Vị trí và nội dung cấu trúc phần điện li trong chương trình hố học phổ thơng

Chương 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Vị trí và nội dung cấu trúc phần điện li trong chương trình hố học phổ thơng

2.1.1. Vị trí phần điện li trong chương trình hố học phổ thơng

Trong chương trình hố học phổ thơng, phần sự điện li là một trong những phần lí thuyết chủ đạo được dùng làm cơ sở để nghiên cứu các chất. Phần này thuộc chương 1 của chương trình hố học lớp 11, có vai trị hết sức quan trọng, là cơ sở kiến thức cho HS nghiên cứu các phần kiến thức khác.

2.1.2. Nội dung cấu trúc phần điện li trong chương trình hố học phổ thơng

Nghiên cứu về sự điện li nhằm hoàn thiện các khái niệm chất (chất điện li, chất không điện li), khái niệm axit, bazơ, muối, lực axit, lực bazơ, pH. Vai trò của nước được đề cập không chỉ là dung mơi mà cịn là chất tham gia vào tương tác với các chất điện li. Lí thuyết điện li có đóng góp thực sự vào việc nghiên cứu các chất điện li về mặt cơ chế và quy luật phản ứng. Qua nghiên cứu lí thuyết về sự điện li cho phép tiếp tục phát triển khái niệm phản ứng hoá học như phản ứng axit-bazơ, phản ứng oxi - hoá khử trong dd, pin điện hố...

Lí thuyết điện li mơ tả các q trình hố học trong dd bằng phương trình ion. Phương trình ion rút gọn cho biết bản chất của phản ứng trao đổi ion trong dd đồng thời đây cũng là một phương pháp giải các bài toán hoá học hữu hiệu.

Kiến thức phần này gắn liền với nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Nghiên cứu lí thuyết điện li giúp cho HS giải thích một số hiện tượng phản ứng trong thực tiễn bằng bản chất của nó.

2.2. Nguyên tắc và quy trình xây dựng bài tập hố học

2.2.1. Ngun tắc tuyển chọn và xây dựng hệ thống bài tập hoá học

- Hệ thống bài tập phải góp phần thực hiện mục tiêu môn học;

- Hệ thống bài tập phải đảm bảo tính chính xác, khoa học. Đây là sự chuẩn mực kiến thức nên cần đảm bảo tính khoa học, phù hợp với trình độ HS;

- Hệ thống bài tập phải đảm bảo tính vừa sức và phát huy tính tích cực nhận thức của HS;

- Với HSG đặc biệt quan tâm đến bài tập ở mức độ cao đòi hỏi HSG phải thơng minh và có suy luận logic, tăng cường khả năng tự học, sự sáng tạo của HS;

- Có hệ thống bài tập mở rộng kiến thức, khắc sâu kiến thức sát với yêu cầu, nội dung của đề thi HSG;

- Hệ thống bài tập phải được sắp xếp thực từ dễ đến khó, từ cơ bản đến rộng mở, nâng cao cho mỗi dạng, mỗi chuyên đề.

2.2.2. Quy trình xây dựng hệ thống bài tập hố học

- Xác định mục đích của hệ thống bài tập; - Xác định nội dung hệ thống bài tập; - Xác định loại bài tập, các kiểu bài tập; - Thu thập thông tin để soạn hệ thống bài tập; - Tiến hành xây dựng hệ thống bài tập;

- Tham khảo, trao đổi ý kiến với đồng nghiệp; - Thực nghiệm, chỉnh sửa và bổ sung.

2.3. Xây dựng tài liệu dạy học phần điện li trong bồi dưỡng học sinh giỏi

Để xây dựng tài liệu dạy học cần xác định được vùng kiến thức, các dạng bài tập phần điện li mà HS cần phải nắm được khi tham dự các kì thi HSG thành phố; chúng tơi đã tiến hành sưu tầm, phân tích các đề thi chọn HSG một số tỉnh, thành phố trong những năm gần đây; cũng như nội dung kiến thức phần điện li trong tài liệu giáo khoa hiện nay, chúng tôi đã quyết định lựa chọn và đưa ra ba chuyên đề trọng tâm phần điện li để bồi dưỡng HSG như sau:

Chuyên đề 1: Sự điện li. Các định luật bảo tồn. Pin điện hố Chun đề 2: Axit, bazơ, muối. pH của dung dịch

Chuyên đề 3: Dung dịch các hợp chất ít tan

Để xây dựng các chuyên đề về phần điện li, chúng tôi đã dựa trên các tài liệu [1], [8], [9], [17], [18], [22], [23], [24], [28] Qua các tài liệu trên, chúng tơi đã tìm hiểu, phân tích, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy đã đưa ra hệ thống lí thuyết và bài tập vận dụng phù hợp với nội dung, chương trình bồi dưỡng HSG hoá học THPT. Các chuyên đề được xây dựng một cách cô đọng, ngắn gọn. Mỗi chuyên đề

chỉ đề cập đến các nội dung trọng tâm, thường gặp trong các đề thi HSG.

