Đề tài Giảng dạy một số nội dung điện hóa học ở trường trung học phổ thông

- 1 - PHẦN I. MỞ ðẦU I.1. Lí do chọn đề tài. Hiện nay, việc đổi mới nội dung và phương pháp dạy học là một trong những vấn đề được rất nhiều người quan tâm. Một nhiệm vụ cơ bản của dạy học nhà trường là đảm bảo cho học sinh nắm vững được kiến thức, làm cho học sinh hiểu đúng bản chất của một vấn đề. ðiều này địi hỏi ở người giáo viên cần phải cĩ một phương pháp sư phạm vững chắc, kiến thức chuyên mơn cao. Bên cạnh đĩ địi hỏi học sinh phải tích cực hơn trong học tập để tự mình cĩ thể chiếm lấy tri thức khoa học. ðiện hĩa học là phần nội dung kiến thức rất quan trọng trong nội dung chương trình hĩa học phổ thơng hiện nay. ðược manh nha ở lớp 9 bậc trung học cơ sở, và trình bày rất rộng ở bậc trung học phổ thơng. Chủ yếu nằm ở phần đại cương về kim loại của lớp 12. ðây là phần lí thuyết cơ sở rất quan trọng để nghiên cứu tìm hiểu tính chất của kim loại và ion kim loại trong dung dịch. Vì vậy, trong quá trình truyền đạt cần phải phát huy tính tích cực, năng lực tư duy, sáng tạo của học sinh. ðiện hĩa học cĩ những ứng dụng gì? Chúng tuân theo qui luật như thế nào? ðặc biệt việc dạy và học chúng ở chương trình trung học phổ thơng ra sao? Là một giáo viên tương lai bạn cần chuẩn bị những gì? Cách trình bày của bạn đối với học sinh ra sao?. Với những lí do cơ bản đĩ, tơi đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu: “Giảng dạy một số nội dung điện hĩa học ở trường trung học phổ thơng”. I.2. Mục đích nghiên cứu. Tìm hiểu nội dung điện hĩa học và phương pháp giảng dạy nội dung đĩ trong chương trình trung học phổ thơng. - 2 - I.3. Nhiệm vụ của đề tài. - Nghiên cứu những cơ sở xây dựng và những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động hĩa học của kim loại theo điện hĩa học - Tìm hiểu nội dung, cấu trúc chương trình ðiện hĩa học ở trường trung học phổ thơng. - Thiết kế một số giáo án giảng dạy phần điện hĩa học ở trường trung học phổ thơng. - Tìm hiểu thực trạng. I.4.Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Khách thể. Các tài liệu cĩ liên quan. - ðối tượng. Giáo viên – học sinh trung học phổ thơng - Phạm vi nghiên cứu: Trường THPT, Giáo viên, Học sinh, Và các tài liệu cĩ liên quan. I.5. Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lí thuyết. - Nghiên cứu thực tiễn. - Thực tập giảng dạy. - Thống kê tốn học - 3 - PHẦN II. NỘI DUNG CHƯƠNG I. MỘT SỐ CƠ SỞ I.1. Cơ sở lí luận của sự hình thành khái niệm ðiện Hĩa Học. I.1.1. Tầm quan trọng của việc hình thành khái niệm điện hĩa học ở trường THPT. Trong quá trình khái quát hĩa những kiến thức về các chất riêng biệt và về những biến hĩa của chúng, những khái niệm cơ bản về hĩa học dần dần xuất hiện. Những khái niệm đĩ trở thành điểm tựa, là vũ khí cho việc tiếp tục nghiên cứu các nguyên tố và các hợp chất hĩa học. Lúc đĩ, những khái niệm cơ bản dần dần đựơc cụ thể hĩa thêm, đào sâu thêm và ngày càng phản ánh đúng đắng hơn các mặt phức tạp của vấn đề. ðiện hĩa học là phần kiến thức cơ sở quan trọng được đặc ở đầu chương “ ðại Cương Kim Loại” sách giáo khoa hĩa học 12. Làm tiền đề cơ sở, và là lí thuyết chủ đạo cho việc tìm hiểu tính chất hĩa học của kim loại, ion kim loại trong dung dịch. Vì thế trong việc giảng dạy hĩa học, người giáo viên cần chú ý rèn luyện cho học sinh thĩi quen nhận thức các sự kiện thực nghiệm về phản ứng hĩa học dưới ánh sáng của của các lí thuyết khác nhau, trong đĩ cĩ lí thuyết điện hĩa học. Việc vận dụng lí thuyết điện hĩa học trong dạy học hĩa học khơng những cĩ ý nghĩa hết sức to lớn đối với việc nghiên cứu tính chất hĩa học của các chất, hợp chất mà cịn cả đối với việc hệ thống chúng cùng với những lí thuyết hĩa học khác. I.1.2. Nội dung nghiên cứu ðiện Hĩa Học ở chương trình trung học phổ thơng Muốn hình thành cĩ hiệu quả cho học sinh một khái niệm hoặc hệ thống khái niệm nào đĩ, người giáo viên cần xét kỉ nhiều mặt của khái niệm trước khi tiến hành giảng dạy. Muốn xét vấn đề này cần phải xuất phát từ mục tiêu đào tạo của cấp học và nhiệm vụ đức – trí dục của mơn học tức là phải dựa chắc chắn vào nội dung chương trình của bộ mơn đĩ. Nĩi chung việc nghiên cứu sự hình thành của nội dung kiến thức điện hĩa học cần trải qua các bước sau. - 4 - - Xét vị trí và tầm quan trọng của nội dung điện hĩa học trong chương trình bộ mơn. - Xét cấu trúc của nội dung điện hĩa học: ðiện hĩa học bao gồm những nội dung nào mà ta phải hình thành cho học sinh. Cần dựa vào trình độ phát triển chung của học sinh mà xét kỉ khối lượng, mức độ nơng hay sâu của những kiến thức đĩ. Như vậy ở đây cĩ hai bước phải thực hiện. + Xét cấu trúc của nội dung điện hĩa học theo quan điểm hiện đại của khoa học (dựa vào chương trình hĩa học ở bậc đại học) + Lựa chọn kiến thức và kỉ năng, kỉ xảo cần truyền thụ cho học sinh phổ thơng căn cứ vào trình độ phát triển của họ. - Phân tích sự hình thành nội dung điện hĩa học trong suốt chương trình cả THCS và THPT. Trong từng giai đoạn, nội dung kiến thức điện hĩa học được hình thành và phát triển ra sao, cĩ những yêu cầu gì về cả kiến thức lẫn kỉ năng kỉ xảo. Ở đây cịn phải xem xét từng khía cạnh của khái niệm, tức là những kiến thức cơ bản là thành phần cấu trúc của nội dung điện hĩa học đã được hình thành và phát triển như thế nào? - Tìm ra những biện pháp sư phạm hiệu nghiệm nhất thích hợp với từng giai đoạn, nhằm thực hiện được yêu cầu riêng của từng giai đoạn đĩ cũng như yêu cầu chung về việc hình thành nội dung điện hĩa học I.2. Cơ sở lí thuyết của khái niệm điện hĩa học. I.2.1. Phản ứng oxi hĩa - khử. Phản ứng oxi hĩa - khử là loại phản ứng trong đĩ cĩ sự chuyển electron hồn tồn (hoặc một phần) từ nguyên tử (hay ion) này sang nguyên tử (hay ion) khác. Kết quả là trong phản ứng cĩ sự thay đổi số oxi hĩa của một hoặc vài nguyên tố. - Chất oxi hĩa là chất chứa nguyên tố nhận