Giảng dạy một số nội dung điện hóa học ở trường trung học phổ thông

tieu luan

- 1 - PHẦN I. MỞ ðẦU I.1. Lí do chọn ñề tài. Hiện nay, việc ñổi mới nội dung và phương pháp dạy học là một trong những vấn ñề ñược rất nhiều người quan tâm. Một nhiệm vụ cơ bản của dạy học nhà trường là ñảm bảo cho học sinh nắm vững ñược kiến thức, làm cho học sinh hiểu ñúng bản chất của một vấn ñề. ðiều này ñòi hỏi ở người giáo viên cần phải có một phương pháp sư phạm vững chắc, kiến thức chuyên môn cao. Bên cạnh ñó ñòi hỏi học sinh phải tích cực hơn trong học tập ñể tự mình có thể chiếm lấy tri thức khoa học. ðiện hóa học là phần nội dung kiến thức rất quan trọng trong nội dung chương trình hóa học phổ thông hiện nay. ðược manh nha ở lớp 9 bậc trung học cơ sở, và trình bày rất rộng ở bậc trung học phổ thông. Chủ yếu nằm ở phần ñại cương về kim loại của lớp 12. ðây là phần lí thuyết cơ sở rất quan trọng ñể nghiên cứu tìm hiểu tính chất của kim loại và ion kim loại trong dung dịch. Vì vậy, trong quá trình truyền ñạt cần phải phát huy tính tích cực, năng lực tư duy, sáng tạo của học sinh. ðiện hóa học có những ứng dụng gì? Chúng tuân theo qui luật như thế nào? ðặc biệt việc dạy và học chúng ở chương trình trung học phổ thông ra sao? Là một giáo viên tương lai bạn cần chuẩn bị những gì? Cách trình bày của bạn ñối với học sinh ra sao?. Với những lí do cơ bản ñó, tôi ñã quyết ñịnh chọn ñề tài nghiên cứu: “Giảng dạy một số nội dung ñiện hóa học ở trường trung học phổ thông”. I.2. Mục ñích nghiên cứu. Tìm hiểu nội dung ñiện hóa học và phương pháp giảng dạy nội dung ñó trong chương trình trung học phổ thông. - 2 - I.3. Nhiệm vụ của ñề tài. - Nghiên cứu những cơ sở xây dựng và những yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng hóa học của kim loại theo ñiện hóa học - Tìm hiểu nội dung, cấu trúc chương trình ðiện hóa học ở trường trung học phổ thông. - Thiết kế một số giáo án giảng dạy phần ñiện hóa học ở trường trung học phổ thông. - Tìm hiểu thực trạng. I.4.Khách thể, ñối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Khách thể. Các tài liệu có liên quan. - ðối tượng. Giáo viên – học sinh trung học phổ thông - Phạm vi nghiên cứu: Trường THPT, Giáo viên, Học sinh, Và các tài liệu có liên quan. I.5. Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lí thuyết. - Nghiên cứu thực tiễn. - Thực tập giảng dạy. - Thống kê toán học - 3 - PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG I. MỘT SỐ CƠ SỞ I.1. Cơ sở lí luận của sự hình thành khái niệm ðiện Hóa Học. I.1.1. Tầm quan trọng của việc hình thành khái niệm ñiện hóa học ở trường THPT. Trong quá trình khái quát hóa những kiến thức về các chất riêng biệt và về những biến hóa của chúng, những khái niệm cơ bản về hóa học dần dần xuất hiện. Những khái niệm ñó trở thành ñiểm tựa, là vũ khí cho việc tiếp tục nghiên cứu các nguyên tố và