Trong mỗi chuyên đề, chúng tôi sẽ xây dựng hệ thống lý thuyết cơ bản; sưu tầm, biên soạn các bài tập vận dụng; đề xuất PPDH và từ đó xây dựng các giáo án cho mỗi chuyên đề để bồi dưỡng HSG phần điện li.

* Hệ thống lý thuyết: Phần kiến thức lý thuyết về điện li, HS đã được học

trong chương trình nên chúng tơi khơng trình bày chi tiết mà chỉ nhắc lại những nét đặc trưng, những kiến thức quan trọng nhất cần nắm vững để vận dụng giải quyết các vấn đề liên quan. Phần lý thuyết được chọn lọc từ nhiều tài liệu giúp HS dễ tiếp thu và vận dụng giải được các BT trong đề thi HSG.

* Bài tập vận dụng: Phần bài tập được chọn lọc đa dạng, phong phú, nội dung

chuẩn xác, có độ khó nhất định để các em rèn luyện. Trong mỗi chuyên đề, chúng tôi đã xây dựng các BT với đầy đủ các dạng thường gặp, từ đơn giản đến phức tạp, sắp xếp theo mức độ nhận thức. Một số BT có hướng dẫn giải chi tiết giúp HS biết cách trình bày và một số BT chỉ đưa đáp số để HS tự luyện. Việc sưu tầm, biên soạn bài tập để bồi dưỡng HSG nhằm phát triển NLTDST cần có một số chú ý sau:

- Hệ thống bài tập phải góp phần thực hiện mục tiêu bồi dưỡng HSG.

- Hệ thống bài tập phải đảm bảo phát huy tính tích cực nhận thức, phát triển tư duy của HS.

- Với HSG đặc biệt quan tâm đến bài tập ở mức độ nhận thức cao: vận dụng, vận dụng cao, sáng tạo, gắn với thực tiễn bởi vận dụng là mức bắt đầu của TDST.

- Có hệ thống bài tập mở rộng kiến thức, tổng hợp kiến thức sát với yêu cầu, nội dung của đề thi HSG. Cần chú ý đến những bài tập có thể giúp HS phát huy sáng kiến của mình, phát triển các thao tác tư duy, sáng tạo trong các nhìn nhận, GQVĐ không chỉ là làm đúng theo mẫu.

Trong mỗi chuyên đề chúng tôi đều đưa ra các PP là biên soạn tài liệu giúp HS tự học ở nhà để cho các em tự đọc, tự thảo luận kết hợp tổ chức dạy học trên lớp. HS đọc tài liệu ở nhà làm giảm thời gian học tập trên lớp đồng thời phát huy được tối đa tính tích cực, tự lực, chủ động, sáng tạo của mỗi HS. Các tài liệu được phát cho HS nghiên cứu trước một tuần trước khi học chuyên đề đó. Nội dung hệ thống lý thuyết và bài tập vận dụng của ba chuyên đề đã xây dựng cụ thể như sau:

2.3.1. Chuyên đề 1: Sự điện li .Các định luật bảo toàn. Pin điện

2.3.1.1. Hệ thống lý thuyết

I. Độ điện li, h ng số điện li

1. Độ điện li

Độ điện li (kí hiệu là α) của một chất điện li là tỉ số giữa số phân tử phân li thành ion và tổng số phân tử của nó trong dung dịch.

α = C C0 hoặc i.100 n n    (1.1)

C là nồng độ phân li; C0 là nồng độ ban đầu.

n là số phân tử phân li thành ion; ni là số phân tử hoà tan.

Như vậy, độ điện li bao giờ cũng 0 < α < 1 (hay 0% < α <100%).