electron. - Chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron - Quá trình cho electron của chất khử được gọi là sự oxi hĩa. - Quá trình nhận electron của chất oxi hĩa được gọi là sự khử. - 5 - Ví dụ: ++++ +→+ 2432 22 FeSnFeSn [ ]Kh SneSn ++ →− 42 2 (sự oxi hĩa) ; [ ] 3 21Fe e Fe Ox + ++ → (sự khử) I.2.2. Cặp oxi hĩa khử. Hai ion +3Fe và +2Fe được gọi là một cặp oxi hĩa khử liên hợp, trong đĩ +3Fe là dạng oxi hĩa , +2Fe là dạng khử liên hợp của +3Fe . Tổng quát: - Dạng oxi hĩa nhận electron →dạng khử liên hợp. - Dạng khử cho electron → dạng oxi hĩa khử liên hợp. Với một phản ứng oxi hĩa khử bất kì, ta luơn cĩ: Kh (2) → Ox(2) + ne sự oxi hĩa Ox(1) + ne → Kh(1) sự khử Ox(1) + Kh(2) → Kh(1) + Ox(2) Ta nhận thấy tính oxi hĩa của dạng oxi hĩa cặp thứ nhất Ox(1) mạnh hơn tính oxi hĩa của dạng oxi hĩa cặp oxi hĩa thứ hai Ox(2). ðể đánh giá độ mạnh của một cặp oxi hĩa khử liên hợp, người ta sử dụng đại lượng thế điện cực. I.2.3. Thế điện cực – Phân loại điện cực – Cách xác định. I.2.3.1.Thế điện cực Một thanh kim loại nhúng vào dung dịch muối của nĩ tạo thành một điện cực Ví dụ: Thanh Zn nhúng vào dung dịch ZnSO4 tạo thành điện cực Zn. Giữa kim loại và dung dịch bao quanh nĩ phát sinh một hiệu số điện thế gọi là thế điện cực ne - 6 - I.2.3.2. Phân loại điện cực 1. ðiện cực kim loại. Khi nhúng một thanh kim loại M vào nước thì do tác dụng của các phân tử cĩ cực của nước, các ion kim loại nM + bị tách ra khỏi bề mặt kim loại tạo thành các ion kim loại hiđrat, cịn các electron ở lại trong thanh kim loai. Kết quả là thanh kim loại tích điện âm, cịn dung dịch tích điện dương, tạo nên cân bằng động sau: . ( ) ( )nM aq ne trong thanh kimloai M tt aq+ + +
2. ðiện cực oxi hĩa khử. ðiện cực oxi hĩa khử là một điện cực gồm một kim loại trơ nhúng trong dung dịch chứa một cặp oxi hĩa khử. Kim loại trơ là kim loại mà ion của nĩ khơng chuyển vào trong dung dịch, thường dùng platin hoặc vàng. Ví dụ: Platin nhúng trong dung dịch chứa cặp oxi hĩa khử 3 2Fe Fe + + (cĩ thể dùng dung dịch FeCl3 và FeCl2 ).. Kết quả là tồn tại cân bằng động sau: 3 2Fe e Fe+ ++
Vậy ở ranh giới giữa kim loại và dung dịch tồn tại một lớp điện tích kép và sinh ra một hiệu số điện thế tương tự như điện cực kim loại. Thế điện cực của điện cực loại này phụ thuộc vào bản chất của cặp oxi hĩa – khử, vào tỉ số nồng độ của dạng oxi hĩa và dạng khử và vào nhiệt độ. 3. ðiện cực hiđro chuẩn. Giá trị tuyệt đối của hiệu số điện thế sinh ra giữa kim loại làm điện cực và dung dịch điện cực khơng thể xác định được một cách trực tiếp, nên phải quy ước lấy một điện cực nào đĩ làm chuẩn và gán cho nĩ một giá trị hiệu số điện thế để so sánh với các điện cực khác. ðiện cực được chọn làm chuẩn là điện cực hiđro chuẩn. ðây là loại điện cực oxi hĩa khử gồm dây platin cĩ khả năng hấp phụ tốt hiđro (dạng khử), được nhúng trong dung dịch H2SO4 là dung dịch chứa dạng oxi hĩa H3O+ - 7 - Hình I.1. Cấu tạo điện cực hiddro chuẩn. Khi đĩ tồn tại cân bằng sau: 3 2( ) 22 2kH O e H H O+ + +
ðiện cực hiđro chuẩn phải cĩ điều kiện chuẩn sau: - Áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) của khí hiđro bằng 1atm. - Nồng độ (chính xác hơn là hoạt độ) của H3O+ bằng 1mol/l - Thế điện cực của điện cực hiđro tiêu chuẩn ở nhiệt độ bất kì được quy ước bằng 0,00V và được kí hiệu như sau: 0 3 2 0,00H O VHε +  =    Giá trị này được gọi là thế điện cực hiđro chuẩn hoặc thế oxi hĩa – khử chuẩn hoặc thế khử chuẩn của cặp oxi hĩa – khử 3 2 H O H +      . I.2.3.3. Cách xác định thế điện cực chuẩn của một cặp oxi hĩa khử ðể so sánh được thế điện cực của các loại điện cực khác nhau cần phải cĩ những quy ước thống nhất cho các loại điện cực. Những quy ước này như sau: - ðiều kiện chuẩn của các điện cực: Một điện cực được coi là ở điều kiện chuẩn khi nồng độ (chính xác hơn là hoạt độ) của cấu tử tham gia phản ứng điện cực bằng 1mol/l, nếu là chất khí thì áp suất (chính xác hơn là hoạt áp) riêng phần của nĩ bằng 1atm. - Chiều của phản ứng điện cực là chiều của quá trình khử. ox + ne kh
Ở đây: ox – dạng oxi hĩa; kh – dạng khử. - Ở một nhiệt độ xác định . ðể xác định thế điện cực chuẩn của một điện cực nào đĩ, người ta thiết lập một pin gồm điện cực chuẩn cần xác định thế điện cực và điện cực hiđro tiêu chuẩn rồi đo hiệu - 8 - số điện thế lớn nhất giữa hai điện cực. Hiệu số điện thế lớn nhất này là thế điện cực chuẩn của điện cực xác định hay cịn gọi là thế khử chuẩn của cặp oxi hĩa – khử xác định (vì thế của điện cực hiđro chuẩn được quy ước bằng 0,00V). Thế khử chuẩn của cặp oxi hĩa khử ở nhiệt độ xác định được kí hiệu là ( )0 ox khε Thế khử chuẩn đo được sẽ cĩ giá trị dương nếu điện cực cần đo cao hơn thế điện cực hiđro chuẩn, nghĩa là điện cực cần đo thế điện cực là điện cực dương (catot) của pin và ngược lại nĩ cĩ giá trị âm. I.2.4. Thế điện cực chuẩn của kim loại. Là thế của bán phản ứng khi tất cả các thành phần của ngăn điện cực đều ở điều kiện tiêu chuẩn. Ghép điện cực kim loại tiêu chuẩn với điện cực hydro tiêu chuẩn thành một nguyên tố Galvani, đo suất điện động của nguyên tố đĩ và xác định chiều của dịng điện. Ví dụ: ðo thế điện cực tiêu chuẩn của điện cực Zn. Lập pin gồm điện cực kẽm tiêu chuẩn và điện cực hyđro tiêu chuẩn ([H+] = [Zn2+] = 1M) (-) Zn │Zn2+║ H+│ H2(Pt) (+) Thực nghiệm cho thấy phi kim hoạt động thì điện cực hyđro tiêu chuẩn là cực dương và điện cực kẽm tiêu chuẩn là cực âm. Suất điện động của pin: E0 = 0,763V E0 pin = ε0 2H+/ H2 - ε0 Zn2+/ Zn = 0,763V Vậy ε0 Zn2+/ Zn = ε0 2H+/ H2 - E0 pin = 0 – 0,763 = -0,763V Bằng cách tương tự người ta xác định được thế điện cực tiêu chuẩn của các điện cực kim loại và các cặp oxi hĩa khử rồi xếp thành bảng thế điện cực tiêu chuẩn của các cặp oxi hĩa khử ( Xem phụ lục 1 ) - 9 - I.