Sự điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Điện phân là một nội dung được giảng dạy khá nhiều trong chương trình hóa học phổ thông từ lớp 8 đến lớp 12. Điện phân có rất nhiều vai trò và ứng dụng trong thực tiễn như: Xử lý nước thải, tạo dung dịch Giaven có tác dụng khử trùng, tẩy trắng trong công nghiệp giấy, vải,…tổng hợp các chất hữu cơ, tinh luyện kim loại, tách và phân tích các chất trong hỗn hợp, đúc điện, mạ điện. Để chế tạo dụng cụ điện phân có thể đi từ các vật dụng đơn giản bao gồm: Hộp nhựa bảo quản thực phẩm, pin điện, sạc điện thoại,...đây là những nguyên liệu dễ kiếm và tiết kiệm chi phí. Những nguyên liệu này nếu không được tái sử dụng sẽ dễ gây ô nhiễm môi trường do khó bị phân hủy. Từ các cơ sở thực tiễn đó, chúng em đã kết hợp những nguyên liệu ở trên để chế tạo thành bộ dụng cụ điện phân đơn giản để phục vụ học tập và nghiên cứu khoa học. Qua đó đề tài cũng giúp tích cực hóa người học và vận dụng kiến thức hóa học vào đời sống cũng như góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.
TĨM TẮT Sự điện phân q trình oxi hóa - khử xảy bề mặt điện cực có dòng điện chiều qua chất điện li nóng chảy dung dịch chất điện li Điện phân nội dung giảng dạy nhiều chương trình hóa học phổ thơng từ lớp đến lớp 12 Điện phân có nhiều vai trò ứng dụng thực tiễn như: Xử lý nước thải, tạo dung dịch Giaven có tác dụng khử trùng, tẩy trắng công nghiệp giấy, vải,…tổng hợp chất hữu cơ, tinh luyện kim loại, tách phân tích chất hỗn hợp, đúc điện, mạ điện Để chế tạo dụng cụ điện phân từ vật dụng đơn giản bao gồm: Hộp nhựa bảo quản thực phẩm, pin điện, sạc điện thoại, nguyên liệu dễ kiếm tiết kiệm chi phí Những nguyên liệu không tái sử dụng dễ gây nhiễm mơi trường khó bị phân hủy Từ sở thực tiễn đó, chúng em kết hợp nguyên liệu để chế tạo thành dụng cụ điện phân đơn giản để phục vụ học tập nghiên cứu khoa học Qua đề tài giúp tích cực hóa người học vận dụng kiến thức hóa học vào đời sống góp phần làm giảm nhiễm mơi trường PHẦN I: GIỚI THIỆU VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Lý chọn đề tài Trong sống hàng ngày gặp khơng vật dụng có nguồn gốc từ loại nhựa polystyrene, polyvinyl clorua (PVC), polyethylene, polycarbonate phthalates Chúng không tốt cho sức khỏe sử dụng nhiều lần trình bảo quản thực phẩm Đặc biệt khơng có biện pháp xử lý thích hợp, loại nhựa thải môi trường gây hậu nghiêm trọng Theo thống kê, hàng năm có tới triệu rác nhựa đổ đại dương toàn giới, khoa học gia cho hay, số rác nhựa làm ô nhiễm lượng muối ăn hàng ngày Cụ thể, nhà khoa học ĐH Đông Trung Quốc (Thượng Hải) thử kiểm tra mẫu muối làm từ nhiều nguồn khác nhau: muối biển, muối từ hồ nước mặn, muối mỏ Kết cho thấy muối biển có chứa tới 550 - 681 hạt nhựa siêu vi/kg Muối làm từ hồ nước mặn muối mỏ có tỉ lệ thấp - khoảng 204 hạt/kg Một người bình thường khoảng - 12g muối ngày, tức năm nuốt tới hàng ngàn hạt nhựa vậy.Theo nghiên cứu công bố hồi đầu năm nay, năm đại dương giới phải hứng chịu từ đến triệu rác thải nhựa Con số cao 33 lần so với dự đốn trước đây.Có tới phân nửa số rác thải đến từ quốc gia châu Á, dẫn đầu Trung Quốc với 2,4 triệu tấn, chiếm khoảng 30% Theo sau Trung Quốc Indonesia, Philippines, Việt Nam Sri Lanka Đồng thời, nhóm quốc gia phát triển có Mỹ nằm top 20 với khoảng 77,000 tấn, tương đương gần 1% tổng số rác thải nhựa đổ biển Pin ắc quy công nghệ ngày trở nên quan trọng với lên máy tính xách tay, điện thoại, thiết bị điều khiển