2. Hằng số điện li:

Để đơn giản ta xét cân bằng ion sau ở nhiệt độ T và nồng độ C xác định MX ⇌ Mn+ + Xn-

C0 C 0 0

[ ] C(1- α) Cα Cα Cân bằng ion được đặc trưng bằng hằng số KC = [M

n+ ].[Xn-]

[MX] (1.2)

[Mn+], [Xn-], [MX] lần lượt là nồng độ các ion và chất điện li tại thời điểm cân bằng. Thay các đại lượng Cα và C(1-α) vào biểu thức trên, ta được: C KC

  1 2 (1.3) Đối với chất điện li yếu α<<1 nên Kc= α2.C nên Kc

C

  (1.4)

II. Dự đoán chiều phản ứng trong dung dịch các chất điện li

* Trong dung dịch các chất điện li, các ion có thể phản ứng với nhau để tạo thành: - Sản phẩm là chất ít phân li.

- Sản phẩm là chất ít tan.

- Sản phẩm dạng oxi hóa - khử. - Sản phẩm là chất khí.

* Khi viết các phản ứng ion cần tuân theo quy ước sau:

- Các chất vừa điện li mạnh, vừa dễ tan viết dưới dạng ion.

III. Một số định luật bảo toàn

1. Định luật bảo toàn nồng độ

Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó khi cân bằng. Ci [i] (1.5)

2. Định luật bảo tồn điện tích

Dựa trên tính chất trung hồ về điện của một phân tử hoặc dd thì:

( ) ( )

n n

     hay [i]Zi 0 (1.6) Với Zi là điện tích (âm hoặc dương) của cấu tử i có nồng độ cân bằng [i].

số mol điện tích = số mol ion x điện tích ion.

số mol ion = số mol phân tử x hệ số của ion trong CTPT.

Áp dụng trong phản ứng oxi hố - khử thì tổng số mol electron cho bằng tổng số mol electron nhận.

IV. Phản ứng oxi hoá - khử và pin điện hoá

Phản ứng oxi hoá - khử là một phản ứng trong đó có sự chuyển e từ phần tử

này sang phần tử kia của chất, kết quả là có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tử tham gia vào thành phần của chất phản ứng. Trong phản ứng oxi hố - khử bao giờ cũng có hai q trình là q trình oxi hố và quá trình khử tương ứng với quá trình chất khử nhường electron và ngược lại.

1. Thiết lập phản ứng oxi hoá - khử theo phương pháp thăng bằng ion – electron

Để thiết lập phương trình phản ứng oxi hố - khử, ngồi phương pháp thăng bằng electron đã biết thì đối với các quá trình xảy ra trong dd, có sự tham gia của môi trường (H2O, dd axit hoặc bazơ tham gia) ta thường dùng phương pháp thăng bằng ion – electron với nguyên tắc:

- Nếu phản ứng có axit tham gia: vế nào thừa O phải thêm H+ để tạo H2O và ngược lại.

- Nếu phản ứng có bazơ tham gia: vế nào thừa O phải thêm H2O để tạo ra OH- Các bước tiến hành:

Bước 1: Tách ion, xác định các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi và viết các nửa

phản ứng oxi hóa – khử.

- Thêm H+ hay OH-

- Thêm H2O để cân bằng số nguyên tử hiđro

- Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 vế (phải bằng nhau).

Cân bằng điện tích: thêm electron vào mỗi nửa phản ứng để cân bằng điện tích

Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số sao cho tổng số electron cho bằng tổng số

electron nhận (hay tổng số oxi hóa giảm bằng tổng số oxi hóa tăng)

Bước 4: Cộng các nửa phản ứng ta có phương trình ion thu gọn.

Bước 5: Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ

và phương trình phân tử cần cộng vào 2 vế những lượng bằng nhau các cation hoặc anion để bù trừ điện tích.

Ví dụ: Cân bằng phương trình phản ứng:

Cu + HNO3 lỗng t0 Cu(NO3)2 + NO + H2O Bước 1: Cu + H+

+ NO3- → Cu2+ + 2NO3- + NO + H2O

Cu0 → Cu2+ NO3-→ NO

Bước 2: Cân bằng nguyên tố: Cu → Cu2+

NO3- + 4H+ → NO + 2H2O Cân bằng điện tích

Cu → Cu2+

+ 2e NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O Bước 3: Cân bằng electron:

3 x Cu → Cu2+ + 2e

2 x NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O

Bước 4: 3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O Bước 5: 3Cu + 8HNO3 loãng 0

t

 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Đây là phương pháp khoa học để lập PTHH của phản ứng oxi hoá - khử xảy ra trong dd chất điện li. Phương pháp này chỉ rõ chất oxi hoá, chất khử; vai trị của mơi trường và bản chất của phản ứng oxi hóa - khử trong dd chất điện li.