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực. I.2.5.1. Phương trình Nerst. Trong các phần trên, ta đã nhiều lần nhấn mạnh rằng, 0E là thế của các phản ứng trong đĩ nồng độ dung dịch và áp suất của các khí tham gia phản ứng oxi hĩa khử đều bằng đơn vị. Khi thay đổi nồng độ dung dịch và áp suất của các khí thì trị số thế E sẽ khác với trị số 0E chuẩn. Những ảnh hưởng trên được nhà hĩa học và vật lí học người ðức là Walter Nerst tìm ra và khái quát nĩ như sau: Q nF RTEE ln0 −= Ở 250C, hay T= 298K ta cĩ. Q n EE lg059,00 −= Với phản ứng tổng quát sau: aA + bB = cC + dD thì ta cĩ: [ ] [ ][ ] [ ]ba dc BA DCQ = E cĩ thể là thế của điện cực hoặc thế của phản ứng. I.2.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ hay hoạt độ. Từ phương trình Nerst : [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0,059 lg c d a b C D E E n A B = − Ta thấy E phụ thuộc vào nồng độ của các chất A,B,C,D 1/ Xét trường hợp E là thế điện cực. Ta cĩ: aOxh + ne → bKh Phương trình Nerst: [ ][ ]a b Oxh Kh n lg059,00 −= εε 2/ E là thế của phản ứng. - 10 - Xét phản ứng: aOx2 + bKh1 = cKh2 + dOx1 [ ] [ ] [ ] [ ]ba dc KhOx OxKh n EE 12 120 lg059,0−= ; Với 000 1 1 2 2 Kh Ox Kh OxE εε −= ⇒Kết luận: Từ hai biểu thức trên ta thấy nồng độ dạng oxi hĩa và dạng khử ảnh hưởng rất lớn đến giá trị , Eε I.2.5.3. Ảnh hưởng của áp suất Xét phản ứng sau ở 250C. 2 0 2( ) ( ) 22 2 ; 1,36k aq Cl Cl Cl e Cl Vε − −+ → = Ở điều kiện trên ta cĩ: [ ] ( ) V p Cl Cl 567,1 10 10lg 2 059,036,1lg 2 059,0 320 2 =−=−= −− εε ⇒Kết luận: Áp suất ảnh hưởng khá mạnh đến thế điện cực của phản ứng. I.2.5.4. Ảnh hưởng của pH. Nếu trong quá trình oxi hĩa khử, cĩ ion H+ hoặc OH- tham gia thì thế của phản ứng cũng phụ thuộc vào pH của chúng. Truờng hợp tổng quát: Khi tất cả các chất tham gia phản ứng oxi hĩa – khử (trừ H+) đều cĩ nồng độ và áp suất bằng đơn vị, ta cĩ biểu thức. 0 0,059 m pH n ε ε= − m, Số ion H+hoặc OH- trong phương trình chung n; Số electron trao đổi trong phương trình chung ⇒Kết Luận: pH ảnh hưởng lớn đến thế của phản ứng. I.2.5.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ. Ở một nhiệt độ bất kì ta cĩ: )1( pT GHG       ∂ ∆∂ +∆=∆ và )2(nFEG −=∆ Từ (1) và (2) ta cĩ: T ET nF E ∂ ∂ + ∆Η −= hoặc dT dET nF E +∆Η−= - 11 - Với dT dE là hệ số nhiệt độ, ⇒Kết luận: Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến thế của phản ứng. I.2.5.6. Ảnh hưởng của sự tạo kết tủa. Xét phản ứng sau ở 250C: VFeeFe aqaq 77,0;1 02 )(3 )( +=→+ ++ ε Tính ε của bán phản ứng khi cho vào dung dịch trên nồng độ [OH-] = 1M - Ở điều kiện trên ta cĩ: [ ][ ] [ ][ ] 3633 3)( 1422 2)( 10 10 −−+ −−+ == == OHFeT OHFeT OHFe OHFe Khi đĩ ta cĩ: [ ][ ] VFe Fe 528,0 10 10lg 1 059,077,0lg 1 059,0 36 14 3 2 0 −=−=−= − − + + εε ⇒Kết luận: Do cĩ sự tạo kết tủa làm cho khả năng khử của ion Fe2+ tăng lên rất nhanh. I.2.5.7. Ảnh hưởng của sự tạo phức Xét phản ứng sau: VFeeFe 77,0;1 023 =→+ ++ ε Nếu khi thêm vào hệ trên một phối tử cĩ khả năng tạo phức chất bền với cả dạng oxi hĩa và dạng khử thì ta cĩ. ( )[ ] ( )[ ] −− →+ 4636 1 CNFeeCNFe Ta cĩ cân bằng: ( )[ ] ( )[ ] 37246 4433 6 10.25,1;6 10.25,1;6 2 3 −−+− −−+− =+→ =+→ + + Fe Cb Fe Cb KCNFeCNFe KCNFeCNFe Khi đĩ ta cĩ: ( )[ ] ( )[ ] [ ] [ ]+ + += + + − − 2 3 00 lg059,0 3 2 4 6 3 6 Fe Fe Fe Fe CNFe CNFe εε Vì ( )[ ] ( )[ ] −− = 4636 CNFeCNFe ở điều kiện chuẩn. ( ) ( ) 3 6 4 6 0,36 Fe CN Fe CN Vε − −         ⇒ = ⇒Vậy: Thế chuẩn của phản ứng này đả giảm từ 0,77V xuồn cịn 0,36V vì ( )[ ] −36CNFe bền hơn ( )[ ] −46CNFe - 12 - I.2.6. Chiều của phản ứng oxi hĩa - khử Trong dung dịch nước, chiều của phản ứng oxi hĩa khử được xác định dựa vào cơng thức sau: G nFE∆ = − (1) E được tính như sau: ( ) ( )1 1 2 2ox kh ox khE ε ε= − Trong đĩ ( )1 1ox khε là thế khử của cặp oxi hĩa khử cĩ dạng ox1 ở vế bên phải của phản ứng, cịn ( )2 2ox khε là thế khử của cặp oxi hĩa – khử cĩ dạng kh2 ở vế bên trái của phản ứng, nghĩa là ứng với phản ứng sau: 1 2 1 2ox oxkh kh+ → + Nếu ( ) ( )1 1 2 2ox kh ox khε ε> thì E > 0 và theo cơng thức (1) ta cĩ 0G∆ < nghĩa là phản ứng đi theo chiều thuận. Ngược lại nếu ( ) ( )1 1 2 2ox kh ox khε ε< thì phản ứng đi theo chiều nghịch. Khi thực hiện phản ứng ở điều kiện chuẩn thì: 0 0G nFE∆ = − (2) Với ( ) ( )0 0 01 1 2 2ox kh ox khE ε ε= − I.2.7. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hĩa khử Từ cơng thức: 0 0 lnG nFE RT K∆ = − = − . Ta cĩ: 0 lnRTnE K F = Ở 250C biểu thức trở thành: 0 lg 0,059 nEK = , K là hằng số cân bằng của phản ứng. I.2.8. Hĩa học và dịng điện I.2.8.1. Pin Pin là một loại nguồn điện hĩa phổ biến dùng cho nhiều mục đích. Trong pin, năng lượng phản ứng hĩa học biến thành điện năng. 1. Sức điện động của pin ðịnh nghĩa. Suất điện động của pin là giá trị (trị số tuyệt đối) của hiệu số - 13 - điện thế lớn nhất giữa hai điện cực của pin. Nĩ được tính bằng cơng thức. 0E ε ε+ −= − > Ở đây: E – suất điện động của pin(V); ε+ - thế khử của điện cực dương(V);ε− - thế khử của điện cực âm (V), Nếu pin được cấu tạo bởi hai điện cực ở điều kiện chuẩn thì suất điện động chuẩn là: 0 0 0 0E ε ε+ −= − > 2. Pin điện hĩa Pin Lơclăngse - ðiện cực âm (anot) của pin là Zn (đồng thời là vỏ bọc pin). - ðiện cực dương (catot) của pin là một thanh chì được bao bọc bởi một hỗn hợp MnO4 và bột than. - Chất điện li ở đây là 4 2,NH Cl ZnCl ở dạng bột nhão. Các quá trình xảy ra trong pin như sau: ðiện cực Zn cung cấp nguồn electron. Quá trình oxi hĩa : 2 02 ; 0,76Zn Zn e Vε+→ + = + Electron chuyển động ra mạch ngồi từ điện cực âm (Zn) đến điện cực dương, tạo ra dịng điện. Quá trình khử : 04 2 3 22 2 2 ; 1,04MnO H e Mn O H O Vε++ + → + = Sức điện động của pin là. 2 0 0 4 2 3 2 2 0 4 2 3 2 2 ; 0,76 2 2 2 ; 1,04 2 2 ; 1,80pu Zn Zn e V MnO H e Mn O H O V Zn MnO H Zn Mn O H O E V ε ε + + + + → + = + + → + = + + → + + = Sơ đồ của pin như sau: ( ) ( )4 2 2, ,Zn NH Cl ZnCl MnO C− + I.2.9. Sự điện phân I.2.9.1 ðịnh nghĩa Sự điện phân là quá trình oxi hĩa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi cho dịng điện một chiều đi qua hợp chất nĩng chảy hoặc dung dịch chất điện