SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
ĐỀ TÀI:
"PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH VÀ CHUYÊN SÂU DẠNG BÀI
TOÁN ĐIỆN PHÂN"
1
PHẦN 1:
LÝ DO VIẾT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
- Hoá học là môn khoa học cơ bản được giảng dạy ở các trường THCS, THPT. Đây là
môn mà học sinh mới được trang bị kiến thức từ khi học lớp 8 bậc THCS. Tuy nhiên, đây
cũng là môn thường xuyên sử dụng thi tốt nghiệp THPT và là một trong ba môn bắt buộc
trong kì thi tuyển sinh vào ĐH, CĐ, THCN khối A, B.
- Kể từ năm 2007, Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã chuyển cấu trúc thi tuyển sinh đại học,
cao đẳng môn hoá học từ tự luận sang trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn 100%.
Điều đó cũng đồng nghĩa trong vòng 90 phút, học sinh phải thật bình tĩnh để lựa chọn
phương án trả lời tối ưu nhất trong thời gian ngắn nhất. Nắm bắt được điều đó, các giảng
viên đại học, cao đẳng, các chuyên gia và các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm đã xuất bản
rất nhiều sách và tài liệu tham khảo về các phương pháp giải nhanh trắc nghiệm.
- Thông qua các đề thi đại học, cao đẳng hiện nay chúng tôi nhận thấy trong đề thi đại
học cao đẳng luôn có 1 đến 2 câu liên quan đến điện phân. Đây là dạng toán khó mà học
sinh hay bị lúng túng xử lí để có đáp án đúng.
- Trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và quốc gia thông thường cũng hay có bài toán điện
phân, theo thống kê của chúng tôi từ năm 2000 trở về đây có ít nhất một câu trong đề thi
quốc gia liên quan đến điện phân-pin điện.
- Qua 7 năm giảng dạy ở trường THPT kết hợp với những kiến thức tích luỹ được khi
ngồi trên giảng đường đại học và cao học chúng tôi đúc kết được kinh nghiệm về giảng
2
dạy bài điện phân đó là “ Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện
phân”.
Trong đề tài này phần nội dung chúng tôi đưa ra bốn phần chính đó là lý thuyết tổng quát
về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học-cao đẳng và học sinh giỏi (tỉnh,
quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phân.
tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dụng dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng
chảy.
Trong điện phân có 2 điện cực:
- Cực âm (-) gọi là catot (kí hiệu K): tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)
- Cực dương (+) gọi là anot (kí hiệu A): tại đây xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)
* Bạn đọc chú ý: Catot cả trong điện phân và pin điện đều xảy ra quá trình oxi hóa, và
Anot là nơi mà ở đó xảy ra quá trình khử
Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl
2
:
Ta có trong dung dịch: CuCl
2
→
Cu
2+
+ 2Cl
-
Tại catot (K - ): Cu
2+
+ 2e
→
Cu
Tại anot (A + ): 2Cl
-
→
Cl
2
+ 2e
Phương trình điện phân: CuCl
Phương trình điện phân tổng quát : MX
n
dpnc
→
M + X
2
Ví dụ : Điện phân nóng chảy NaCl, CaCl
2
- Điện phân nóng chảy NaCl : NaCl
nc
→
Na
+
+ Cl
-
Tại K (-) : Na
+
+ 1e → Na; Tại A (-): 2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl
dpnc
→
2Na + Cl
2
- Điện phân nóng chảy CaCl
2
n+
+ nOH
-
Tại K (-): M
n+
+ ne → M Tại A (+): 4OH
-
→ 2H
2
O + O
2
+ 4e
Phương trình điện phân tổng quát : 4M(OH)
n