các hợp chất hóa học. Lúc ñó, những khái niệm cơ bản dần dần ñựơc cụ thể hóa thêm, ñào sâu thêm và ngày càng phản ánh ñúng ñắng hơn các mặt phức tạp của vấn ñề. ðiện hóa học là phần kiến thức cơ sở quan trọng ñược ñặc ở ñầu chương “ ðại Cương Kim Loại” sách giáo khoa hóa học 12. Làm tiền ñề cơ sở, và là lí thuyết chủ ñạo cho việc tìm hiểu tính chất hóa học của kim loại, ion kim loại trong dung dịch. Vì thế trong việc giảng dạy hóa học, người giáo viên cần chú ý rèn luyện cho học sinh thói quen nhận thức các sự kiện thực nghiệm về phản ứng hóa học dưới ánh sáng của của các lí thuyết khác nhau, trong ñó có lí thuyết ñiện hóa học. Việc vận dụng lí thuyết ñiện hóa học trong dạy học hóa học không những có ý nghĩa hết sức to lớn ñối với việc nghiên cứu tính chất hóa học của các chất, hợp chất mà còn cả ñối với việc hệ thống chúng cùng với những lí thuyết hóa học khác. I.1.2. Nội dung nghiên cứu ðiện Hóa Học ở chương trình trung học phổ thông Muốn hình thành có hiệu quả cho học sinh một khái niệm hoặc hệ thống khái niệm nào ñó, người giáo viên cần xét kỉ nhiều mặt của khái niệm trước khi tiến hành giảng dạy. Muốn xét vấn ñề này cần phải xuất phát từ mục tiêu ñào tạo của cấp học và nhiệm vụ ñức – trí dục của môn học tức là phải dựa chắc chắn vào nội dung chương trình của bộ môn ñó. Nói chung việc nghiên cứu sự hình thành của nội dung kiến thức ñiện hóa học cần trải qua các bước sau. - 4 - - Xét vị trí và tầm quan trọng của nội dung ñiện hóa học trong chương trình bộ môn. - Xét cấu trúc của nội dung ñiện hóa học: ðiện hóa học bao gồm những nội dung nào mà ta phải hình thành cho học sinh. Cần dựa vào trình ñộ phát triển chung của học sinh mà xét kỉ khối lượng, mức ñộ nông hay sâu của những kiến thức ñó. Như vậy ở ñây có hai bước phải thực hiện. + Xét cấu trúc của nội dung ñiện hóa học theo quan ñiểm hiện ñại của khoa học (dựa vào chương trình hóa học ở bậc ñại học) + Lựa chọn kiến thức và kỉ năng, kỉ xảo cần truyền thụ cho học sinh phổ thông căn cứ vào trình ñộ phát triển của họ. - Phân tích sự hình thành nội dung ñiện hóa học trong suốt chương trình cả THCS và THPT. Trong từng giai ñoạn, nội dung kiến thức ñiện hóa học ñược hình thành và phát triển ra sao, có những yêu cầu gì về cả kiến thức lẫn kỉ năng kỉ xảo. Ở ñây còn phải xem xét từng khía cạnh của khái niệm, tức là những kiến thức cơ bản là thành phần cấu trúc của nội dung ñiện hóa học ñã ñược hình thành và phát triển như thế nào? - Tìm ra những biện pháp sư phạm hiệu nghiệm nhất thích hợp với từng giai ñoạn, nhằm thực hiện ñược yêu cầu riêng của từng giai ñoạn ñó cũng như yêu cầu chung về việc hình thành nội dung ñiện hóa học I.2. Cơ sở lí thuyết của khái niệm ñiện hóa học. I.2.1. Phản ứng oxi hóa - khử. Phản ứng oxi hóa - khử là loại phản ứng trong ñó có sự chuyển electron hoàn toàn (hoặc một phần) từ nguyên tử (hay ion) này