li. - 14 - Vậy : Sự điện phân là quá trình biến điện năng thành hĩa năng. Hình I.2. Sơ đồ điện phân. - Phản ứng oxi hĩa - khử xảy ra ở điện cực khi điện phân. + Các cation (ion dương) về catot (cực âm), tại đĩ xảy ra quá trình nhận electron để tạo ra sản phẩm (chất oxi hĩa) + Các Anion (ion âm) về anot (điện cực dương), tại đĩ anion nhường electron để tạo ra sản phẩm (chất khử). I.2.9.2. Các dạng điện phân 1. ðiện phân nĩng chảy - ðiện phân các chất nĩng chảy (muối, Al2O3…) Ở catot ion dương kim loại nhận electron. Ở anot ion âm nhường electron. Trong điện phân muối nĩng chảy, bản thân muối nĩng chảy là chất điện li, các ion bị hút về các điện cực trái dấu: Cation bị hút về catot (cực âm) và anion về anot (cực dương) 2. ðiện phân dung dịch Khi điện phân dung dịch chất điện phân cĩ nhiều chất oxi hĩa và chất khử thì xẽ xảy ra oxi hĩa – khử lần lượt ở các điện cực theo thứ tự ưu tiên. a/ Quá trình xảy ra ở Catot ðể xét xem cation kim loại Mn+ hay H2O bị khử ở catot, trước hết cần so sánh thế khử của hai cặp nM M + và 2 H H + - 15 - Trong mơi trường trung tính (pH = 7) ta cĩ: 7 2 0,059lg10 0, 423H VHε + −  = = −    Nếu cation kim loại cĩ ( )nM Mε + lớn hơn nhiều so với -0,413V thì trong dung dịch trung tính ion Mn+ bị khử ở catot khi điện phân thành kim loại: ( )nM ne M tt+ + → Nếu cation kim loại cĩ ( )nM Mε + nhỏ hơn nhiều so với -0,413V thì ion Mn+ sẽ khơng bị khử mà H+ của nước bị khử thốt ra H2. 2( )2 2 2kHOH e H OH −+ → + Cuối cùng những kim loại cĩ ( )nM Mε + gần với giá trị -0,413V như Zn, Cr, Fe, Cd, Ni… tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch và điều kiện điện phân mà kim loại hay H2 thốt ra ở catot. b/ Quá trình xảy ra ở Anot trơ. Trong mơi trường kiềm xảy ra quá trình oxi hĩa các anion OH- 2 24 4 2OH O e H O − → + + Trong mơi trường axit hoặc trung tính xảy ra sự oxi hĩa H2O 2 22 4 4H O O e H +→ + + Các anion cĩ chứa oxi của axit khơng cĩ khả năng bị oxi hĩa hoặc sự oxi hĩa chúng xảy ra ở thế rất cao. Khi điện phân dung dịch của axit khơng chứa oxi và muối của nĩ (trừ HF và muối florua) thì anion của axit bị oxi hĩa ở anot trơ. c/ Quá trình xảy ra ở anot tan. Khi điện phân với anot tan cĩ ba quá trình oxi hĩa cạnh tranh nhau ở anot. ðĩ là sự oxi hĩa nước tạo ra oxi, sự phĩng điện của anion chất điện li và sự oxi hĩa kim loại làm anot. Nếu kim loại làm anot cĩ thế khử nhỏ hơn hai cặp oxi hĩa – khử kia thì sẽ quan sát thấy sự oxi hĩa kim loại : ( ) nttM M ne+→ + - 16 - Trong trường hợp ngược lại sẽ xảy ra sự thốt ra khí oxi hoặc sự oxi hĩa anion chất điện li như trên đã xét ở trên. Ở cực dương cĩ các anion và nhường electron theo thứ tự. 2 - 2 3 4OO ....Cl Br S CH C OH SO − − − − −> > > > > 3. ðịnh luật Faraday. Từ kết quả nghiên cứu Faraday đã thiết lập được định luật điện phân sau đây. Khối lượng các chất tạo thành ở điện cực khi điện phân tỉ lệ với lượng điện đi qua chất điện phân và tuân theo cơng thức sau: AQ AItm nF nF = = I.2.10. Sự ăn mịn kim loại. I.2.10.1. Khái niệm. Sự phá hủy vật liệu kim loại gây nên bởi các chất ở mơi trường xung quanh gọi là sự ăn mịn kim loại. I.2.10.2. Phân loại. 1. Ăn mịn hĩa học ðặc điểm của ăn mịn hĩa học là khơng phát sinh dịng điện ( khơng cĩ các điện cực ) và nhiệt độ càng cao thì tốc độ ăn mịn càng nhanh. Thí dụ: 2 2 3 23 4 4Fe H O Fe O H+ = + ↑ Bản chất của ăn mịn hĩa học là quá trình oxi hĩa khử, trong đĩ các electron của kim loại được chuyển trực tiếp sang mơi trường tác dụng. 2. Ăn mịn điện hĩa học Quá trình hịa tan kim loại liên quan đến sự xuất hiện các dịng điện vi mơ, đến các quá trình Anot và Catot gọi là hiện tượng ăn mịn điện hĩa. Kim loại luơn chứa các tạp chất. Kim loại và các tạp chất trong kim loại cũng như mơi trường tạo thành các cặp điện cực với thế điện cực khác nhau. Trong các quá trình Anot, kim loại bị oxi hĩa trở thành các ion dương: nM M ne+→ + - 17 - Trong các quá trình Catot, các tác nhân oxi hĩa nhận các điện tử này tạo nên phản ứng khử: Chẳng hạn: 2 2 2 2 2 4 4 2 H e H O H e H O + + + → + + → Kết quả là các kim loại bị hịa tan, bị ăn mịn. I.2.10.3. Các phương pháp bảo vệ. 1. Phương pháp tạo lớp phủ. Chất phủ được dùng cĩ thể là kim loại bền đối với mơi trường như; Ni, Zn, Cr, Sn, Cd, Al, Ag, Au.., Những chất phủ khơng phải là kim loại, thường là sơn, men, nhựa. 2. Bảo vệ bằng phương pháp điện hĩa Sử dụng phương pháp catot. Nếu người ta nối Fe với Zn chẳng hạn bằng một dây dẫn thì hiện tượng ăn mịn Fe sẽ được hạn chế vì đối với cặp kim loại Fe – Zn thì Fe giữ vai trị là một Catot. 2 20 00, 44 ; 0,76Fe Zn Fe Zn V Vε ε+ += − = − Trong khi đĩ Zn giữ vai trị của một anot, bị oxi hĩa theo phản ứng 2 2Zn Zn e+→ + Ngược lại phản ứng : 2 2Fe Fe e+→ + sẽ khơng xảy ra. - 18 - CHƯƠNG II. NHỮNG NỘI DUNG ðIỆN HĨA HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH HĨA HỌC PHỔ THƠNG. II.1. Phân tích sự hình thành và phát triển khái niệm điện hĩa học trong chương trình hĩa học trường THPT. Khái niệm điện hĩa học được xây dựng trên nền tảng của khá nhiều lí thuyết. Tuy nhiên ở mức độ phổ thơng người ta chỉ đưa ra một số lí thuyết liên quan như: Thuyết điện li, Phản ứng oxi hĩa khử … Lí thuyết điện hĩa học được dùng để nghiên cứu các tính chất của các chất, giải thích và tiên đốn về tính chất hĩa học và tính chất vật lí. Quá trình phát triển khái niệm điện hĩa học ở chương trình phổ thơng cĩ thể chia thành các bước như sau: Bước 1: Lớp 10: Học sinh được học về lí thuyết phản ứng oxi hĩa khử “ Phản ứng oxi hĩa khử là phản ứng trong đĩ cĩ sự chuyển electron giữa các chất phản ứng”. Vận dụng lí thuyết này để giải thích sự xuất hiện dịng điện trong pin điện hĩa, và quá trình trao đổi electron trong phản ứng. Bước 2. Lớp 11: Phát triển khái niệm điện hĩa học Học sinh được học về thuyết điện li: “ Tính dẫn điện của các dung dịch axit bazơ và muối là do trong dung dịch của chúng cĩ các tiểu phân mang điện tích, chuyển