ni ta có n = 2; theo có (m/A) = 21,6526 (mol); theo đề U = 2,5 V Thế trị số vào (2), ta có w = 21,6526.96500.2.2,5 = 10447379,5 (J) Vì hiệu suất dịng điện 90% kWh = 3,6.106J nên số điện thực tế cần dùng là: W = (w/90).100.(1/3,6.106) = 10447379,5/90).100.(1/3,6.106) W = 3,2245kWh Bài : Muối KClO4 điều chế cách điện phân dung dịch KClO3 Thực tế điện phân điện cực, nửa phản ứng tạo sản phẩm 12 KClO4 cịn đồng thời xảy nửa phản ứng phụ tạo thành khí không màu Ở điện cực thứ hai xảy nửa phản ứng tạo khí Hiệu suất tạo thành sản phẩm đạt 60% 1) Viết kí hiệu tế bào điện phân nửa phản ứng anot catot 2) Tính điện lượng tiêu thụ thể tích khí điện cực (đo 250C atm) điều chế 332,52g KClO4 Lời giải: 1) Kí hiệu tế bào điện phân: Pt  KClO3 (dd)  Pt Phản ứng chính: anot: ClO3- + H2O → ClO4 - + 2H+ + 2e catot: 2H2O + 2e → H2 + 2OHClO3- + H2O → ClO4- + H2 Phản ứng phụ: anot: H2O → 2H+ + O2 + 2e 2H2O + 2e → H2 + 2OH- catot: H2O → 2) M KClO = 39,098 + 35,453 + 64,000 = 138,551 332,52 n KClO4 = = 2,4mol 138,551 O2 + H2 q = 2,4 mol 2F c 100 = 8.F = 8(96485 C) = 771880 C mol 60 q = 771880C 8F = mol Khí catot hiđro: n H = 2F / mol nRT 4.0,08205.298 = = 97,80 lit V H2 = P Khí anot oxi: nF tạo O2 = 0,4 = 3,2 F n VO = O2 = 3,2 F = 0,8 mol 4F / mol nRT 0,8.0,08205.298 = = 19,56 lit P 13 KẾT QỦA NGHIÊN CỨU Sau mở rộng, đào sâu kiến thức điện phân, em học sinh lớp 12 trung học phổ thông ban khoa học tự nhiên, đặc biệt em học sinh lớp chuyên hóa giải thấu đáo câu hỏi điện phân, làm thành thạo toán điện phân đề thi tuyển sinh vào đại học, đề thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh, chọn học sinh giỏi quốc gia quốc tế Thanh Hoá, tháng năm 2011 Tác giả Lê Văn Đậu 14 ... ý kiến xây dựng Mở rộng đào sâu kiến thức điện phân chương trình hóa học THPT I - ĐỊNH NGHĨA Sự điện phân trình oxi hoá - khử xảy bề mặt điện cực có dịng điện chiều qua chất điện li nóng chảy... Sau mở rộng, đào sâu kiến thức điện phân, em học sinh lớp 12 trung học phổ thông ban khoa học tự nhiên, đặc biệt em học sinh lớp chuyên hóa giải thấu đáo câu hỏi điện phân, làm thành thạo toán điện. .. thi tuyển sinh vào đại học, đề thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp quốc gia, quốc tế đề cập nhiều đến kiến thức điện phân Tuy nhiên, kiến thức điện phân chương trình hố học trung học phổ thơng