từ xa thiết bị cầm tay sử dụng điện Hiện Việt Nam, việc xử lý chúng chưa có quy hoạch tổng thể, cơng tác thu gom, vận chuyển, xử lý chất thải chúng mang tính tự phát, chưa quy định quy trình, kỹ thuật dẫn đến môi trường ngày bị ô nhiễm Do pin, ắc quy có chứa kim loại, axit hợp chất khác phát tán mơi trường gây nhiễm khơng có biện pháp xử lý thích hợp Nước Giaven hỗn hợp khí sục Cl2 dư vào dung dịch NaOH Nước Giaven hỗn hợp hai muối NaCl NaClO Muối NaClO có tính oxi hóa mạnh, nước Giaven có tính tẩy màu sát trùng Do thường dùng để tẩy trắng vải, sợi, giấy tẩy uế chuồng trại vệ sinh Muối NaClO – muối axit yếu hipoclorơ, dễ tác dụng với CO không khí tạo axit hipoclorơ có tính oxi hóa mạnh Nước Giaven có nhiều ứng dụng đời sống sinh hoạt người như: Tẩy trắng quần áo vải sợi, khử trùng, làm nước sinh hoạt Tại vùng thiếu nước sinh hoạt vùng lũ sau nước rút nhu cầu sử dụng nước Giaven để khử trùng nước làm nước sinh hoạt thiếu Xã hội ngày phát triển, người có nhu cầu học tập, nghiên cứu Đặc biệt vùng khó khăn, bạn học sinh gặp nhiều thiếu thốn học tập thiếu thiết bị thực hành thí nghiệm Tại không tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có chế tạo nên dụng cụ điện phân đơn giản với mục đích phục phụ phần nhỏ nhu cầu người sinh hoạt, học tập giảm bớt gánh nặng rác thải sinh hoạt – vấn đề mà giới phải đối mặt 1.1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Dụng cụ điện phân chế tạo từ vật dụng sẵn có sinh hoạt có khả điều chế lượng nhỏ nước Giaven phục vụ cho số nhu cầu sinh hoạt hộ gia đình như: - Dùng để tẩy trắng sợi, vải, giấy - Sát trùng tẩy uế nhà vệ sinh khu vực bị ô nhiễm khác - Làm nguồn nước - Ngoài sản phẩm giúp giáo viên học sinh vùng khó khăn tự chế tạo dụng cụ dạy học hóa học 1.1.3 Điểm đề tài Chỉ với dụng cụ điện phân đơn giản dạy học nhiều chương trình hóa học phổ thơng, qua phát huy tính sáng tạo, niềm đam mê nghiên cứu khoa học giáo dục hướng nghiệp kĩ thuật tổng hợp cho học sinh Bộ dụng cụ chế tạo đơn giản, nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền phục vụ thiết yếu cho sống người điều chế nước Giaven dùng sinh hoạt gia đình 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Nghiên cứu lý luận 1.2.1.1 Giới thiệu q trình điện phân Trong hóa học sản xuất chế tạo, điện phân phương thức sử dụng dòng điện chiều để thúc đẩy phản ứng hóa học mà khơng có dòng điện khơng tự xảy Điện phân có tầm quan trọng cao mặt thương mại khâu việc tách riêng nguyên tố hóa học từ nguồn tài nguyên tự nhiên từ quặng Điện áp cần thiết để tượng điện phân xảy gọi điện phân Theo quan điểm đại điện phân q trình oxi hóa, q trình khử xảy bề mặt điện cực có dòng điện chiều qua dung dịch chất điện li hay chất điện li trạng thái nóng chảy Bình điện phân dụng cụ dùng để chứa điện phân chất điện li trạng thái dung dịch nóng chảy Bình làm vật liệu trơ với dung dịch chất điện phân Bên bình có điện cực trái dấu cấp vào nguồn chiều Điện cực âm (âm cực, cực âm, catot) điện cực nối với cực âm nguồn điện chiều, nơi phát electron Tại bề mặt catot ln có q trình khử xảy ra, q trình chất oxi hóa nhận electron để tạo thành chất khử tương ứng Khi có nhiều chất oxi hóa khác nhau, thường ion kim loại khác (ion dương) catot ion kim loại có tính oxi hóa mạnh bị khử trước Khi hết chất oxi hóa mạnh mà điện phân tiếp tục chất oxi hóa yếu bị khử sau Thí dụ ion kim loại: Cu 2+, Fe2+, Ag+ catot bình điện phân thứ tự điện phân là: Ag +, Cu2+, Fe2+ Quá