động tự do được gọi là các ion hay “ Quá trình phân li các chất trong nước ra ion là sự điện li. Những chất tan trong nước phân li ra ion được gọi là chất điện li” Vận dụng lí thuyết này để giải thích sự xuất hiện thế trên các điện cực, sự chênh lệch thế giữa các điện cực từ đĩ xuất hiện dịng điện di chuyển trong dây dẫn nối hai điện cực. Bước 3. Lớp 12: Phát triển và hồn thiện khái niệm điện hĩa học. Từ các phản ứng hĩa học đặc trưng của kim loại trong chương “ ðại Cương Kim Loại” như: Fe + HCl → FeCl2 + H2 CuFeSOlCuSOFe +→+ 44 )( - 19 - Dựa vào phản ứng kim loại chuyển chổ cho nhau (kim loại này cĩ thể đẩy ion kim loại khác ra khỏi muối của chúng) người ta đả xắp xếp được nhiều kim loại theo khả năng phản ứng của chúng Ví dụ: ++ +→+ 222 CuAgAgCu Tuy nhiên phương pháp trên chưa tổng quát và khơng chính xác. ðể đánh giá định lượng khả năng oxi hĩa khử của các kim loại, ion kim loại trong dung dịch, người ta áp dụng lí thuyết của điện hĩa học để chứng minh. Dựa vào đại lượng thế oxi hĩa khử (hay thế điện cực) của chúng ( 0 M M n+ε ).Từ giá trị thế khử chuẩn người ta cĩ thể so sánh được độ mạnh yếu của các kim loại và ion kim trong dung dịch.Vì vậy người ta xắp xếp được dãy điện hĩa sau: +K +Na +2Mg +3Al +2Zn +2Fe +2Ni +2Sn +2Pb +H +2Cu +Ag +Au K Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb 2H Cu Ag Au II.2. Cấu trúc nội dung điện hĩa học trong chương trình hĩa học phổ thơng lớp12, ban cơ bản, ban nâng cao Hĩa học lớp 12 nâng cao Hĩa học lớp 12 cơ bản Khái niệm điện hĩa học, tập trung chủ yếu ở chương 5: ðại cương về kim loại. Bài 20 Dãy điện hĩa của kim loại 1. Khái niệm cặp oxi hĩa khử 2. Pin điện (suất điện động, thế điện cực) 3. Thế điện cực chuẩn (điện cực hiđro chuẩn,thế điện cực của các kim loại) 4. Dãy thế điện cực của Bài 18 Tính chất của kim loại dãy điện hĩa của kim loại. 1. Dãy điện hĩa của kim loại. Tính oxi hĩa của ion kim loại tăng Tính khử kim loại giảm - 20 - kim loại. 5. Ý nghĩa của thế điện cực. Bài 21 Luyện tập: Tính Chất Của kim loại Bài 19 Hợp kim 1. Khái niệm 2. Tính chất 3. Ứng dụng Bài 22 Sự điện phân. 1. Khái niệm. 2. Sự điện phân các chất điện li 2.1. ðiện phân chất điện li nĩng chảy 2.2. ðiện phân dung dịch chất điện li trong nước. 3. Ứng dụng của sự điện phân Bài 20 Sự ăn mịn kim loại 1. Khái niệm 2. Các dạng ăn mịn 3. Chống ăn mịn kim loại 3.1. Phương pháp bảo vệ bề mặt 3.2. Phương pháp điện hĩa Bài 23 Sự ăn mịn kim loại 1. Khái niệm. 2. Hai dạng ăn mịn kim loại 2.1. Ăn mịn hĩa học 2.2. Ăn mịn điện hĩa 3. Chống ăn mịn kim loại. Bài 21 ðiều chế kim loại 1. Nguyên tắc. 2. Phương pháp. 2.1. Phương pháp nhiệt luyện 2.2. Phương pháp thủy luyện 2.3. Phương pháp điện phân Bài 24 ðiều chế kim loại. 1. Nguyên tắc điều chế. 2. Phương pháp điều 2.1. Phương pháp thủy luyện 2.2. Phương pháp nhiệt luyện 2.3. Phương pháp điện phân 3. ðịnh luật faraday Bài 22 Luyện tập: Tính chất của kim loại Bài 25 Luyện tập: Sự điện phân – sự ăn mịn kim loại – điều chế kim loại Bài 23 Luyện tập: ðiều chế kim loại và sự ăn mịn kim loại. - 21 - Bài 26 Bài thực hành số 3. Dãy điện hĩa của kim loại – ðiều chế kim loại Bài 24 Thực hành: Tính chất, điều chế kim loại, sự ăn mịn kim loại. Bài 27 Bài thực hành số 4: Ăn mịn kim loại và chống ăn mịn kim loại. II.3. Một số kiến thức cơ bản học sinh cần nắm vững khi học về phần điện hĩa học ở trường Trung Học Phổ Thơng. Hĩa học lớp 12 nâng cao Hĩa học lớp 12 cơ bản Bài 20 Dãy điện hĩa của kim loại Một số kiến thức trọng tâm học sinh cần nắm vững: 1. Học sinh phải biết được khái niện cặp oxi hĩa khử, pin điện hĩa, suất điện động và thế điện cực là gì? 2. Học sinh phải biết được cấu tạo của pin điện hĩa, sự chuyển động của các phần tử mang điện khi pin điện hĩa hoạt động? 3. Các phản ứng hĩa học nào xảy ra ở các điện cực của pin điện hĩa? 4. Biết được thế điện cực chuẩn Bài 18 Tính chất của kim loại dãy điện hĩa của kim loại. Phần kiến thức cơ sở học sinh phải nắm vững. 1. Thế nào là cặp oxi hĩa khử? Ví dụ: Cu Cu Ag Ag ++ 2; 2. Thế nào là dãy điện hĩa của kim loại? “ ðĩ là dãy sắp xếp các cặp oxi hĩa – khử theo chiều tăng dần tính oxi hĩa của ion kim loại và giảm dần của tính khử kim loại” 3. Ý nghĩa của dãy điện hĩa học là gì? “ Dự đốn chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hĩa khử theo - 22 - là gì? Chiều của phản ứng oxi hĩa khử , tính thế điện cực chuẩn của cặp oxi hĩa – khử trong pin điện hĩa? 5. Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại và ý nghĩa của nĩ? quy tăc α” Cu Cu Fe Fe ++ 22 ( ) ( ) ( ) ( )raqraq CuFeFeCu +→+ ++ 22 Bài 22 Sự điện phân. 1. Học sinh phải biết được sự điện phân là gì? 2. Biết những ứng dụng của sự điện phân trong cơng nghiệp là gì? 3. Hiểu sự chuyển dịch của các ion trong quá trình điện phân: Muối NaCl nĩng chảy, dung dịch CuSO4 với điện cực trơ và điện cực tan (anot tan). 4. Hiểu những phản ứng hĩa học xảy ra trên các điện cực trong quá trình điện phân và viết được phương trình điện phân Khơng tách thành bài riêng Bài 23 Sự ăn mịn kim loại 1. Hiểu các khái niệm thế nào là ăn mịn kim loại, ăn mịn hĩa học và ăn mịn điện hĩa học? 2. Học sinh phải biết được các Bài 20 Sự ăn mịn kim loại 1. Học sinh phải biết được ăn mịn kim loại là gì? 2. Học sinh phải biết được cĩ các dạng ăn mịn nào trong tự - 23 - điều kiện và bản chất của ăn mịn hĩa học và ăn mịn điện hĩa học. 3. Hiểu được nguyên tắc và các biện pháp chống ăn mịn điện hĩa học? nhiên? 