SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "LÝ THUYẾT ĐIỆN PHÂN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN TRONG ĐỀ THI ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG" 1 A. ĐẶT VẤN ĐỀ Theo nhu cầu chung của các nghành nghề trong xã hội hiện nay nên xu thế của nhiều năm gần đây, của tất cả các trường THPT trên toàn quốc là các em học và thi theo ban khoa học tự nhiên. Vì vậy trách nhiệm của người giáo viên các bộ môn tự nhiên nói chung, môn hóa học nói riêng càng phải cần đầu tư chuyên môn sâu hơn và cao hơn nữa. Có như vậy mới giúp các em tiếp cận và giải các đề thi Đại học – Cao đẳng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Đối với các em học sinh, không chỉ cần nhớ kiến thức, mà còn cần phải nhớ sâu, nắm vững. Có như thế ở mỗi bài toán mới tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất. Điều đó không những giúp các em tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn được tư duy và năng lực phát hiện vấn đề. Vì vậy, việc người giáo viên hướng dẫn các em sử dụng các phương pháp giải nhanh bài tập là rất quan trọng. Qua quá trình giảng dạy, luyện thi đại học, bồi dưỡng học sinh giỏi nhiều năm tôi nhận thấy chuyên đề điện phân là một chuyên đề hay và khó nhưng lại khá quan trọng nên thường gặp trong các đề thi lớn của quốc gia. Tuy nhiên, trong thực tế, tài liệu viết về vấn đề điện phân còn ít nên nguồn tư liệu để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và kĩ năng giải bài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều. Vì vậy, các em thường lúng túng hoặc có tâm lí ngại và sợ gặp các bài tập liên quan đến điện phân. 2 Qua nghiện cứu, giảng dạy nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điện phân và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinhh dễ hiểu, dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kì thi. Đề tài này được viết trên cơ sở khi đang dạy chương đại cương kim loại lớp 12, và qua kinh nghiệm giảng dạy. Với hy vọng là một tài liệu tham khảo cho các em học sinh lớp 12 và các đồng nghiệp. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các đồng chí. 3 B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. LÍ THUYẾT ĐIỆN PHÂN 1. Khái niệm: - 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. - Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học. - Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra các quá trình trao đổi electron trên các điện cực. - Phân loại điện phân: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li bằng điện cực trơ, điện phân dùng điện cực không trơ. 2. Sự điện phân các chất điện li: a. Điện phân chất điện li nóng chảy Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al để điều chế các kim loại đó từ hợp chất tương ứng. Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy. NaCl (nóng chảy) → Na + + Cl - 4 Catot ( – ) ← NaCl → Anot ( + ) 2| Na + + e → Na 2Cl- → Cl 2 + 2e P hư ơ ng trì nh điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl 2 Lưu ý: Cần có màng ngăn không cho Cl 2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy. NaOH (nóng chảy) → Na + + OH - Catot ( – ) ← NaOH → Anot ( + ) 4| Na + + 1e → Na 4OH + → O 2 + 2H 2 O + 4e Phương trình điện phân: 4NaOH → 4Na + O 2 + 2H 2 O Ví dụ 3: Điện phân Al 2 O 3 nóng chảy có mặt criolit (Na 3 AlF 6 ). Al 2 O 3 (nóng chảy) → 2Al 3+ + 3O 2- Catot ( – ) ← Al 2 O 3 → Anot ( + ) 4| Al 3+ + 3e → Al 3| 2O 2- → O 2 + 4e Phương trình điện phân: 2Al 2 O 3 → 4Al + 3O 2 b. Điện phân dung dịch chất điện li vô cơ trong nước. Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn có các ion H + và OH - của nước. Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phân phức tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau. * Ở catot (cực âm): 5 -Có thể xảy ra các quá trình khử sau đây: M n+ + ne → M 2H + (axit) + 2e → H 2 Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - . Nếu catot có các cation kim loại sau nhôm hoặc H + (axit), các cation này sẽ nhận electron. Nếu đồng thời có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước. Cụ thể: thứ tự tăng dần tính oxi hóa của các cation như sau: Zn 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ , H + , Cu 2+ , Fe 3+ , Hg 2+ , Ag + … - Nếu catot có các cation kim loại trước Zn 2+ thì H 2 O sẽ bị khử (hay H 2 O có tính oxi hóa mạnh hơn các ion này). *Anot (cực dương): - Có thể xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl - , S 2- …hoặc ion OH - của bazơ kiềm hoặc nước. 2Cl - → Cl 2 + 2e 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - Nếu Anot có các anion: S 2- , I - , Br - , Cl - , OH - …, các anon này sẽ nhường electron. Nếu đồng thời có nhiều anion thì anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hóa trước. Cụ thể: thứ tự giảm dần tính khử của các anion như sau: S 2- , I - , Br - , Cl - , OH - ,… - Nếu ở anot có các anion gốc axit như: F - , NO 3 - , SO 4 2- , PO 4 3- , CO 3 2- , ClO 4 - … thì nước sẽ bị oxi hóa (hay H 2 O có tính khử mạnh hơn các ion này). 6 *Tổng quát: Điện phân dung dịch sẽ thu được sản phẩm ở các điện cực là Catot Anot -Kim loại -Phi kim: O 2 , Cl 2 , S, … -Khí H 2 - Dung dịch: OH - -Dung dịch: H + *Lưu ý: Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng các kim loại như Fe, Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan hay hiện tượng dương cực tan) * Một số ví dụ Ví dụ 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch CuCl 2 với anot trơ. CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - Catot ( – ) ← CuCl 2 → Anot ( + ) Cu 2+ + 2e → Cu 2Cl - → Cl 2 +2e Phương trình điện phân: CuCl 2 → Cu + Cl 2 Nhận xét: - Sau khi CuCl 2 hết, bình điện phân chỉ còn H 2 O (dẫn điện rất kém) nên H 2 O sẽ không điện phân tiếp. -Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NiCl 2 , FeCl 2 , ZnCl 2 …. Ví dụ 2: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch Na 2 SO 4 với anot trơ. Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2- 7 Catot (-) ← Na 2 SO 4 → Anot (+) Na + không bị điện phân SO 4 2- không bị điện phân 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e → Phương trình điện phân: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 Nhận xét: - Na 2 SO 4 chỉ đóng vai trò là chất dẫn điện, nên trong quá trình điện phân lượng Na 2 SO 4 không đổi. - Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NaNO 3 , K 2 SO 4 , Na 2 CO 3 , MgSO 4 ,…. Ví dụ 3: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch H 2 SO 4 , dung dịch NaOH với anot trơ. Điện phân dung dịch H 2 SO 4 : Catot (-) ← H 2 SO 4 → Anot (+) 2H + + 2e → H 2 SO 4 2- không bị điện phân 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e → Phương trình điện phân: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 Điện phân dung dịch NaOH: Catot (-) ← NaOH → Anot (+) Na + không bị điện phân 4OH - → O 2 + H 2 O + 4e 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - → Phương trình điện phân: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 Nhận xét: 8 - Điện phân các dung dịch axit: HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 …, các dung dịch kiềm: NaOH, KOH, Ba(OH) 2 …. đều thực chất là điện phân H 2 O. - Phân tử axit, bazơ trong trường hợp này đóng vai trò là chất