trình khử chung catot viết: Mn+ + n.e → M Điện cực dương (cực dương, dương cực, anot) điện cực nối với cực dương nguồn điện chiều, nơi hút electron Tại bề mặt anot ln có q trình oxi hóa xảy ra, q trình chất khử cho electron để tạo thành chất oxi hóa tương ứng Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường anion phi kim anot ion mạnh bị oxi hóa trước Khi hết chất khử mạnh mà điện phân tiếp tục chất khử yếu bị oxi hóa sau Thí dụ ion I- , Cl- ,Br - anot bình điện phân thứ tự điện phân là: I- ,Br - ,Cl- Q trình oxi hóa chung anot viết: Xm- → X + m.e Trong dãy điện hóa, người ta xếp kim loại theo thứ tự từ trước sau có độ mạnh tính khử giảm dần Các ion kim loại theo thứ tự từ trước sau có độ mạnh tính oxi hóa tăng dần Thế oxi hóa – khử chuẩn cặp oxi hóa – khử lớn chất oxi hóa mạnh chất khử tương ứng yếu Dãy điện hóa kim loại xếp sau: 1.2.1.2 Sự điện phân chất điện li a Điện phân chất điện li nóng chảy Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy kim loại có tính khử mạnh Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al - Điện phân NaCl nóng chảy biểu diễn sơ đồ: � NaCl �� � Anot ( + ) Catot ( – ) �� 2| Na+ + 1e → Na 2Cl- → Cl2 + 2.1e Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị điện phân NaCl nóng chảy Phương trình điện phân là: 2NaCl DPNC ��� � 2Na + Cl Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất trình điện phân Một số chất phụ gia NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy hệ điện phân - Điện phân NaOH nóng chảy biểu diễn sơ đồ: � NaOH �� � Anot ( + ) Catot ( – ) �� 4| Na+ + 1e → Na 4OH- → O2 + 2H2O + 4e DPNC � 4Na + O2 + 2H2O Phương trình điện phân là: 4NaOH ��� - Điện phân Al2O3 nóng chảy xúc tác criolit (Na3AlF6) biểu diễn sơ đồ: Catot ( – ) � Al2O3 � Anot ( + ) 4| Al3+ + 3e → Al 3| 2O2- → O2 + 2.2e DPNC Phương trình điện phân là: 2Al2O3 ��� � 4Al + 3O2 Hình 1.2: Sơ đồ thiết bị điện phân Al 2O3 nóng chảy Criolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng làm giảm nhiệt độ nóng chảy Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, ngồi làm tăng độ dẫn điện hệ tạo lớp ngăn cách sản phẩm điện phân mơi trường ngồi Anot làm than chì điện cực bị ăn mòn dần chúng cháy oxi sinh: t t C + O2 �� � CO2 2C + O2 �� � 2CO o o b Điện phân dung dịch chất điện li nước Trong điện phân dung dịch, ion chất điện li phân li có ion H+ OH- nước Do việc xác định sản phẩm điện phân phức tạp Tùy thuộc vào tính khử tính oxi hóa ion có bình điện phân mà ta thu sản phẩm khác Ví dụ điện phân dung dịch NaCl, ion Na +, H+(H2O) catot ion Cl-, OH-(H2O) anot Ion số chúng phóng điện điện cực Cơ sở để giải đề dựa vào giá trị oxi hóa – khử cặp Trong q trình điện phân, catot diễn khử Vì có nhiều dạng oxi hóa trước hết dạng oxi hóa cặp lớn bị khử trước Ngược lại anot diễn oxi hóa dạng khử cặp oxi hóa – khử nhỏ trước Khả phóng điện cation catot: Ở catot xảy trình khử sau đây: Mn+ + ne → M 2H+(axit) + 2e → H2 Hoặc ion hiđro nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OHDạng oxi hóa cặp lớn dễ bị khử Theo dãy oxi hóa – khử khả bị khử ion kim loại sau: Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…dễ bị khử thứ tự tăng dần Từ Al3+ đến ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+…không bị khử dung dịch Các ion H+ axit dễ bị khử ion H+ nước Khả phóng điện anion anot: Ở anot xảy q trình oxi hóa anion gốc axit Cl-, S2-…hoặc ion OH- bazơ kiềm nước 2Cl- → Cl2 + 2.1e 4OH- → O2 + 2H2O + 4e Hoặc