3. Học sinh phải biết cách chống ăn mịn kim loại là gì? Bài 24 ðiều chế kim loại. Phần kiến thức trọng tâm. 1. Học sinh phải biết được nguyên tắc chung để điều chế kim loại là gì? 2. Hiểu các phương pháp được vận dụng để điều chế kim loại. Mổi phương pháp thích hợp với sự điều chế những kim loại nào. Dẫn ra được những phản ứng hĩa học và điều kiện của phản ứng đều chế những kim loại cụ thể. Bài 21 ðiều chế kim loại Kiến thức trọng tâm học sinh cần nắm bắt được đĩ là: 1. Nguyên tắc điều chế kim loại là gì? “Nguyên tắc điều chế kim loại là khử ion kim loại thành kim loại nguyên tử” Mn+ + ne → M 2. Các phương pháp điều chế kim loại là gì? - 24 - II. 4 . Một số vấn đề giáo viên cần chú ý khi dạy phần điện hĩa học ở trường THPT II.4.1. Nội dung kiến thức về điện hĩa học ở các lớp cơ bản, nâng cao II.4.1.1. Lớp 12 cơ bản 1. Bài 18: Tính chất của kim loại. Dãy điện hĩa kim loại a/ Dãy điện hĩa của kim loại. Nắm thật chắc về khái niệm cặp oxh – khử của kim loại: Dạng oxi hĩa và dạng khử của cùng một kim loại tạo thành cặp oxi hĩa – khử của kim loại. - ðể làm rỏ vấn đề này cần so sánh mức độ hoạt động của cặp oxi hĩa – khử để khẳng định đều đả trình bài: 2Zn Zn + và 2Cu Cu + Từ đĩ ta suy ra: 2 2Zn Cu Zn Cu+ ++ → + - Liên hệ các phản ứng giữa kim loại và dung dịch muối (dựa vào thế), so sánh được khả năng hoạt động của các kim loại, sau đĩ trình bài dãy điện hĩa b/ Ý nghĩa dãy điện hĩa kim loại . Làm rỏ quy tắc α để xét chiều của phản ứng oxh - khử 2 2Cu Fe Fe Cu+ ++ → + Chất oxi hĩa mạnh chất khử mạnh chất oxh yếu hơn chất khử yếu hơn 2. Bài 20. Ăn mịn kim loại. Các vấn đề cần lưu ý. - Cần làm cho học sinh thấy rỏ sự khác nhau giữa hiện tượng ăn mịn hĩa học và ăn mịn điện hĩa học. Sự ăn mịn điện hĩa học xảy ra phổ biến hơn trong thực tế so với ăn mịn hĩa học. - Vận dụng những hiểu biết về pin điện để làm rỏ sự ăn mịn điện hĩa học - Tìm hiểu điều kiện xảy ra ăn mịn điện hĩa học 3. Bài 21. ðiều chế kim loại. Những vấn đề giáo viên cần lưu ý: - Cần làm rỏ mối quan hệ giữa mứt độ hoạt động hĩa học của các kim loại và phương pháp điều chế dựa vào dãy điện hố. - 25 - - Nguyên tắc điều chế kim loại : Khử ion kim loại: nM ne M+ + → II.4.1.2. Lớp 12 nâng cao. Các vấn đề giáo viên cần chú ý ở đây được liệt kê trong từng bài cụ thể. 1. Bài 20: Dãy điện hĩa của kim loại. a/ Khái niệm cặp oxi hĩa khử của kim loại. Tìm hiểu khái niệm và khái quát theo sơ đồ. nM ne M+ + → Dạng oxh Dạng khử b/ Pin điện hĩa. Cần cho học sinh cĩ những bước nhận thức như sau: - Quan sát thí nghiệm (thí nghiệm hình 5.3 SGK) pin điện hĩa Zn – Cu - Giải thích các hiện tượng quan sát được trong quá trình hoạt động của pin điện hĩa Zn – Cu và viết phương trình hĩa học xảy ra. c/ Thế điện cực chuẩn của kim loại. Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại Cần cĩ những bước hoạt động sau. - Thơng báo về thế điện cực hiđro tiêu chuẩn. + Quy ước về thế điện cực hiđro chuẩn: ( )2 0 2 0,00 H H Vε + = - Tìm hiểu cách xác định thế điện cực chuẩn của kim loại. Ví dụ của Zn. + Những phản ứng hĩa học xảy ra ở điện cực khi pin Zn – H hoạt động + Làm rỏ trường hợp nào thì thế điện cực chuẩn của cặp nM M + cĩ giá trị dương, âm. - Dựa vào thế điện cực chuẩn để nêu nguyên tắc sắp xếp các cặp oxi hĩa khử của kim loại trong dãy điện hĩa học. d/ Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại. Hoạt động tìm hiểu về ý nghĩa của thế điện cực chuẩn của kim loại, nên chia thành những hoạt động như sau: - Hoạt động tìm hiểu về chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hĩa – khử của kim loại. - 26 - - Phân tích phản ứng giữa hai cặp oxi hĩa – khử. 2 0( 0,34 )Cu VCu ε + =+ và 0( 0,80 )Ag VAg ε + = + Kết luận về chiều của phản ứng hĩa học: Cĩ ba kết luận tương đương về mặt ý nghĩa: - Kim loại cĩ cặp oxi hĩa – khử cĩ thế điện cực chuẩn nhỏ khử được kim loại của cặp oxi hĩa – khử cĩ thế điện cực chuẩn lớn hơn trong dung dịch muối. - Cation kim loại trong cặp oxi hĩa – khử cĩ thế điện cực lớn hơn oxi hĩa được kim loại trong cặp oxi hĩa – khử cĩ thế điện cực nhỏ hơn. - Chất oxi hĩa mạnh hơn sẽ oxi hĩa chất khử mạnh hơn, sinh ra chất oxi hĩa yếu hơn và chất khử yếu hơn. (quy tắc α ) 2. Bài 22. Sự điện phân. Các vấn đề cần chú ý khi dạy bài 22. a/ Khái niệm về sự điện phân. - Liên hệ đến thế của các cặp oxi hĩa khử để xác định: Tên các điện cực, dấu của các điện cực và phản ứng xảy ra ở các điện cực. b/ ðiện phân dung dịch CuSO4 với điện cực graphit. dung dịch CuSO4 với Anot tan Cần làm rỏ thứ tự điện phân của các ion, phân tử ở các điện cực dựa vào dãy thế điện cực. 3. Bài 23. Sự ăn mịn kim loại. Các vấn đề cần lưu ý khi dạy bài 23. - Cần làm rỏ nguyên nhân nào dẫn đến ăn mịn điện hĩa, liên hệ lại bài dãy điện hĩa. - ðiều kiện xảy ra sự ăn mịn hĩa học? 4. Bài 24: ðiều chế kim loại. Các vấn đề cần lưu ý. a/ Phương pháp thủy luyện. - Cơ sở của việc điều chế kim loại bằng phương pháp thủy luyện - Phương pháp thủy luyện đựơc dùng để điều chế những kim loại nào b/ Phương pháp điện phân. - Cơ sở của phương pháp điện phân điều chế kim loại. Những kim loại nào cĩ thể điều chế được bằng phương pháp điện, liên hệ dãy điện hĩa. - 27 - II.4.2. Phương pháp dạy học về các vấn đề điện hĩa học Nhằm để đạt được kết quả tốt nhất về việc học sinh cĩ thể hiểu, nắm vững các kiến thức cơ bản về điện hĩa học thì địi hỏi khơng chỉ người giáo viên nắm vững về nội dung kiến thức mà cịn phải cĩ phương pháp sư phạm khéo léo. Phương pháp đĩng vai trị khá quan trọng trong quá trình học sinh tiếp thu kiến thức. Một số phương pháp dạy học hĩa học chung cĩ thể thể áp dụng cho phần điện hĩa học như: - Sử dụng thiết bị thí nghiệm, mơ hình hĩa học theo định hướng chủ yếu là nguồn để học sinh nghiên cứu, khai thác tìm tịi kiến thức hĩa học. - Sử câu hỏi và bài tập hĩa học để học sinh chủ động nhận kiến thức, hình thành kỉ năng và vận dụng tích cực các kiến thức, kỉ năng đả học. - Tùy vào tính chất của các bài học trong chương, ta cĩ thể phân chia thành hai phương pháp hình thành kiến thức cho học sinh như sau. + ðối với loại bài học nhằm xây dựng và hình thành khái niệm mới cho học sinh, như bài: Dãy điện hĩa của kim loại, ðiện phân, Sự ăn mịn kim loại,…phương pháp dạy nên thiết kế theo mơ hình dạy như sau: + ðối với những loại bài học địi hỏi sự vận dụng lí thuyết để tìm hiểu tính chất của chất, như tìm hiểu tính chất vật lí, tính