dpnc
→
4M + 2nH
2
O + nO
2
Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH:
NaOH
nc
→
Na
+
+ nOH
-
Tại K (-): Na
2-
Tại K (-): M
n+
+ ne → M Tại A (+): 2O
2-
→ O
2
+ 4e
Phương trình điện phân tổng quát : 2M
2
O
n
dpnc
→
4M + nO
2
Ví dụ: Điện phân nóng chảy Al
2
O
3
Al
2
O
3
nc
→
2Al
3+
+ H
2
↑ Tại A (+): 2H
2
O → 4H
+
+ O
2
↑ + 4e
2.2.1.3.2. Quy luật chung, quy tắc K, quy tắc A
Quy luật chung: - Ở catot (K): ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử, ví dụ: Tại
K: Ag
+
; Cu
2+
thì Ag
+
+ 1e→Ag rồi mới đến Cu
2+
+ 2e→Cu
- Ở anot (A): ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa, ví dụ: Tại A: Br
-
; Cl
-
thì 2Br
-
→Br
2
+ 2e rồi mới đến 2Cl
-
-
2H
+
+ 2e
→
H
2
2H
2
O + 2e
→
H
2
+ 2OH
-
H
+
do axit phân li: 2H
+
+ 2e
→
H
2
- Nếu M
n+
là cation kim loại sau Al
3+
thì cation nhận electron (bị khử) để tạo thành kim
loại: M
n+
Cu (3) 2H
+
+ 2e
→
H
2
(4)
Fe
2+
+ 2e
→
Fe (5) 2H
2
O + 2e
→
2OH
-
+ H
2
(6)
b. Quy tắc ở anot: Ở anot có mặt anion gốc axit và OH
-
(do nước và bazơ phân li)
* Đối với anot trơ (là anot không tham gia vào quá trình phản ứng)
- Nếu anot có mặt các anion: I
-
; Br
-
; Cl
-
I
2
+ 2e (1); 2Cl
-
→
Cl
2
+ 2e (2); 2H
2
O
→
4H
+
+ O
2
+ 4e(3)
- Nếu anot có mặt các ion gốc axit vô cơ chứa O như: NO
3
−
; SO
4
2-
; CO
3
2-
; và F
-
; OH
-
thì những anion này không nhường electron (không bị oxi hóa) mà H
c. dung dịch NaCl d. dung dịch KNO
3
Hướng dẫn giải:
a. FeCl
2
→
Fe
2+
+ 2Cl
-
Tại K (-): Fe
2+
; H
2
O: Fe
2+
+ 2e
→
Fe Tại A(+): Cl
-
; H
2
O: 2Cl
-
→
Cl
2
+2e
Phương trình điện phân tổng quát: FeCl
O: 2H
2
O
→
4H
+
+ O
2
↑ + 4e
9
Phương trình điện phân tổng quát: 2Cu
2+
+ 2H
2
O
dpdd
→
2Cu + 4H
+
+ O
2
↑
hay 2CuSO
4
+ 2H
2
O
dpdd
→
2Cu + 2H
-
→
Cl
2
↑ + 2e
Phương trình điện phân tổng quát: 2Cl
-
+ 2H
2
O
dpdd
→
2OH
-
+ H
2
↑ + Cl
2
↑
hay: 2NaCl + 2H
2
O
dpdd
→
2NaOH
+ H
2
↑ + Cl
2
O + 2e
→
2OH
-
+ H
2
↑
Phương trình điện phân tổng quát: 2H
2
O
dpdd
→
2H
2
↑ + O
2
↑
Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối:
- dung dịch muối của ion kim loại sau Al
3+
và ion gốc axit không chứa O
( trừ F
-
) thì pH dung dịch không đổi
- dung dịch muối ion kim loại sau Al
3+
và ion gốc axit chứa O, F
-
thì pH dung dịch giảm
2+
; SO
4
-
: Cu
2+
+ 2e
→
Cu
Tại A (+) là Cu: SO
4
2-
; H
2
O: Cu
→
Cu
2+
+ 2e
Phương trình điện phân tổng quát:
Cu + Cu
2+
→
Cu↓ + Cu
2+
(A) (K)
Ví dụ 3: Viết phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO
4
2H
2
O + 2e
→
2OH
-
+ H
2
↑
Tại A (+): Cl
-
; SO
4
2-
; H
2
O: 2Cl
-
→
Cl
2
↑ +2e
2H
2
O
→
4H
+
+ O
2
↑ + O
2
↑
b. b > 2a thì: Cu
2+
+ 2Cl
-
dddp
→
Cu + Cl
2
↑
hay CuSO
4
+ 2NaCl
dddp
→
Cu + Cl
2
↑ + Na
2
SO
4
sau đó: 2Cu
2+
+ 2H
2
O
↑
hay CuSO
4
+ 2NaCl
dddp
→
Cu + Cl
2
↑ + Na
2
SO
4
sau đó: 2Cl
-
+ 2H
2
O
dpdd
→
2OH
-
+ H
2
↑ + Cl
2
↑
Hay: 2NaCl + 2H
2
O
dpdd
là khối lượng mol của X (gam/mol)
n
e
là số electron trao đổi tại điện cực
I là cường độ dòng điện (A)
F hằng số Farađây : F = 96500 (Culong/mol.s) nếu t tính bằng giây (second) hoặc
F =26,8 nếu t tính bằng giờ (hour)
t (times) : thời gian tính bằng giây (s) hoặc giờ (h)
Chú ý:
12
- Khi tính theo (1) thì phương trình điện cực các chất ở điện cực phải viết theo hệ số
nguyên tối giản.