sang nguyên tử (hay ion) khác. Kết quả là trong phản ứng có sự thay ñổi số oxi hóa của một hoặc vài nguyên tố. - Chất oxi hóa là chất chứa nguyên tố nhận electron. - Chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron - Quá trình cho electron của chất khử ñược gọi là sự oxi hóa. - Quá trình nhận electron của chất oxi hóa ñược gọi là sự khử. - 5 - Ví dụ: ++++ +→+ 2432 22 FeSnFeSn [ ] Kh SneSn ++ →− 42 2 (sự oxi hóa) ; [ ] 3 2 1Fe e Fe Ox + + + → (sự khử) I.2.2. Cặp oxi hóa khử. Hai ion +3 Fe và +2 Fe ñược gọi là một cặp oxi hóa khử liên hợp, trong ñó +3 Fe là dạng oxi hóa , +2 Fe là dạng khử liên hợp của +3 Fe . Tổng quát: - Dạng oxi hóa nhận electron →dạng khử liên hợp. - Dạng khử cho electron → dạng oxi hóa khử liên hợp. Với một phản ứng oxi hóa khử bất kì, ta luôn có: Kh (2) → Ox(2) + ne sự oxi hóa Ox(1) + ne → Kh(1) sự khử Ox(1) + Kh(2) → Kh(1) + Ox(2) Ta nhận thấy tính oxi hóa của dạng oxi hóa cặp thứ nhất Ox(1) mạnh hơn tính oxi hóa của dạng oxi hóa cặp oxi hóa thứ hai Ox(2). ðể ñánh giá ñộ mạnh của một cặp oxi hóa khử liên hợp, người ta sử dụng ñại lượng thế ñiện cực. I.2.3. Thế ñiện cực – Phân loại ñiện cực – Cách xác ñịnh. I.2.3.1.Thế ñiện cực Một thanh kim loại nhúng vào dung dịch muối của nó tạo thành một ñiện cực Ví dụ: Thanh Zn nhúng vào dung dịch ZnSO 4 tạo thành ñiện cực Zn. Giữa kim loại và dung dịch bao quanh nó phát sinh một hiệu số ñiện thế gọi là thế ñiện cực ne - 6 - I.2.3.2. Phân loại ñiện cực 1. ðiện cực kim loại. Khi nhúng một thanh kim loại M vào nước thì do tác dụng của các phân tử có cực của nước, các ion kim loại n M + bị tách ra khỏi bề mặt kim loại tạo thành các ion kim loại hiñrat, còn các electron ở lại trong thanh kim loai. Kết quả là thanh kim loại tích ñiện âm, còn dung dịch tích ñiện dương, tạo nên cân bằng ñộng sau: . ( ) ( ) n M aq ne trong thanhkimloai M tt aq + + + 2. ðiện cực oxi hóa khử. ðiện cực oxi hóa khử là một ñiện cực gồm một kim loại trơ nhúng trong dung dịch chứa một cặp oxi hóa khử. Kim loại trơ là kim loại mà ion của nó không chuyển vào trong dung dịch, thường dùng platin hoặc vàng. Ví dụ: Platin nhúng trong dung dịch chứa cặp oxi hóa khử 3 2 Fe Fe + + (có thể dùng dung dịch FeCl 3 và FeCl 2 ) Kết quả là tồn tại cân bằng ñộng sau: 3 2 Fe e Fe + + +  Vậy ở ranh giới giữa kim loại và dung dịch tồn tại một lớp ñiện tích kép và sinh ra một hiệu số ñiện thế tương tự như ñiện cực kim loại. Thế ñiện cực của ñiện cực loại này phụ thuộc vào bản chất của cặp oxi hóa – khử, vào tỉ số nồng ñộ của dạng oxi hóa và dạng khử và vào nhiệt ñộ. 3. ðiện cực hiñro chuẩn. Giá trị tuyệt ñối của hiệu số ñiện thế sinh ra giữa kim loại làm ñiện cực và dung dịch ñiện cực không thể xác ñịnh ñược một cách trực tiếp, nên phải quy ước lấy một ñiện cực nào ñó làm chuẩn và gán cho nó một giá trị hiệu số ñiện thế ñể so sánh với các ñiện cực