chất hĩa hịc chung của kim loại, điều chế kim loại,….thì phương pháp dạy học nên thiết kế theo mơ hình sau: Thí nghiệm nghiên cứu, quan sát các hiện tượng thí nghiệm. Vận dụng lí thuyết chủ đạo để giải thích các hiện tượng quan sát được Kết luận hoặc hình thành khái niệm mới Vận dụng lí thuyết chủ đạo đả biết Dự đốn cấu tạo và tính chất của chất Khẳng định những điều dự đốn bằng thí nghiệm. - 28 - II.5. Vận dụng một số kiến thức về điện hĩa học để giảng dạy nội dung điện hĩa học trong chương trình hĩa học trường THPT II.5.1. Sử dụng Thế ðiện Cực để tính Sức ðiện ðộng và dự đốn xem một phản ứng oxi hĩa – khử cho trước cĩ khả năng xảy ra hay khơng. Cơ sở là dựa vào biểu thức: G nFE∆ = − . Ở 250C thì ta cĩ: 0 0G nFE∆ = − Trong đĩ: n- số electron trao đổi. F- hằng số Faraday. E0 – suất điện động của phản ứng. - Nếu 0 0 0E G> ⇒ ∆ < → Phản ứng tự diễn biến. - Nếu 0 0 0E G → Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch. - Nếu 0 0 0E G= ⇒ ∆ = → Phản ứng đạt cân bằng. Ví dụ: Tính suất điện động và dự đốn xem phản ứng sau cĩ xảy ra khơng ở 250C? ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 aq r r aqCd Cu Cd Cu + ++ → + ; biết 2 20 00,40 ; 0,34Cd Cu Cd Cu V Vε ε+ += − = Ta cĩ: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 0 2 0 2 2 0 2 ; 0,40 2 ; 0,34 ; 0,74 aq Cd Cd Cu Cu aq r r aq Cd e Cd V Cu Cu e V Cd Cu Cd Cu E V ε ε + + + + + + + → = − → + = − + → + = Vậy suất điện động 0 0,76 0 0pinE V G= − → phản ứng khơng cĩ khả năng xảy ra theo chiều như trên. II.5.2. Tính thế của một bán phản ứng khi bán phản ứng đĩ là tổ hợp của hai hay nhiều bán phản ứng khác. Tính thế của bán phản ứng: ( ) ( ) ?,3 033 =→++ εraq TleTl biết: ( ) +3 aqTl ( )+aqTl Tl 0 3 ?ε = V336,002 −=ε V250,101 =ε - 29 - Áp dụng biểu thức : 21 0 22 0 110 3 nn nn + + = εε ε . Ta cĩ : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) VTleTl VTleTl VTleTl raq aq raq ?,3 250,1,2 336,0, 0 3 3 0 2 3 0 1 =→+ =→+ −=→+ + ++ + ε ε ε Trong đĩ: n1; n2; là số electron trao đổi trong bán phản ứng (2),(3). 0 2 0 1 ;εε là thế chuẩn của bán phản ứng (2), (3). Khi đĩ ta cĩ: ( ) ( ) V nn nn 721,0 3 250,12336,01 21 0 22 0 110 3 = +− = + + = εε ε Vậy thế của bán phản ứng: ( ) ( ) VTleTl raq 721,0,3 033 =→++ ε II.5.3. Dự đốn độ bền của các trạng thái oxi hĩa của một nguyên tố. Xét bán phản ứng: ( ) ( ) ( )++ +→ 323 aqraq AuAuAu biết: ( ) 3 aqAu + ( )aqAu + Au Nếu Au+ tự oxi hĩa khử thì phương trình phản ứng trên cĩ thế 00 >puE , vì khi đĩ 00 <∆G , phản ứng tự diễn biến. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) VEAuAuAu VAueAu VeAuAu puaqraq raq aqaq 27,0,3 68,1,(2 41,1,2 03 0 2 0 1 3 =+→ =→+ −=+→ ++ + ++ ε ε Do ⇒> 00puE 00 <∆G : Vậy ở điều kiện chuẩn, vàng ở trạng thái oxi hĩa +1, cĩ khả năng tự phân hủy thành vàng kim loại và vàng ở trạng thái oxi hĩa +3. II.5.4. Dãy điện hĩa của kim loại Li+ K+ Ba+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+Zn2+ Cr3+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ 2H+ Cu2+ Fe3+ Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+ Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H2 Cu Fe2+ Ag Hg Pt Au Tính oxi hĩa kim loại Mn+ tăng dần Tính khử của kim loại M giảm dần 0 2 1,68Vε = 0 1 1,41Vε = - 30 - II.5.4.1. Dự đốn được chiều xảy ra của phản ứng. Phản ứng oxi hĩa khử luơn xảy ra theo chiều tạo ra chất oxi hĩa và chất khử yếu hơn, nghĩa là chất oxi hĩa mạnh nhất sẽ oxi hĩa chất khử mạnh nhất. Bài tập vận dụng. Bài tập 1. a/ Hãy cho biết vị trí của cặp MnMn +2 trong dãy điện hĩa. Biết rằng H+ oxi hĩa được Mn. Viết phương trình ion thu gọn. b/ Cĩ thể dự đốn điều gì xảy ra khi nhúng lá kim loại Mn vào các dung dịch muối: AgNO3,MnSO4, CuSO4? Hãy viết phản ứng dưới dạng phương trình ion rút gọn nếu cĩ Lời giải. a/ H+ oxi hĩa được Mn, nghĩa là Mn cĩ khả năng khử được H+: ↑+→+ ++ 222 HMnHMn 2Mn Mn + ⇒ xếp trước 2 2 H H + trong dãy điện hĩa. b/ Trong dãy điện hĩa ta cĩ: Mn xếp trước Cu , Ag ⇒ Mn cĩ tính khử mạnh hơn. Vì thế xảy ra được các phản ứng: ↓+→+ ++ CuMnCuMn 22 ( Cu bám trên là Mn) ↓+→+ ++ AgMnAgMn 22 ( Ag bám trên là Mn) II.5.4.2. Xác định tên kim loại. 1. ðặc cơng thức tổng quát hợp chất chứa kim loại là: ( ( ) ( ) ( )2 4 3 2 3, , , , .....x y n m a bM O RCl A SO B NO X CO ) sau đĩ tìm khối lượng nguyên tử của kim loại (M, R, A, B, X,…) rồi suy ra kim loại đĩ.Thường gặp hai trường hợp: - Trường hợp 1: Biết hĩa trị kim loại cần tìm, dựa vào dữ kiện đề bài tập để lập phương trình tốn học, tìm khối lượng nguyên tử của kim loại, suy ra tên kim loại đĩ. - Trường hợp 2: Khơng biết hĩa trị kim loại cần tìm, dựa vào dữ kiện đề bài để lập biểu thức liên hệ giữa nguyên tử khối (M) của kim loại với hĩa trị (n) của kim loại đĩ. Sau đĩ, biện luận M theo n (hay ngược lại), tìm cặp nghiệm M, n hợp lí, suy ra tên kim loại. - 31 - 2. Bài tập vận dụng. Nhúng một thanh kim loại M vào dung dịch NiSO4 sau một thời gian thấy khối lượng thanh kim loại gồm 0,12g. Xác định tên kim loại M. Biết M hĩa trị II và số mol NiSO4 hao hụt 0,02mol. Tính số gam kim loại đã tham gia phản ứng. Lời giải Phản ứng: ( )4 4iSO 1M N MSO Ni+ → + mol 0,02 0,02 0,02 0,02 Theo đề bài, ta cĩ: 0,120,02 65 : 59 M M = ⇒ = − kẽm (Zn) Vậy : mZn tham gia phản ứng = 65 II.5.4.3. Tăng giảm khối lượng thanh kim loại Nhúng một thanh kim loại A và dung dịch muối của kim loại B (chứa ion Bn+). Sau một thời gian lấy thanh kim loại ra, rửa nhẹ, sấy khơ, cân thì thấy khối lượng thanh kim loại cĩ thể tăng hoặc giảm. 1. Khối lượng thanh kim loại tăng: Thì ta áp dụng phương trình đại số sau. 2. Khối lượng thánh kim loại giảm : Thì ta áp dụng phương trình đại số sau: 3. Bài tập vận dụng:Thanh kẽm nặng 5,2 gam được cho vào 100ml dung dịch CuSO41M, sau một thời gian, lấy thanh kẽm ra cân được 5,18 gam.Tính khối lượng Cu bám vào thanh Zn. Ta cĩ: moln daubanCuSO 1,011,04 =×= Phản ứng: aaaamol CuZnSOCuSOZn +→+ 44 Ta cĩ: 65a – 64a = 5,2 - 5,18 ⇒ a = 0,02 mol ⇒ Khối lượng thanh Cu = 0,02 . 