- Từ (1) ta có:
( ).
.
( / )
X
e
X
m gI t
n
F A g mol
=
= số mol electron trao đổi đây là hệ quả rất quan trọng
ta sẽ sử dụng đề tính toán trong các bài tập điện phân.
- Điện phân là quá trình oxi hóa khử nên số mol electron nhường tại A= số mol electron
nhận tại K.
2.2.2. Một số ví dụ minh họa
2.2.2.1. Ví dụ cơ bản
Ví dụ 1:(Trích đề thi đại học khối A năm 2012). Điện phân 150 ml dung dịch AgNO
3
+ 2NO + 4H
2
O (2)
Fe + 2AgNO
3
→ Fe(NO
3
)
2
+ 2Ag (3)
13
Gọi x là số mol AgNO
3
bị điện phân→ nHNO
3
= x, dung dịch Y: HNO
3
: x mol; AgNO
3
dư: 0,15 –x mol.
Theo (2,3) nFe
phản ứng
= 3x/8 + (0,15-x)/2 = 0,075 –x/8 mol
nAg = 0,15 – x mol
Vậy m
hỗn hợp kim loại
= mFe
dư
+ mAg =12,6 –(0,075-x/8).56 +(0,15-x).108 =14,5
0,67.40
26,8
= 1 mol
Tại K(-): 2H
2
O + 2e
→
2OH
-
+ H
2
→ nH
2
= 0,5 mol
Tại A (+): 2H
2
O
→
4H
+
+ O
2
+ 4e → nO
2
= 0,25 mol
Vậy m
dung dịch trước điện phân
= 100 + 0,5. 2 + 0,25.32 = 109 gam
Ta có mNaOH
không đổi
→
2Al
3+
+ 3O
2-
Tại K (-): Al
3+
+ 3e→Al
Tại A (+): 2O
2-
→ O
2
+ 4e
Phương trình điện phân tổng quát: 2Al
2
O
3
dpnc
→
4Al + 3O
2
O
2
tạo ra đốt cháy A bằng than chì tạo khí X: CO, CO
2
, O
2
(dư)
Gọi x, y, z là số mol CO, CO
nCaCO y
= + + =
+ +
= =
+ +
= =
từ đó có: x = 0,06;
y = z = 0,02. Vậy 2,24 lít X có 0,06.1 + 0,02.2+ 0,02.2 = 0,14 mol O
67,2 m
3
X có
67,2.0,14
2,24
= 4,2 kmol O
15
Từ đó có: nAl =
2
3
nO = 2,8 kmol → m= 2,8. 27 = 75,6 kg
Bạn đọc chú ý: Ở đây chúng tôi sử dụng:
(lít) tương ứng với (mol), còn (m
3
) tương ứng với (kmol) (kilo mol)
3
)
2
= 0,15 mol
Phương trình phân li: KCl
→
K
+
+ Cl
-
Cu(NO
3
)
2
→
Cu
2+
+ 2NO
3
-
Taị K (-): Cu
2+
, K
+
, H
2
O: Cu
2+
+ 2e
-
hết → m
dung dịch giảm
≥ mCu + mCl
2
= 13,15 gam > m
dung dịch giảm đề cho
nên Cu
2+
phải dư.
16
Nếu tại A mà Cl
-
dư thì n
e nhường
≤ 0,1 mol, lúc đó nCu
ở K
≤ 0,1/2 = 0,05 mol nên m
dung dịch
giảm
≤ 0, 05.71 + 0,05. 64 = 6,75 gam < m
dung dịch giảm đề cho
nên Cl
-
phải hết.
Vậy dung dịch sau điện phân gồm: Cu
2+
dư, K
+ SO
4
2-
Tại K (-): M
2+
; H
2
O: M
2+
+ 2e
→
M (1)
2H
2
O + 2e
→
2OH
-
+ H
2
↑ (2)
Tại A (+): SO
4
2-
; H
2
O: H
2
O
→
Cu(NO
3
)
2
0,020M, Co(NO
3
)
2
1,0 M, HNO
3
0,010M.