ion OH- nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Dạng khử cặp oxi hóa – khử nhỏ dễ bị oxi hóa Theo dãy oxi hóa – khử khả bị oxi hóa anion sau: Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa theo thứ tự: RCOO- < Cl- < Br- < I- < S2-… Các anion gốc axit NO3- , SO 42- , PO3-4 , CO32- , ClO-4 …khơng bị oxi hóa Riêng ion OH- kiềm nước khó bị oxi hóa ion S 2-, I-, Br-, Cl-… Nếu điện phân không dùng anot trơ graphit, platin (Pt) mà dùng kim loại Ni, Cu, Ag…thì kim loại dễ bị oxi hóa anion oxi hóa – khử chúng thấp hơn, chúng tan vào dung dịch (anot tan) Một số ví dụ: - Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ biểu diễn sơ đồ: � CuCl2 �� � Anot ( + ) Catot ( – ) �� Cu2+ + 2e �� � Cu 2Cl- �� � Cl2 + 2.1e � Cu + Cl2 Phương trình điện phân là: CuCl2 �� - Điện phân dung dịch K2SO4 với anot trơ biểu diễn sơ đồ: � K2SO4 �� � Anot (+) Catot (–) �� H2O, K+ H O , SO 2-4 (H2O) 2| 2H2O + 2e �� � H2 + 2OH- 2H2O �� � O2 + 4H+ + 4e � 2H2 + O2 Phương trình điện phân là: 2H2O �� - Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn biểu diễn sơ đồ: Catot ( – ) �� � NaCl �� � Anot ( + ) H2O, Na+ (H2O) 2H2O + 2e �� � H2 + 2OH- Cl-, H2O 2Cl- �� � Cl2 + 2.1e CMN � 2NaOH + H2 + Cl2 Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H2O ��� Nếu khơng có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH �� � NaCl + NaClO + H2O nên phương trình điện phân là: NaCl + H 2O KMN ��� � NaClO + H2 - Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ biểu diễn sơ đồ: Catot ( – ) �� � NiSO4 �� � Anot ( + ) Ni2+, H2O (H2O) � Ni 2| Ni2+ + 2e �� H O , SO 2-4 � O2 + 4H+ + 4e 2H2O �� Phương trình điện phân là: 2NiSO4 + 2H2O �� � 2Ni + 2H2SO4 + O2 - Điện phân dung dịch NiSO4 với anot Cu biểu diễn sơ đồ: � NiSO4 �� � Cu ( + ) Catot ( – ) �� Ni2+, H2O H2O, SO42- (H2O) � Ni Ni2+ + 2e �� � Cu2+ + 2e Cu �� Phương trình điện phân là: NiSO4 + Cu �� � CuSO4 + Ni - Điện phân dung dịch CuSO4 với anot Cu (như hình vẽ sau đây): Hình 1.3: Sơ đồ thiết bị điện phân dung dịch CuSO4 Ở catot ( – ): Cu2+(dd) + 2e �� � Cu làm giảm nồng độ ion Cu2+ bên nhánh trái ống chữ U Ở anot ( + ): Cu(r) �� � Cu2+(dd) + 2e làm tăng nồng độ ion Cu2+ bên nhánh trái ống chữ U anot bị hòa tan Phương trình điện phân là: Cu(r) + Cu2+(dd) �� � Cu2+(dd) + Cu(r) - Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 HCl với anot trơ biểu diễn sơ đồ: � FeCl3, CuCl2, HCl �� � Anot ( + ) Catot ( – ) �� Fe3+, Cu2+, H+ � Fe2+ 2| Fe3+ + 1e �� � Cl2 + 2.1e 2Cl- �� Cu2+ + 2e �� � Cu � H2 2H+ + 2e �� Fe2+ + 2e �� � Fe Quá trình điện phân xảy điện cực là: 2FeCl3 �� � 2FeCl2 + Cl2 � Cu + Cl2 CuCl2 �� 2HCl �� � H2 + Cl2 � Fe + Cl2 FeCl2 �� Định luật Faraday: Khối lượng chất giải phóng điện cực tỉ lệ với điện lượng qua dung dịch đương lượng chất Cơng thức tính khối lượng chất giải phóng điện cực: m= AIt nF đó: m: khối lượng chất giải phóng điện cực (gam) A: khối lượng mol nguyên tử chất thu điện cực n: số electron mà nguyên tử ion cho nhận I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian điện phân (s) F: số Faraday điện tích mol electron hay điện lượng cần thiết để mol electron chuyển dời mạch catot anot (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1) A : đương lượng gam hóa học n It Biểu thức liên hệ: Q = I.t = 96500.ne � ne = (ne số mol electron trao đổi F điện cực) - Điện phân 100 mL dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng điện I = 1,93A Dung dịch thu sau điện