2. Cặp oxi hoá - khử (Ox/Kh)

Xét phản ứng oxi hoá khử:

Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu

Phản ứng oxi hoá - khử nói trên có thể được biểu diễn theo sơ đồ sau: Zn + Cu2+  Zn2+ + Cu

Hoặc viết thành hai nửa phản ứng: Zn Cu2+  + Zn2+ 2e +  2e Cu Kh1 Ox2  + Ox1 ne +  ne Kh2 (1) (2) Zn + Cu2+  Zn2+ + Cu Kh1 + Ox2  Ox1 + Kh2 Chúng ta có thể biểu diễn q trình trên dưới dạng tổng quát sau:

Ox + ne  Kh

Trong nửa phản ứng (1), Zn nhường e, giữ vai trò của tác nhân khử (Kh1); Zn2+ có khả năng nhận e (trong phản ứng nghịch) giữ vai trị của tác nhân oxi hố (Ox1). Ta có, cặp oxi hoá - khử: Ox1/Kh1(Zn2+/Zn). Một cách tương tự, trong nửa phản ứng (2) ta có cặp oxi hố - khử: Ox2/Kh2(Cu2+/Cu).

Như vậy, trong một phản ứng oxi hố - khử có sự trao đổi e giữa tác nhân khử Kh1(Zn) của một cặp oxi hoá - khử và tác nhân oxi hoá Ox2 (Cu2+) của một cặp oxi hoá - khử khác.

3. Pin điện hoá

Pin điện hoá gồm hai điện cực, mỗi điện cực gồm một tấm kim loại nhúng vào dung dịch chứa ion kim loại đó.

Hai cốc thuỷ tinh, một cốc chứa 50ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa 50ml dung dịch ZnSO4 1M. Nhúng một lá Cu vào dung dịch CuSO4, một lá Zn vào dung dịch ZnSO4. Nối hai dd bằng một ống hình chữ U đựng dd NH4NO3 (hoặc KNO3). Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị nói trên được gọi là pin điện hố, vì khi nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn sẽ đo được một dòng điện đi từ Cu (điện cực dương) đến lá Zn (điện cực âm).

Sự xuất hiện dòng điện đi từ cực đồng sang

cực kẽm chứng tỏ rằng có sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực nói trên, tức là trên mỗi điện cực đã xuất hiện một thế điện cực nhất định.

Hiệu điện thế lớn nhất giữa hai điện cực (Epin), tức là hiệu của thế điện cực dương (φ(+)) với thế điện cực âm (φ(-)) được gọi là sức điện động của pin điện hoá Epin = φ(+) - φ(-) (1.7) Sức điện động của pin điện hố ln là số dương và phụ thuộc vào nhiệt độ. Sức điện động có thể đo được bằng một vơn kế có điện trở lớn. Vơn kế trên hình cho biết sức điện động của pin điện hố nói trên: Epin = 1,08 V.

Trên điện cực Zn, xảy ra sự oxi hoá các nguyên tử Zn thành Zn2+: Zn  Zn2+

+ 2e

Lá Zn trở thành nguồn electron nên đóng vai trị cực âm. Các electron theo dây dẫn đến cực Cu, xảy ra sự khử các ion Cu2+ thành Cu bám trên bề mặt lá Cu.

Cu2+ + 2e  Cu

Phản ứng xảy ra trong toàn bộ pin điện là sự tổ hợp của hai nửa phản ứng trên: Zn + Cu2+  Cu + Zn2+

Sơ đồ điện cực đồng được viết là: Cu2+ Cu

Tương tự đối với điện cực kẽm ta có: Zn Zn2+

Với hai điện cực kẽm - đồng (hay pin Daniell) được biểu diễn bằng sơ đồ sau: (–) Zn Zn2+  Cu2+ Cu (+)

4. Thế điện cực

Thế điện cực là đại lượng đặc trưng cho khả năng oxi hoá, khử của các chất. Trong pin điện hoá: tại catot (cực dương) xảy ra q trình khử cịn tại anot (cực âm) xảy ra q trình oxi hố.

a. Thế điện cực chuẩn (φ0Ox/Kh)

Người ta thiết lập một pin gồm điện cực cần xác định thế và điện cực tham chiếu - điện cực hiđro, rồi đo hiệu số điện thế lớn nhất giữa hai điện cực. Hiệu số điện thế lớn nhất đo được là thế điện cực của điện cực cần xác định (quy ước thế cực chuẩn hiđro +

2

0 2H / H

 bằng 0,00V).

b. Phương trình Nernst về thế điện cực

Xét phản ứng: aOx + ne  bKh

φOx/Kh = φ0Ox/Kh + a b RT [Ox] ln