1. Viết phương trình các nửa phản ứng có thể xảy ra trên catot và anot trong quá trình
điện phân
2. Khi 10% lượng ion kim loại đầu tiên bị điện phân, người ta ngắt mạch và nối đoản
mạch hai điện cực của bình điện phân. Hãy cho biết hiện tượng xảy ra và viết phương
trình phản ứng minh họa.
3. Xác định khoảng thế của nguồn điện ngoài đặt vào catot để có thể điện phân hoàn toàn
ion thứ nhất trên catot (coi quá trình điện phân là hoàn toàn khi nồng độ của ion bị điện
phân còn lại trong dung dịch là 0,005% so với nồng độ ban đầu).
4. Tính thể tích khí thoát ra (đktc) trên anot khi điện phân được 25 phút. Khi đó, giá trị
thế catot là bao nhiêu?
Chấp nhận: Áp suất riêng của khí hidro pH
2
= 1 atm; khi tính toán không kể đến quá thế;
nhiệt độ dung dịch không đổi trong suốt quá trình điện phân.
Cho: E
2
0
/Cu Cu
+
2
O → 4H
+
+ O
2
↑ + 4e (4)
2. Theo phương trình Nerst:
2 2
0 2
/ /
0,0592
log[ ]
2
Cu Cu Cu Cu
E E Cu
+ +
+
= +
= 0,287V
2 2
0 2
/ /
0,0592
log[ ]
2
Co Co Cu Cu
E E Co
+ +
+
= +
0 2
/ /
0,0592
log[ ]
2
Cu Cu Cu Cu
E E Cu
+ +
+
= +
= 0,285V lúc đó H
2
chưa
thoát ra và nếu ngắt mạch điện, nối đoản mạch hai cực của bình điện phân sẽ tạo ra pin
điện có cực dương (catot) là O
2
/H
2
O và cực âm (anot) là cặp Cu
2+
/Cu. Phản ứng xảy ra
là: Trên catot: O
2
+ 4H
+
+ 4e → 2H
2
O
Trên anot: Cu → Cu
2+
Lúc đó:
2 2
0 2
/ /
0,0592
log[ ]
2
Cu Cu Cu Cu
E E Cu
+ +
+
= +
= 0,159V
Và [H
+
] = 0,01 (ban đầu) + 2. (0,020 -10
-6
)(tạo ra) ≈ 10
-5
V
19
2 2
0 2
2 / 2 /
0,0592
log[ ]
2
H H H H
E E H
+ +
-4
mol→ [Cu
2+
]
dư
=5,7.10
-4
V,
E
c
=
2 2
0 2
/ /
0,0592
log[ ]
2
Cu Cu Cu Cu
E E Cu
+ +
+
= +
= 0,241 V
Và nO
2
=
1
4
e
n
Điện phân 400 ml dung dịch X bằng dòng điện 1 chiều với I =2,000 ampe tới khi
khối lượng catot không tăng thêm nữa thì dừng, được dung dịch Z. Giả sử sự điện phân
có hiệu suất 100%
a. Hãy tìm nồng độ các ion của dung dịch X, dung dịch Y, dung dịch Z. Cho biết sự gần
đúng phải chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y, dung dịch Z.
b. Tính thời gian (theo giây) đã điện phân
c. Tính thể tích khí thu được ở 27,3
0
C, 1 atm trong sự điện phân.
Hướng dẫn giải:
20
a. Phản ứng:
3M(NO
3
)
2
+ 2K
3
PO
4
→
M
3
(PO
4
)
2
↓ + 6KNO
3
825,6.6
= 0,225 mol từ đó suy ra:
- Trong dung dịch X:
3
2
0,1125
2
NO
M
n
n mol
−
+
= =
từ đó có ngay C(M
2+
) =
M5625,0
2,0
1125,0
=
;
C(NO
3
-
) =
M125,1
2,0
225,0
=
) =C(NO
3
-
) = 0,5625M
Các gần đúng đã chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y:
- Bỏ qua sự thay đổi thể tích khi tính (3) và sự có mặt M
3
(PO
4
)
2
↓
- Bỏ qua sự tan của M
3
(PO
4
)
2
3M⇄
2+
+ 2PO
4
3-
- Bỏ qua sự phân li của H
2
O H⇄
+
+ OH
-
* Xét sự điện phân dung dịch X: M(NO
+ O
2
↑ + 4e
Phương trình điện phân:
2M(NO
3
)
2
+ 2H
2
O
→
dpdd
2M + O
2
+ 4HNO
3
(4)
- Dung dịch Z có chất tan là HNO
3
:
Coi V
dd Z
≈ V
dd X
≈ 400 ml = 0,4 lít
Theo (4): nHNO
3
=2nM(NO
3
2+
)
= 0,5625 M ; C(NO
3
-
)= 1,125 M
dd Y: C(K
+
) = C( NO
3
-
) = 0,5625 M
dd Z: C(H
+
) = C (NO
3
-
) = 1,125 M.