phân có pH = 12 Biết 10 Kim loại mạ thường vàng, bạc, đồng, niken dùng việc sản xuất đồ trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ, Sử dụng dụng cụ điện phân khắc phục phần khó khăn tình trạng trang thiết bị, đồ dùng học tập hạn chế Trong sinh hoạt nước Giaven hóa chất thường xuyên sử dụng Dung dịch Giaven thường dùng với nhiều mục đích như: Dùng để tẩy trắng sợi, vải, giấy, sát trùng tẩy uế nhà vệ sinh khu vực bị ô nhiễm khác làm nguồn nước Đặc biệt số nơi sau lũ rút nguồn nước bị ô nhiễm cần phải làm nước Giaven Nhiều khu vực đời sống kinh tế khó khăn, nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt cao nên nhiều gia đình có thói quen tích trữ nước Giaven, khơng biết bảo quàn gây ảnh hưởng đến sức khỏe làm giảm hoạt tính hóa chất Do có sẵn dụng cụ sản xuất nước Giaven tốt nhiều so với trình dự trữ… 1.3 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Từ sở lý luận thực tiễn chúng em bắt tay vào chế tạo dụng cụ điện phân từ nguồn nguyên liệu đơn giản, rẻ tiền, sẵn có nhằm phục vụ q trình dạy học hóa học trường phổ thơng, sản xuất nước Giaven số hóa chất khác cần thiết cho sống người, chế tạo dụng cụ học tập nghiên cứu khoa học cho bạn học sinh góp phần làm giảm lượng rác thải môi trường 1.4 DỰ KIẾN KẾT QUẢ THU ĐƯỢC Chế tạo thành công dụng cụ điện phân từ nguồn nguyên liệu sẵn có hướng dẫn bạn học sinh tự chế tạo dụng cụ điện phân phục vụ cho nhiệm vụ học tập, nghiên cứu khoa học Sử dụng dụng cụ điện phân có hiệu dạy học phục vụ đời sống như: Điều chế Nước Giaven thử hoạt tính dung dịch thu trình làm nước, tẩy trắng vải sợi… Biểu diễn số thí nghiệm thực hành dạy học hóa học trường phổ thông 12 PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết Tìm hiểu tài liệu thơng tin có liên quan đến đề tài như: + Tìm hiểu lý thuyết trình điện phân + Tìm hiểu cấu tạo số thiết bị điện phân + Tìm hiểu nguyên lý hoạt động số thiết bị điện phân + Một số nguồn nguyên liệu chế tạo số thiết bị sẵn có + Nước Giaven ứng dụng 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Quy trình chế tạo thiết bị điện phân từ vật dụng đơn giản - Thử khả hoạt động thiết bị thơng qua số thí nghiệm đơn giản - Xác định định lượng sản phẩm tạo thành từ thiết bị điện phân so với tính tốn lý thuyết - Thử hoạt tính sản phẩm thu sau điện phân - Phương pháp kiểm tra hiệu vấn trực tiếp (Giáo viên học sinh) sử dụng dụng cụ 2.3 Chế tạo dụng cụ điện phân đơn giản 2.3.1 Nguyên liệu - Bộ sạc điện thoại di động; - Hai điện cực than chì từ lõi pin thỏ; - Hộp nhựa bảo quản thực phẩm làm bình điện phân; - Nút cao su làm đế điện cực; - Một nhựa mỏng giấy bóng kính làm màng ngăn; - Dây dẫn điện; - Băng dính điện; - Công tắc điện; - Máy đo pH; - Đồng hồ bấm giờ; - Bình định mức (chai nhựa loại lít) 13 2.3.2 Hóa chất cách pha chế * Hóa chất: +) Muối ăn (dạng rắn); +) CuSO4 (dạng rắn, khan), Cu(NO3)2 (dạng rắn, khan); +) Dung dịch AgNO3 0,1M; +) Nước cất; +) Nước màu * Cách pha chế: Pha dung dịch NaCl 0,2M: Cân 11,7 gam NaCl (khoảng thìa cà phê) cho vào bình định mức lít (hoặc chai nhựa có dung tích lít) Thêm H 2O vào bình đến lít dung dịch ta có lít dung dịch NaCl 0,2M Pha dung dịch CuSO4 0,025M: Cân khoảng 4,00 gam CuSO4 rắn, khan cho vào bình định mức lít (hoặc chai nhựa có dung tích lít) Thêm H2O vào bình đến lít dung dịch ta có lít dung dịch CuSO4 0,025M Pha dung dịch AgNO3 0,1M: Cân khoảng 0,85 gam AgNO3 rắn cho vào bình định mức 50mL Thêm H2O vào bình đến 