dẫn điện. Ví dụ 4: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịch NaCl. NaCl → Na + + Cl - Catot (-) Anot (+) Na + không bị điện phân 2Cl - → Cl 2 + 2e 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - → Phương trình : 2Cl - + 2H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2OH - (có màng ngăn) hay 2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + Cl 2 + H 2 Nhận xét: - Sau khi NaCl hết (Cl - hết), dung dịch có NaOH nên giai đoạn điện phân tiếp theo là điện phân H 2 O: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 . Do đó, số mol NaOH không đổi, nhưng nồng độ mol NaOH tăng dần. - Trong quá trình điện phân dung dịch NaCl, pH của dung dịch tăng dần. - Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : NaCl, CaCl 2 , MgCl 2 , BaCl 2 … - Không thể điều chế kim loại từ K đến Al bằng phương pháp điện phân dung dịch. - Nếu không có màng ngăn thì: Cl 2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H 2 O nên phương trình điện phân là: NaCl + H 2 O → NaClO + H 2 Ví dụ 5: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịch CuSO 4 . CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- 9 Catot(-) Anot(+) SO 4 2- không bị điện phân . Cu 2+ + 2e → Cu 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e → Phương trình điện phân : Cu 2+ + H 2 O → Cu + 2H + + ½ O 2 hay CuSO 4 + H 2 O → Cu + H 2 SO 4 + ½ O 2 Nhận xét: - Sau khi CuSO 4 hết (Cu 2+ hết), dung dịch có H 2 SO 4 nên giai đoạn điện phân tiếp theo là điện phân H 2 O: 2H 2 O → 2H 2 + O 2 . Do đó, số mol H 2 SO 4 không đổi, nhưng nồng độ mol H 2 SO 4 tăng dần. - Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO 4 , pH của dung dịch giảm dần. -Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại từ Zn → Hg với các gốc axit NO 3 - , SO 4 2- … Kết luận: - Điện phân các dung dịch: kiềm, axit có oxi, muối của axit có oxi và kim loại từ Al trở về trước đều thực chất là điện phân H 2 O. Trong quá trình điện phân, số mol chất tan không thay đổi nhưng nồng độ tăng dần. - Điện phân dung dịch muối của ion kim loại sau nhôm với gốc axit như NO 3 - , SO 4 2- … thì dung dịch sau điện phân có pH <7. - Điện phân dung dịch muối của ion kim loại trước kẽm với gốc axit không có oxi như Cl - , Br - … thì dung dịch sau điện phân có pH>7. Ví dụ 6: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl 3 , CuCl 2 và HCl với anot trơ. 10 [...]... thường để giải một bài toán điện phân - Sắp xếp một cách có hệ thống các dạng bài tập điện phân dung dịch - Đưa ra được các dạng bài tập cơ bản nhất và hướng dẫn giải chi tiết, ngắn gọn các dạng bài tập đó Trong các năm giảng dạy và ôn luyện thi với việc áp dụng phương pháp trên tôi thấy khả năng giải bài tập điện phân dung dịch của học sinh đã được nâng cao ; các em hứng thú hơn trong học tập Ở các... rằng, với nội dung đề tài này sẽ giúp các em hiểu hơn về kiến thức điện phân, giải bài tập điện phân một cách tự tin, hiệu quả I KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI Trên đây là một số kỹ năng và phương pháp giải một số dạng bài toán cơ bản về điện phân dung dịch Quá trình tìm tòi nghiên cứu tôi đã giải quyết được những vấn đề sau: - Nghiên cứu cơ sở lí thuyết của điện phân dung dịch; các quá trình xảy ra trong đó - Từ đó... ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO3)2 và AgNO3, để điện phân hết ion kim loại trong dung dịch cần dùng cường độ dòng điện 0,402A trong 4 giờ Sau khi điện phân xong thấy có 3,44 gam kim loại bám ở catot Nồng độ mol của Cu(NO 3)2 và AgNO3 trong hỗn hợp đầu lần lượt là: A 0,2 M và 0,1 M B 0,1 M và 0,2 M C 0,2 M và 0,2 M D 0,1 M và 0,1 M Bài 3.