khác. ðiện cực ñược chọn làm chuẩn là ñiện cực hiñro chuẩn. ðây là loại ñiện cực oxi hóa khử gồm dây platin có khả năng hấp phụ tốt hiñro (dạng khử), ñược nhúng trong dung dịch H 2 SO 4 là dung dịch chứa dạng oxi hóa H 3 O + - 7 - Hình I.1. Cấu tạo ñiện cực hiddro chuẩn. Khi ñó tồn tại cân bằng sau: 3 2( ) 2 2 2 k H O e H H O + + + ðiện cực hiñro chuẩn phải có ñiều kiện chuẩn sau: - Áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) của khí hiñro bằng 1atm. - Nồng ñộ (chính xác hơn là hoạt ñộ) của H 3 O + bằng 1mol/l - Thế ñiện cực của ñiện cực hiñro tiêu chuẩn ở nhiệt ñộ bất kì ñược quy ước bằng 0,00V và ñược kí hiệu như sau: 0 3 2 0,00 H O V H ε +   =     Giá trị này ñược gọi là thế ñiện cực hiñro chuẩn hoặc thế oxi hóa – khử chuẩn hoặc thế khử chuẩn của cặp oxi hóa – khử 3 2 H O H +       . I.2.3.3. Cách xác ñịnh thế ñiện cực chuẩn của một cặp oxi hóa khử ðể so sánh ñược thế ñiện cực của các loại ñiện cực khác nhau cần phải có những quy ước thống nhất cho các loại ñiện cực. Những quy ước này như sau: - ðiều kiện chuẩn của các ñiện cực: Một ñiện cực ñược coi là ở ñiều kiện chuẩn khi nồng ñộ (chính xác hơn là hoạt ñộ) của cấu tử tham gia phản ứng ñiện cực bằng 1mol/l, nếu là chất khí thì áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) riêng phần của nó bằng 1atm. - Chiều của phản ứng ñiện cực là chiều của quá trình khử. ox + ne kh Ở ñây: ox – dạng oxi hóa; kh – dạng khử. - Ở một nhiệt ñộ xác ñịnh . ðể xác ñịnh thế ñiện cực chuẩn của một ñiện cực nào ñó, người ta thiết lập một pin gồm ñiện cực chuẩn cần xác ñịnh thế ñiện cực và ñiện cực hiñro tiêu chuẩn rồi ño hiệu - 8 - số ñiện thế lớn nhất giữa hai ñiện cực. Hiệu số ñiện thế lớn nhất này là thế ñiện cực chuẩn của ñiện cực xác ñịnh hay còn gọi là thế khử chuẩn của cặp oxi hóa – khử xác ñịnh (vì thế của ñiện cực hiñro chuẩn ñược quy ước bằng 0,00V). Thế khử chuẩn của cặp oxi hóa khử ở nhiệt ñộ xác ñịnh ñược kí hiệu là ( ) 0 ox kh ε Thế khử chuẩn ño ñược sẽ có giá trị dương nếu ñiện cực cần ño cao hơn thế ñiện cực hiñro chuẩn, nghĩa là ñiện cực cần ño thế ñiện cực là ñiện cực dương (catot) của pin và ngược lại nó có giá trị âm. I.2.4. Thế ñiện cực chuẩn của kim loại. Là thế của bán phản ứng khi tất cả các thành phần của ngăn ñiện cực ñều ở ñiều kiện tiêu chuẩn. Ghép ñiện cực kim loại tiêu chuẩn với ñiện cực hydro tiêu chuẩn thành một nguyên tố Galvani, ño suất ñiện ñộng của nguyên tố ñó và xác ñịnh chiều của dòng ñiện. Ví dụ: ðo thế ñiện cực tiêu chuẩn của ñiện cực Zn. Lập pin gồm ñiện cực kẽm tiêu chuẩn và ñiện cực hyñro tiêu chuẩn ([H + ] = [Zn 2+ ] = 1M) (-) Zn │Zn 2+ ║ H + │ H 2 (Pt) (+) Thực nghiệm cho thấy phi kim hoạt ñộng thì ñiện cực hyñro tiêu chuẩn là cực dương và ñiện cực kẽm tiêu chuẩn là cực âm. Suất ñiện ñộng của pin: E 0 = 0,763V E 0 pin = ε 0 2H+/ H2 - ε 0 Zn2+/ Zn = 0,763V Vậy ε 0 Zn2+/ Zn = ε 0 2H+/ H2 - E 0 pin = 0 – 0,763 = -0,763V Bằng cách tương tự người ta xác ñịnh ñược thế ñiện cực tiêu chuẩn của các ñiện cực kim loại và các cặp oxi hóa khử rồi xếp thành bảng thế ñiện cực tiêu chuẩn của các cặp oxi hóa khử ( Xem phụ lục 1 ) - 9 - I.