50mL dung dịch ta có 50mL dung dịch AgNO 0,1M Pha dung dịch Cu(NO3)2 0,1M: Cân khoảng 1,88 gam Cu(NO3)2 rắn, khan cho vào bình định mức 100 mL Thêm H2O vào bình đến 100mL dung dịch ta có 100mL dung dịch Cu(NO3)2 Một số hóa chất phục vụ cho thí nghiệm đưa hình 2.1 Hình 2.1: Một số hóa chất phục vụ cho thí nghiệm điện phân 14 PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 CHẾ TẠO BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN 3.1.1 Sơ đồ cấu tạo: Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo dụng cụ điện phân 3.1.2 Chế tạo dụng cụ điện phân: Từ nguồn nguyên liệu sẵn có nêu dụng cụ điện phân chế tạo qua bước sau: Bước 1: Chế tạo bình điện phân từ vật liệu sẵn có: - Chuẩn bị bình điện phân: Sử dụng hộp nhựa khoan thủng phía đáy kích thước hộp tối thiểu khoảng 210*135*110 mm làm bình điện phân Hình 3.2: Hộp nhựa dùng làm bình điện phân tự chế - Gắn đế cho bình điện phân: Chuẩn bị bốn nút cao su làm đế gắn vào bốn góc bình điện phân hình 3.3 15 Hình 3.3: Gắn đế cho bình điện phân - Tạo màng ngăn bình điện phân: Gắn kẹp màng ngăn nhựa chuẩn bị vào bình điện phân Hình 3.4: Chế tạo màng ngăn cho bình điện phân Bước 2: Chế tạo dụng cụ dẫn điện: - Nối sạc điện thoại, dây dẫn cơng tắc hình 3.5 16 Hình 3.5: Ghép nối sạc điện thoại, dây dẫn công tắc - Nối dây dẫn với điện cực than chì thu dụng cụ hình 3.6 Hình 3.6: Ghép nối dây dẫn điện cực Bước 3: Ghép nối bình điện phân với dụng cụ dẫn điện: Nối điện cực than chì vào bình điện phân ta thu dụng cụ điện phân Hình 3.7: Bộ dụng cụ điện phân tự chế Bộ sạc điện thoại di động; Hai điện cực than chì từ lõi pin thỏ; Hộp nhựa bảo quản thực phẩm làm bình điện phân; Nút cao su làm đế điện cực; 17 Một nhựa mỏng giấy bóng kính làm màng ngăn; Dây dẫn điện; Cơng tắc điện; Chú ý: Trong q trình thực keo dán sử dụng loại keo dán nhựa Không sử dụng keo dán không chịu nước Phần dây dẫn tiếp xúc với điện cực phải nằm bên ngồi bình điện phân Nhận xét: Từ vật liệu đơn giản, rẻ tiền chế tạo bình điện phân dung dịch sử dụng cho mục đích học tập, nghiên cứu điều chế số hóa chất phục vụ sinh hoạt người 3.1.3 Nguyên lý hoạt động Khi cắm phích điện dụng cụ điện phân vào nguồn điện xoay chiều Thông qua mạch chỉnh lưu (bộ sạc điện thoại), điện áp đặt vào 220V chuyển thành điện áp chiều 3,7V với cường độ dòng điện 1A đến điện cực anot catot làm than chì Nguồn điện pin thỏ (1,5V) ghép nối tiếp Khi cho chất điện li (dung dịch nóng chảy) vào bình điện phân Dưới tác dụng dòng điện chiều, trình điện phân xảy sau: Tại bề mặt catot xảy trình khử cation: Mn+ + n.e → M Tại bề mặt anot xảy q trình oxi hóa anion: Xm- → X + m.e 3.2 SỬ DỤNG BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN TRONG CHƯƠNG TRÌNH HĨA HỌC PHỔ THƠNG Hiện tượng điện phân bình điện phân dạy học nhiều chương trình hóa học phổ thơng Chúng em xin liệt kê chi tiết phần sau 3.2.1 Chương trình hóa học lớp 8: Có tiết học liên quan đến điện phân Cụ thể sau: Tiết 41: Điều chế oxi Tiết 49: Điều chế Hiđro 3.2.2 Chương trình hóa học lớp 10: 18 Có tiết học liên quan đến điện phân Cụ thể sau: Tiết 38: Clo: Sản xuất Clo cách điện phân dung dịch muối ăn có màng ngăn (sản phẩm phụ trình sản xuất NaOH) Tiết 42: Sơ lược hợp chất có oxi clo: Sản xuất nước Giaven (điện phân dung dịch muối ăn không màng ngăn) Tiết 49: Oxi – Ozon: Sản xuất Oxi công nghiệp phương pháp điện phân nước 3.2.3 Chương trình hóa học lớp 12 Có tiết học Cụ thể sau: Tiết 37: Điều chế kim loại: Điện phân muối số kim loại có tính khử trung bình yếu để điều chế kim loại Tiết 41,42,43,44,45,46,47: Kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, nhôm: Minh họa cho trình sản xuất kim loại kiềm, kiềm thổ nhôm Một số tập điện phân liên quan khác 3.3 ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 3.3.1 Các tập hóa học định lượng điện phân dạy học hóa học Trong chương trình hóa học phổ thơng có nhiều tập định lượng liên quan đến điện phân Do điều kiện có hạn, đề tài minh họa số tập hóa học điển hình tượng điện phân Bài tập Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 0,025M với điện cực trơ cường độ dòng điện 1A Khi catot bắt đầu có bọt khí dừng điện phân Xác định thời gian điện phân pH dung dịch Lời giải: n Cu 2+ 0,025.0,2 = 0,005(mol) Tại catot: 19 Cu 2+ + 0,005(mol) ne = 2e � 0,01(mol) Cu Fn e It 96500.0,01 � t= = = 965(s) F I � Cu + H 2SO + Phương trình điện phân: CuSO + H 2O 0,005(mol) O2 0,005(mol) n H+ = 0,005.2 = 0,01 � pH = 2,0 Kết thực nghiệm nhiều lần sau điện phân dụng cụ tự chế cho kết sau: Thời gian đo được: 965 � 60 giây Đo pH máy đo pH: 2,0 � 0,1 Nguyên nhân: Hóa chất pha chế, lần lấy có sai số, thiết bị thí nghiệm, dòng điện khơng ổn định, số q trình phụ xảy khác thí nghiệm Nhận xét: Kết từ tính tốn lý thuyết so với thực nghiệm dụng cụ điện phân chấp nhận Từ tốn tính khối lượng Cu sinh dùng để mạ diện tích vật liệu cho trước Ví dụ để mạ lượng đồng nắp bút nhơm tích 0,035 cm3 Từ khối lượng riêng Cu 8,9 g/cm 3, ta tính thể tích Cu m bao phủ: VCu = D = 0,005.64 �0,036(cm ) 8,9 VCu sinh > Vngoài nắp bút nhơm Như mạ đồng tồn nắp bút nhơm q trình điện phân 200ml CuSO4 0,025M 20 Hình 3.8: Kết thực nghiệm trình điện phân dung dịch CuSO4 Bài tập Điện phân 200ml hỗn hợp AgNO3 0,1M Cu(NO3)2 0,1M với cường độ dòng điện 1A Sau 96 phút 30 giây lấy catot sấy khô thấy tăng m gam Xác định m Lời giải: It 1.(96.60 + 30) = = 0,06(mol) F 96500 Catot: ne = Ag + + 1e � 0,02(mol) � 0,02(mol) � Ag (1) 0,02(mol) Sau (1) 0,04 mol electron trao đổi Cu 2+ + 2e � Cu (2) 0,02(mol) � 0,04(mol) � 0,02(mol) Sau phản ứng (2) Cu2+ vừa hết Khối lượng catot tăng là: m = mAg + mCu = 0,02.108 + 0,02.64 = 3,44(gam) Thực tế khối lượng m đo cân phân tích: 3,44 � 0,07 gam Ngun nhân: Hóa chất pha chế, lần lấy có sai số, thiết bị thí nghiệm, dòng điện khơng ổn định, số q trình phụ xảy khác thí nghiệm 21 Nhận xét: Kết từ tính tốn lý thuyết so với thực nghiệm dụng cụ điện phân chấp nhận 3.3.2 Điều chế thử hoạt tính dung dịch nước Giaven 3.3.2.1 Điều chế dung dịch nước Giaven Bài tập Điện phân hoàn toàn 800mL dung dịch NaCl 0,2M có d = 1,25 g/mL bình điện phân tự chế với cường độ dòng điện 5A coi khơng đổi suốt q trình điện phân Nếu hiệu suất trình điện phân 90% Tính nồng độ dung dịch thu Xác định thời gian điện phân Lời giải: Trên sở ví dụ xác định khả vận hành dụng cụ điện phân tốt với hiệu suất điện phân cao Có thể xác định nồng độ NaClO thời gian điện phân sau: Khối lượng dung dịch trước điện phân: Lý thuyết: mdung dịch trước điện phân = 1,25 800 = 1000(g) Số mol NaCl trước điện phân: 0,2 0,8 = 0,16 (mol) Vì hiệu suất trình điện phân là: 90% nên số mol NaCl bị điện phân là: n NaCl = 0,16 0,9 = 0,144 (mol) Phương trình phản ứng: NaCl + H2O DPDD ��� � KMN 0,16 0,144(mol) NaClO + H 0 0,144(mol) 0,144(mol) mdung dịch sau điện phân = 1000 – 0,144.2 = 999,712 gam C M(NaClO) = 0,144 = 0,18M (xét cách tương đối coi thể tích dung dịch thay đổi 0,8 khơng