b. Tính thời gian điện phân:
Theo (4) nO
2
= 1/2 nM(NO
3
)
2
= 0,1125 mol
Từ công thức: mO
2
=
96500
3
)
2
làm 2 phần bằng nhau.
1. Phần 1 đem điện phân (các điện cực trơ) với cường độ dòng 2,5 ampe, sau thời gian
t thu được 3,136 lít khí (ở đktc) một chất khí duy nhất ở anôt. Dung dịch sau điện phân
phản ứng vừa đủ với 550 ml dung dịch NaOH 0,8M và thu được 1,96 g kết tủa.
Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch A và thời gian t.
2. Cho m gam bột sắt vào phần 2, lắc đều để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn, sau phản
ứng thu được hỗn hợp kim loại có khối lượng bằng 0,75m (gam) và V lít khí. Tính m và
V (ở đktc).
Hướng dẫn giải:
1. Dung dịch A: H
+
; Cl
-
; Cu
2+
; NO
3
-
. Điện phân phần 1 dung dịch A:
Tại K (-): H
+
; Cu
2+
; H
2
O: Cu
2+
It
F
→ t = 10808 (s)
Dung dịch sau phản ứng tác dụng với NaOH tạo kết tủa nên có dư Cu
2+
Phản ứng : H
+
+ OH
-
→
H
2
O (1)
Cu
2+
+ 2OH
-
→
Cu(OH)
2
↓ (2)
nCu(OH)
2
= 0,02 mol → nCu
2+
dư
= 0,02 mol. Vậy nCu(NO
3
→
Fe
2+
+ Cu↓ (4)
0,16 0,16 0,16 mol
Theo (3) V
NO
= 2,24 lít
Theo (3, 4): m
hỗn hợp kim loại
= mFe
dư
+ mCu= m – 0,31. 56 + 0,16.64 = 0,75m
→ m = 28,48 gam
Ví dụ 4: Một chất A có công thức MXO
m
. Tổng số proton trong các nguyên tử tạo ra
phân tử A là 78. Trong ion XO
m
−
có 32 electron. X là nguyên tố ở chu kì 2.
Khi điện phân dung dịch A trong nước, trong 1447,5 giây với I = 10 ampe (điện cực
trơ), được dung dịch B. Cho CuO lấy dư 25% về khối lượng tác dụng với B, lọc tách chất
rắn, thu được dung dịch D có chứa 22,6 gam muối.
a. Tìm công thức chất A.
b. Tính khối lượng kim loại M đã bám vào catot và khối lượng CuO đã dùng.
c. Tính khối lượng chất A đã dùng trước khi điện phân và nồng độ mol/lít của các chất
có trong dung dịch D (cho thể tích của dung dịch D là 250 ml).
Hướng dẫn giải:
2
O: Ag
+
+ 1e
→
Ag (1)
Tại A (+): NO
3
-
; H
2
O: 2H
2
O
→
4H
+
+ O
2
↑ + 4e (2)
Ta có: n
e
= 0,15 mol, theo (2): nH
+
= n
e
= 0,15 mol
Cho CuO vào B có phản ứng : CuO + 2H
+
→
c. nAgNO
3
đã dùng
= 0,05 + 0,15 = 0,2 mol → mAgNO
3 đã dùng
= 34 gam
dung dịch D: Cu(NO
3
)
2
: 0,075 mol; AgNO
3
dư: 0,05 mol
→ C
M Cu(NO3)2
= 0,3 M; C
M AgNO3
= 0,2 M
Ví dụ 5: Điện phân 100 ml dung dịch X gồm H
2
SO
4
0,3M và HCl 0,4M với cường độ
dòng điện 2,68 A trong thời gian t giờ.
a. Lập hàm số mô tả sự phụ thuộc của pH vào thời gian điện phân t trong khoảng (0 <
t < 1 giờ).
25
Copyright: Tài liệu đại học ©