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng ñến thế ñiện cực. I.2.5.1. Phương trình Nerst. Trong các phần trên, ta ñã nhiều lần nhấn mạnh rằng, 0 E là thế của các phản ứng trong ñó nồng ñộ dung dịch và áp suất của các khí tham gia phản ứng oxi hóa khử ñều bằng ñơn vị. Khi thay ñổi nồng ñộ dung dịch và áp suất của các khí thì trị số thế E sẽ khác với trị số 0 E chuẩn. Những ảnh hưởng trên ñược nhà hóa học và vật lí học người ðức là Walter Nerst tìm ra và khái quát nó như sau: Q nF RT EE ln 0 −= Ở 25 0 C, hay T= 298K ta có. Q n EE lg 059,0 0 −= Với phản ứng tổng quát sau: aA + bB = cC + dD thì ta có: [ ] [ ] [ ] [ ] ba dc BA DC Q = E có thể là thế của ñiện cực hoặc thế của phản ứng. I.2.5.2. Ảnh hưởng của nồng ñộ hay hoạt ñộ. Từ phương trình Nerst : [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0,059 lg c d a b C D E E n A B = − Ta thấy E phụ thuộc vào nồng ñộ của các chất A,B,C,D 1/ Xét trường hợp E là thế ñiện cực. Ta có: aOxh + ne → bKh Phương trình Nerst: [ ] [ ] a b Oxh Kh n lg 059,0 0 −= εε 2/ E là thế của phản ứng. - 10 - Xét phản ứng: aOx 2 + bKh 1 = cKh 2 + dOx 1 [ ] [ ] [ ] [ ] ba dc KhOx OxKh n EE 12 12 0 lg 059,0 −= ; Với 000 1 1 2 2 Kh Ox Kh Ox E εε −= ⇒ Kết luận: Từ hai biểu thức trên ta thấy nồng ñộ dạng oxi hóa và dạng khử ảnh hưởng rất lớn ñến giá trị ,E ε I.2.5.3. Ảnh hưởng của áp suất Xét phản ứng sau ở 25 0 C. 2 0 2( ) ( ) 2 2 2 ; 1,36 k aq Cl Cl Cl e Cl V ε − − + → = Ở ñiều kiện trên ta có: [ ] ( ) V p Cl Cl 567,1 10 10 lg 2 059,0 36,1lg 2 059,0 3 2 0 2 =−=−= −− εε ⇒ Kết luận: Áp suất ảnh hưởng khá mạnh ñến thế ñiện cực của phản ứng. I.2.5.4. Ảnh hưởng của pH. Nếu trong quá trình oxi hóa khử, có ion H + hoặc OH - tham gia thì thế của phản ứng cũng phụ thuộc vào pH của chúng. Truờng hợp tổng quát: Khi tất cả các chất tham gia phản ứng oxi hóa – khử (trừ H + ) ñều có nồng ñộ và áp suất bằng ñơn vị, ta có biểu thức. 0 0,059 m pH n ε ε = − m, Số ion H + hoặc OH - trong phương trình chung n; Số electron trao ñổi trong phương trình chung ⇒ Kết Luận: pH ảnh hưởng lớn ñến thế của phản ứng. I.2.5.5. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ. Ở một nhiệt ñộ bất kì ta có: )1( p T G HG       ∂ ∆∂ +∆=∆ và )2(nFEG −=∆ Từ (1) và (2) ta có: T E T nF E ∂ ∂ + ∆Η −= hoặc dT dE T nF E + ∆Η −= . Giảng dạy một số nội dung ñiện hóa học ở trường trung học phổ thông . I.2. Mục ñích nghiên cứu. Tìm hiểu nội dung ñiện hóa học và phương pháp giảng dạy. ñộng hóa học của kim loại theo ñiện hóa học - Tìm hiểu nội dung, cấu trúc chương trình ðiện hóa học ở trường trung học phổ thông. - Thiết kế một số giáo