đáng kể) C%(NaClO) = 0,144.74,5 100% �0,01% 999,712 Thời gian điện phân tính theo phương trình: Áp dụng: t = m.n.F 0,144.2.2.96500 = �5558 giây �1,544 A.I 2.5 22 Trong thực tế nước Giaven bán thị trường có nồng độ sử dụng sau: Nước Giaven để tẩy sàn nồng độ 12 – 15% Nước Giaven tẩy vải nồng độ – 6% Nước Giaven diệt khuẩn, làm môi trường lỏng nồng độ 30% Nước giaven dùng khử khuẩn nước uống nồng độ 0,01 – 0,025% Trên sở tốn tùy theo mục đích sử dụng tính tồn nồng độ nước Giaven cho phù hợp Ví dụ để ngâm rửa rau củ khử khuẩn nước uống cần lấy khoảng thìa cà phê (khoảng 11,7 gam muối ăn) cho vào bình nhựa lít Đổ đầy nước vào bình ta thu dung dịch NaCl nồng độ xấp xỉ 0,2M Lấy lít dung dịch muối ăn hai chai lavie 0,5L cho vào dụng cụ điện phân tiến hành điện phân khoảng 1h30 phút thu dung dịch nước Giaven theo yêu cầu Dung dịch nước Giaven thu có màu vàng có mùi clo đặc trưng 3.3.2.2 Thử hoạt tính dung dịch nước Giaven Thí nghiệm: Nhỏ vài giọt nước màu (nước diệp lục dung dịch mực viết,…) vào dung dịch nước Giaven vừa điều chế đưa ánh sáng Hiện tượng: Ban đầu dung dịch có màu xanh (Hình 3.4a) Sau thời gian ngắn nước màu bị (Hình 3.4b) Giải thích: - Trong khơng khí có CO2 H2O xảy phản ứng sau: NaClO + CO2 + H2O � NaHCO3 + HClO - Các chất oxi hóa mạnh có tính tẩy màu Bản thân HClO tác dụng ánh sáng HClO phân hủy thành HCl oxi nguyên tử Oxi nguyên tử có tính oxi hóa mạnh nên có khả tẩy màu 1 Ngồi HClO (với Cl ) có khả sát trùng, tẩy uế 23 Hình 3.9a: Trước phản ứng màu Hình 3.9b: Sau phản ứng màu 3.3.3 Thí nghiệm biểu diễn số dụng cụ điện phân khác tự chế 3.3.3.1 Thí nghiệm: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn Hình 3.10: Điện phân dung dịch muối ăn có màng ngăn 24 3.3.3.2 Một số dụng cụ điện phân học sinh tự chế Với hướng dẫn nhóm nghiên cứu, học sinh trường THPT Phổ Yên tự chế tạo dụng cụ điện phân hình: 3.11a; 3.11b; 3.11c Hình 3.11a: Bộ dụng cụ điện phân lớp 10C5 Hình 3.11b: Bộ dụng cụ điện phân lớp 12A7 Hình 3.11c: Bộ dụng cụ điện phân lớp 12A5 25 PHẦN IV : KẾT LUẬN Từ kết thu chúng em nhận thấy: Bộ dụng cụ điện phân chế tạo từ nguyên liệu đơn giản rẻ tiền, sẵn có đáp ứng yêu cầu thực tiễn như: Khắc phục số khó khăn thiết bị điều kiện nghiên cứu học tập, nghiên cứu bạn học sinh, sản xuất lượng nhỏ nước Giaven phục vụ sinh hoạt đặc biệt vùng có điều kiện khó khăn, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt Mặc dù dụng cụ điện phân có số hạn chế như: - Khó khăn việc thu khí sinh - Nồng độ sản phẩm Giaven điều chế thấp cần thêm số biện pháp tăng nồng độ nước Giaven để phục vụ tốt cho trình sử dụng Tuy nhiên tất khó khăn khắc phục thời gian tới Chúng em cố gắng nghiên cứu, hoàn thiện cho dụng cụ điện phân thêm hoàn chỉnh phục vụ tốt cho nhu cầu dạy học nghiên cứu khoa học người 26 ... bình điện phân - Tạo màng ngăn bình điện phân: Gắn kẹp màng ngăn nhựa chuẩn bị vào bình điện phân Hình 3.4: Chế tạo màng ngăn cho bình điện phân Bước 2: Chế tạo dụng cụ dẫn điện: - Nối sạc điện. .. làm bình điện phân Hình 3.2: Hộp nhựa dùng làm bình điện phân tự chế - Gắn đế cho bình điện phân: Chuẩn bị bốn nút cao su làm đế gắn vào bốn góc bình điện phân hình 3.3 15 Hình 3.3: Gắn đế cho bình. .. cho thí nghiệm điện phân 14 PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 CHẾ TẠO BỘ DỤNG CỤ ĐIỆN PHÂN 3.1.1 Sơ đồ cấu tạo: Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo dụng cụ điện phân 3.1.2 Chế tạo dụng cụ điện phân: Từ nguồn