Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

1. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, đặc biệt là trong quá trình ôn luyện cho học sinh thi học sinh giỏi các cấp và ở các kì thi Đại học, chuyên đề điện phân dung dịch là một chuyên đề hay và khá quan trọng nên các bài tập về điện phân thường có mặt trong các kì thi lớn của quốc gia. Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh các bài toán Hóa học là yêu cầu hàng đầu của người học; yêu cầu tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất không những giúp người học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyện được tư duy và năng lực phát hiện vấn đề của người học. Trong thực tế tài liệu viết về điện phân dung dịch còn ít nên nguồn tư liệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và kĩ năng giải các bài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều. Vì vậy, khi gặp các bài toán điện phân các em thường lúng túng trong việc tìm ra phương pháp giải phù hợp. Qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu trong nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điện phân dung dịch và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinh một cách dễ hiểu, dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kỳ thi. Trên cơ sở đó, tôi mạnh dạn chọn đề tài “ Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch” làm sáng kiến kinh nghiệm cho mình. Với hy vọng đề tài này sẽ là một tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập của các em học sinh 12 và cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp. Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 1
2. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy PHẦN B. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀTÀI I. Những thuận lợi và khó khăn khi giải bài tập điện phân trong dung dịch. 1. Thuận lợi: - HS viết được phương trình điện phân tổng quát và tính toán theo phương trình đó. - HS biết áp dụng công thức Faraday vào giải các bài tập điện phân . - HS viết được các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực. 2. Khó khăn: - Học sinh ít sử dụng công thức hệ quả của Faraday ( n e trao đổi) để giải nhanh bài toán điện phân . - Đa số các bài tập điện phân thường tính toán theo các bán phản ứng ở các điện cực nhưng học sinh thường chỉ viết phương trình điện phân tổng quát và giải theo nó. - Học sinh thường lúng túng khi xác định trường hợp H2O bắt đầu điện phân ở các điện cực (khi bắt đầu sủi bọt khí ở catot hoặc khi pH của dung dịch không đổi). - Học sinh nhầm lẫn quá trình xảy ra ở các điện cực. - Học sinh viết sai thứ tự các bán phản ứng xảy ra ở các điện cực →tính toán sai. - Học sinh thường bỏ qua các phản ứng phụ có thể xảy ra giữa các sản phẩm tạo thành như: điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot ; Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot. II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN TRONG DUNG DỊCH A . Một số khái niệm về sự điện phân: 1) Sự điện phân: Là quá trình oxi hóa-khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua hợp chất nóng chảy, hoặc dung dịch chất điện li. 2) Trong thiết bị điện phân : - Anot (A) được nối với cực dương của một chiều,ở đây xảy ra sự oxi hóa . - Catot (K)được nối với cực âm của nguồn điện một chiều , ở đây xảy ra sự khử B .Các quá trình điện phân: 1 Điện phân dung dịch muối: 1.1 Điện phân các dung dịch muối của Kim loại kiềm, kiềm thổ, Nhôm Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 2
3. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy a. Ở catot (cực âm) Các ion kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và ion Nhôm không bị điện phân vì chúng có tính oxi hóa yếu hơn H2O; H2O bị điện phân theo phương trình: – 2H2O + 2e → H2 + 2OH . b. Ở anot (cực dương): 2- - - - - Nếu là S , Cl , Br , I thì chúng bị điện phân trước H2O theo thứ tự tính khử: 2- - - - - S >I > Br > Cl > H2O (F không bị điện phân ) 2- - Phương trình điện phân tổng quát: S → S + 2e; 2X → X2 + 2e Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H 2O sẽ điện phân theo phương trình: + 2H2O → O2 + 4H + 4e - 2- 2- 3- - Nếu là các ion: NO 3 , SO4 , CO3 , PO4 thì chúng không bị điện phân mà H2O bị điện phân. Ví dụ 1:Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch NaCl : NaCl → Na+ + Cl- Catot (-) Anot (+) + - Na không bị điện phân 2Cl → Cl2 + 2e - 2H2O + 2e → H2 + 2OH - - → Phương trình : 2Cl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2 * Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : NaCl , CaCl2 , MgCl2 , BaCl2 , AlCl3 → Không thể điều chế kim loại từ : Na → Al bằng phương pháp điện phân dung dịch . Ví dụ 2 : Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch Na2SO4 : + 2- Na2SO4 → 2Na + SO4 + 2- Catot(-):Na , H2O Anot (+):SO4 , H2O + 2- Na không bị điện phân SO4 không bị điện phân - + 2H2O + 2e → H2 + 2OH 2H2O → O2 + 4H + 4e → Phương trình điện phân: 2H2O→ 2H2 + O2 * Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NaNO 3, K2SO4 , Na2CO3 , MgSO4 , Al2(SO4)3 Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 3
4. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy Ví dụ 3: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn, cường độ dòng điện I = 1.93A. Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH = 12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%. A. 50s B. 100s C. 150s D . 200s Hướng dẫn giải Vì dung dịch có PH = 12 → Môi trường kiềm . pH = 12 → [H+] = 10-12 → [OH-] = 0,01 → Số mol OH- = 0,001 mol NaCl → Na+ + Cl- Catot (-) Anot (+) Na+ không bị điện phân - - 2H2O + 2e → H2 + 2OH Cl → Cl2 + 2e 0,001 ← 0,001 → Số mol e trao đổi là : n = 0,001 mol Áp dụng công thức Faraday : n = It / F → t= n F /I → Chọn đáp án A  Áp dụng tương tự để giải bài tập V.7 1.2. Điện phân các dung dịch muối của các kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa a. Ở catot (cực âm) - Các cation kim loại bị khử theo phương trình: Mn+ + ne → M Sau khi hết các ion đó, nếu tiếp tục điện phân thì H 2O sẽ điện phân theo phương trình: – 2H2O + 2e → H2 + 2OH . b. Ở anot (cực dương): (Xảy ra tương tự mục.I.1b) Ví dụ 1 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch CuSO4 : 2+ 2- CuSO4 → Cu + SO4 2+ 2- Catot(-):Cu Anot (+):SO4 , H2O 2- SO4 không bị điện phân . 2+ + Cu + 2e → Cu 2H2O → 4H + O2+ 4e 2+ + → Phương trình điện phân : Cu + H2O → Cu + 2H + ½ O2 CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + ½ O2  Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại từ Zn → - 2- Hg với các gốc axit NO3 , SO4 : Cu(NO3)2 + H2O → Cu + 2HNO3 + ½ O2 Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 4
5. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy Ví dụ 2 : Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch ZnCl2 : 2+ - ZnCl2 → Zn + 2Cl Catot (-) Anot (+) 2+ - Zn + 2e → Zn 2Cl → Cl2 + 2e → Phương trình điện phân: ZnCl2 → Zn + Cl2 Ví dụ 3: Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 0,1M với các điện cực trơ cho đến khi vừa bắt đầu sủi bọt bên catot thì ngừng điện phân. Tính pH dung dịch ngay khi ấy với hiệu suất là 100%. Thể tích dung dịch được xem như không đổi. Lấy lg2 = 0,3 A. pH = 0,1 B.pH = 0,7 C.pH = 2,0 D. pH = 1,3 Hướng dẫn giải Đến khi vừa bắt đầu sủi bọt khí bên catot thì Cu2+ vừa hết . Điện phân dung dịch : CuSO4 : 2+ 2- CuSO4 → Cu + SO4 Catot(-) Anot (+) 2- SO4 không bị điện phân 2+ + Cu + 2e → Cu 2H2O → 4H + O2 + 4e 0,01→ 0,02 0,02 ← 0,02 → Số mol e cho ở anot = số mol e nhận ở catot → n H+ = 0,02 mol → [H+] = 0,02/0,1 = 0,2 → pH = -lg0,2 = 0,7 → Chọn đáp án B  Áp dụng tương tự để giải các bài tập: V.3, V.4, V.5 1.3. Điện phân hỗn hợp các dung dịch muối * Ở catot: Các cation kim loại bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn (ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+ + ne → M * Ở anot : (Xảy ra tương tự mục I.1b) Ví dụ 1: Viết PTHH xảy ra điện phân dung dịch hỗn hợp NaCl và Cu(NO3)2 : NaCl → Na+ + Cl- 2+ - Cu(NO3)2 → Cu + 2NO3 Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 5
6. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy + 2+ - - Catot(-):Na , Cu , H2O Anot(+):NO3 , Cl , H2O + - Na không bị điện phân NO3 không bị điện phân 2+ - Cu + 2e → Cu 2Cl → Cl2 + 2e - + 2H2O + 2e → H2 + 2OH 2H2O → 4H + O2 + 4e Phương trình điện phân: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2 Cu(NO3)2 + H2O → Cu + ½ O2 + 2HNO3 Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl + Cu(NO3)2 → Cu + Cl2 + 2NaNO3 Ví dụ 2: (Trích Đại học khối A- 2010) Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl và CuSO 4 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 Ví dụ 3: Điện phân hoàn toàn dung dịch hỗn hợp gồm a mol Cu(NO3)2 và b mol NaCl với điện cực trơ , màng ngăn xốp . Để dung dịch thu được sau khi điện phân có khả năng phản ứng với Al2O3 thì A.b = 2a B.b > 2a C. b 2a Hướng dẫn giải 2+ - Cu(NO3)2 → Cu + 2NO3 a a NaCl → Na+ + Cl- b b Catot(-) Anot (+) + - Na không bị điện phân NO3 không bị điện phân . 2+ - Cu + 2e → Cu 2Cl → Cl2 + 2e 2+ - → Phương trình : Cu + 2Cl → Cu + Cl2 (1) Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 6
7. Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch Trần Thị Thủy a b Nếu dư Cu2+ sau (1) : a > b/2 ( 2a > b ) thì có phản ứng : 2+ + Cu + 2H2O→ Cu + 4H + O2 → Dung dịch thu được có axit nên có phản ứng với Al2O3 - - - Nếu dư Cl sau (1) : a 2a) → có phản ứng : 2H 2O + 2Cl → 2OH + H2 + Cl2 → Dung dịch thu được có môi trường bazơ → Có phản ứng với Al 2O3 : NaOH + Al2O3 → NaAlO2 + H2O → Chọn đáp án D .  Áp dụng tương tự để giải bài tập V.2. Ví dụ 4: (Trích Đại học khối A- 2010) Điện phân (điện cực trơ) dung dịch X chứa 0,2 mol CuSO 4 và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có cường độ 2A. Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là A.2,240 lít. B.2,912 lít. C.1,792 lít. D.1,344 lít. Hướng dẫn giải NaCl → Na+ + Cl- 2+ 2- CuSO4 → Cu + SO4 n e trao đổi) = It/F= 0,2 mol Catot (-) Anot (+) 2+ + 2- - (Cu ; Na , H2O) (SO4 , Cl , H2O) + 2- Na không điện phân SO4 không điện phân 2+ - Cu + 2e → Cu 2Cl → Cl2 + 2e 0,02 0,12 0,06 ← 0,12 + 2H2O → 4H +O2 + 4e 0,02 ←0,08 Vkhí = (0,06 + 0,02). 22,4 = 1,792 lít → Đáp án C  Áp dụng tương tự để giải bài tập V.8. Ví dụ 5: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO 4 0,2M và AgNO3 0.1M với cường độ dòng điện I = 3.86A.Tính thời gian điện phân để được một khối lượng kim loại bám bên catot là 1.72g ? A. 250s B.1000s C.500s D. 750s Phú Bình ngày 15 tháng 5 năm 2012 7