( Đại học khối B-2010): Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch... 0,1M D 0,05M Bài 6 Điện phân dung dịch NaCl (d=1,2g/ml) chỉ thu được một chất khí ở điện cực Cô cạn dung dịch sau điện phân, còn lại 125g cặn khô Nhiệt phân cặn này thấy giảm 8g Hiệu suất của quá trình điện phân là A 25% B 30% C 50% D.60% Bài 7 Có hai bình điện phân mắc nối tiếp nhau Bình 1 chứa dung dịch CuCl2, bình 2 chứa dung dịch AgNO3 Tiến hành điện phân điện cực trơ, kết thúc điện phân thấy trên... dung dịch NaCl với điện cực trơ, không có màng ngăn OH - và Cl2 sinh ra sẽ phản ứng với nhau tạo nước Javen - Giữa axit trong dung dịch và kim loại bám trên catot Ví dụ: Điện phân dung dịch Cu(NO3)2, sau điện phân nếu chưa lấy catot ra thì sẽ có phản ứng giữa Cu (ở catot) và dung dịch HNO3 (trong bình điện phân) 3 Hai dạng bài toán điện phân thường gặp: Dạng 1: Tính thời gian điện phân (khi biết I,... 12 Câu 4: (Đại học khối A- 2010) Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl và CuSO4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là A khí Cl2 và O2 B khí H2 và O2 C chỉ có khí Cl2 D khí Cl 2 và H2 → Chọn đáp án: A Câu 5: Điện phân hoàn toàn dung dịch hỗn hợp gồm a mol Cu(NO 3)2 và b mol NaCl với điện cực trơ... 20 Vậy ở anot thu được 0,106 mol Cl2 và 0,005mol O2 → V=22,4.(0,106+0,005) =2,4864 (lít) Ví dụ 2: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2 M với cường độ dòng điện 9,65A, điện cực trơ Khối lượng Cu bám vào catot khi thời gian điện phân t 1= 200s và t2= 500s lần lượt là A 0,32 gam và 0,64 gam B 0,64 gam và 1,28 gam C 0,64 gam và 1,60 gam D 0,64 gam và 1,32 gam Hướng dẫn giải: - Nếu Cu2+ hết: ne = 0,04 mol... gam 25 Bài 8 Mắc nối tiếp 3 bình điện phân A, B, C đựng 3 dung dịch tương ứng CuCl 2, XSO4, và Ag2SO4 rồi tiến hành điện phân với điện cực trơ cường độ dòng điện là 5A Sau thời gian điện phân t thấy khối lượng kim loại thoát ra tại catot bình A ít hơn bình C là 0,76g, và catot bình C nhiều hơn catot bình B và bình A là 0,485g Khối lượng nguyên tử X và thời gian t là A 55 và 193s B 30 và 133s C 28 và 193s... luyện thi với đối tượng là học sinh trung bình khá thì số học sinh hiểu và có kỹ năng giải được các dạng bài tập trên là tương đối Được đồng nghiệp xem đây là một tài liệu rất bổ ích dùng để bổ trợ ôn thi học sinh giỏi và ôn thi đại học 27 II HƯỚNG TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI - Bổ sung thêm các dạng bài toán ở mức độ dành cho học sinh đại trà và học sinh khá, giỏi - Áp dụng điều chỉnh những thi u sót vào giảng... quá trình điện phân ở đây là sự di chuyển Cu từ Anot sang Catot Trong quá trình điện phân nồng độ của CuSO4 không thay đổi Ví dụ: Điện phân dung dịch AgNO3 với anot Cu AgNO3 → Ag+ + NO3- 15 Catot (-) Ag+ +1e → Ag Anot (+) Cu→ Cu2+ +2e Phương trình điện phân: 2AgNO3 + Cu → 2Ag + Cu(NO3)2 e Có thể xảy ra phản ứng phụ: - Giữa các chất tạo thành ở các điện cực trong quá trình điện phân Ví dụ: Điện phân dung . KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: "LÝ THUYẾT ĐIỆN PHÂN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN TRONG ĐỀ THI ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG" 1 A. ĐẶT VẤN ĐỀ Theo nhu cầu chung của các nghành nghề trong xã hội hiện. hóa các dạng bài tập điện phân và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinhh dễ hiểu, dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kì thi. Đề tài này được. chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra các quá trình trao đổi electron trên các điện cực. - Phân loại điện phân: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li bằng điện