64 = 1,28 gam Mkim loại tăng = m kim loại giải phĩng - mkim loại tan Mkim loại giảm = mkim loại tan - m kim loại giải phĩng - 32 - II.5.5. Kim loại liên quan đến sự điện phân. Dạng 1: ðiện phân dung dịch các muối, Axit, bazơ - Catot: Nếu cation ( ++ HM n ; ) đứng sau Al3+ trong dãy điện hĩa của kim loại, sự khử cho ra kim loại hoăc H2. Nếu cation là Al3+ hoặc một kim loại đứng trước Al trong dãy điện hĩa của kim loại ( ....;; 2+++ BaNaK ) thì nước sẽ bị khử cho ra H2 và ion OH − −+↑→+ OHHeOH 22 22 - Anot: Nếu ion là −X (X là halogen như Cl, Br, I….) hoặc OH- thì sự oxi hĩa cho ra X2 hoặc O2: 2 2 2 12 2 2 2 2 Cl Cl e hay OH O H O e− −→ ↑ + → ↑ + + Nếu anion là ....;; 24 2 43 −−− POSONO thì lúc này nước sẽ bị oxi hĩa cho ra O2 và H+ eHOOH 22 2 1 22 ++↑→ + Dạng 2: Trường hợp cĩ nhiều cation cĩ thể bị khử bên catot Các cation ion bị khử theo thứ tự tính oxi hĩa giảm dần, ion bên phải (cĩ tính oxi hĩa mạnh nhất) bị khử trước rồi đến ion bên trái trong dãy điện hĩa của kim loại. Dạng 3: Trường hợp cĩ nhiều anion bị oxi hĩa bên anot: Chất cĩ tính khử mạnh nhất sẽ bị oxi hĩa trước. Dạng 4: Dùng cơng thức Faraday tính khối lượng các chất thốt ra ở các điện cực: n AIt m 96500 = Bài tập vận dụng: ðiện phân cĩ màng ngăn điện cực trơ 100ml dung dịch MgCl2 0,5M với cường độ dịng điện I = 0,1A với thời gian 9650s. Tính nồng độ mol/l dung dịch muối sau phản ứng. Ta cĩ: molnMgCl 015,015,01,02 =×= 2 2 2 0.1 9650 0,010,01 0,005 96500 2 96500 2H H AIt m g n mol n × × = = = ⇒ = = × - 33 - Phản ứng: 005,0005,0 )()(2 22222 mol dpddHClOHMgOHMgCl ↑+↑+↓→+ Số mol MgCl2 dư = 0,015 – 0,005 = 0,01mol ; Vậy: MC MgClM 1,01,0 01,0 )( 2 == II.5.6. Kim loại phản ứng với dung dịch muối. Dạng 1: Một kim loại đẩy một ion kim loại khác. ðiều kiện để kim loại X đẩy kim loại Y ra khỏi dung dịch muối của Y - X phải đứng trước Y trong dãy điện hĩa. - Muối của kim loại Y phải tan trong nước. Dạng 2: Cho một kim loại X vào dung dịch chứa hai muối của hai kim loại Yn+, và Zm+. - ðể đơn giản trong tính tốn, ta chỉ xét trường hợp X đứng trước Y và Z, nghĩa là khử được cả hai ion Yn+, và Zm+(Y đứng trước Z) - Do Zm+cĩ tính oxi hĩa mạnh hơn Yn+ nên X phản ứng với Zm+ trước: ↓+→+ ++ qZmXqZmX qm (1) q là hĩa trị của X. Nếu sau phản ứng (1) cịn dư X thì cĩ phản ứng: ↓+→+ ++ qYnXqYnX qn (2) Vậy, các trường hợp xảy ra sau khi phản ứng kết thúc: + Nếu dung dịch chứa 3 ion kim loại (Xq+;Yn+; Zm+) thì khơng cĩ phản ứng (2) xảy ra, tức là kim loại X hết và ion Zm+ cịn dư: + Nếu dung dịch chứa hai ion kim loại (Xq+;Yn+) thì phản ứng (1) xảy ra xong (tức hết Zm+ ), phản ứng (2) xảy ra chưa xong (dư Yn+) tức X hết. Bài tập áp dụng: Cho 0,387 gam hổn hợp (A) gồm Zn và Cu vào dung dịch cĩ chứa 0,005 mol Ag2SO4, khuấy điều, tới phản ứng hồn tồn thu được 1,144gam chất rắn. Tính khối lượng mỗi kim loại. Lời giải Phản ứng: ↓+=+ ↓+=+ AgCuSOSOAgCu AgZnSOSOAgZn 2 2 442 442 - Vì tổng số mol Zn và Cu nằm trong giới hạn. - 34 - 0,387 0,387 0,0059 0,00604 65 64hh hh n n< < → < < → hhn lớn hơn 0,005mol, chứng tỏ Ag2SO4 hết. - Giả sử Zn phản ứng một phần, Cu chưa tham gia phản ứng.Gọi số mol Zn ban đầu là x, số mol Zn phản ứng là x’. Gọi số mol Cu ban đầu là y. ⇒ Khối lượng thanh kim loại tăng. 108.2x’ – 65.x’ = 1,144 – 0,387 = 0,757 (g) ⇔ 151x’ = 0,757 ⇔ x’ = 0,00501 Số mol này lớ hơn 0,005mol, điều này khơng phù hợp với đề bài, do đĩ Zn phản ứng hết và x = x’. - Zn phản ứng hết, Cu tham gia phản ứng một phần.Gọi số mol Cu tham gia phản ứng là y. Ta cĩ phương trình khối lượng kim loại tăng 108.2x – 65x + 108.2y – 64.y = 0,757 (1). Giải phương trình (1) kết hợp với phương trình: x + y = 0,005 .Ta cĩ:    = = 002,0 003,0 y x : Vậy mZn = 0,003. 65 = 0,195 (gam) mCu = 0,387 – 0,195 = 0,192 (gam) II.5.7. Kim loại tác dụng với dung dịch axit. II.5.7.1.Tác nhân oxi hĩa là ion H+ trong axit. Các axit HCl, H2SO4 lỗng,…anion gốc axit của chúng khơng cĩ tính oxi hĩa. )1(2 2 ↑+→+ ++ HnMnHM n Chú ý: Phản ứng (1) xảy ra khi kim loại M đứng trước hiđro trong dãy hoạt động hĩa học của kim loại. II.5.7.2. Tác nhân oxi hĩa là anion gốc axit. Anion của các axit (HNO3, H2SO4(đặc, nĩng)…) oxi hĩa kim loại chứ khơng phải H+ là tác nhân oxi hĩa nên khí tạo thành khơng phải là khí hiđro, mà là sản phẩm khử của anion. - H2SO4(đặc, nĩng) cĩ thể bị khử cho ra: SO2, S, H2S - HNO3 cĩ thể bị khử cho ra : NO2, NO, N2, N2O, NH4NO3 - 35 - II.5.7.3. Bài tập vận dụng. Bài tập: Hịa tan 62,1gam kim loại M trong HNO3 lỗng, cho 16,8 lít hỗn hợp khí X (đktc) gồm hai khí khơng màu, khơng hĩa nâu ngồi khơng khí. Cĩ tỉ khối hơi so với khi H2 là 17,2. Xác định tên M? Tính thể tích dung dịch HNO32M, biết axit dùng dư 25% so với lượng cần thiết. Lời giải Hai khí khơng màu do HNO3 lỗng sinh ra là N2 và N2O. Gọi x,y lần lược là số mol của N2 và N2O. Theo đề bài ta cĩ:       ==+ =×= + + 75,0 4,22 8,16 4,3422,174428 yx yx yx    =+ =+ ⇒ 75,0 8,254428 yx yx    = = ⇒ 3,0 45,0 y x Phản ứng: 10M + 12xHNO3 = 10M(NO3)x + xN2 + 6xH2O Mol 4,5/x 5,4 0,45 8M + 10xHNO3 = 8M(NO3)x + xN2O + 5xH2O Mol 2,4/x 3 0,3 x x M 969 1,62 ==⇒ nghiệm hợp lí là: x = 3, M = 27: Nhơm (Al) Số mol HNO3 dùng dư: 8,4 .25% = 2,1mol ⇒ tổng số mol HNO3 : 8,4 +2,1 = 10,5 mol Vậy thể tích dung dịch HNO3 = )(25,52 5,10 l= - 36 - CHƯƠNG III. MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ðẦU III.1.Thực trạng nắm vững khái niệm ðiện Hĩa Học ở trường Trung Học Phổ Thơng III.1.1. ðiều Tra Thực Trạng Chúng tơi đả tiến hành điều tra ở 1 khối lớp gồm 2 lớp 12 nâng cao 12A1 ,12A3 và 2 lớp 12 ban cơ bản gồm 12C1 ,12C2. Ở trường THPT Lai Vung II. III.1.1.1. Mục ðích. ðánh giá chất lượng nắm kiến thức điện hĩa học của học sinh phổ thơng ở khối lớp 12. III.1.1.2. Tiến Hành. 1. Lớp 12 nâng cao. Chúng tơi đã phát phiếu điều tra để xem xét tình hình nắm kiến thức phần điện hĩa học của học sinh các lớp 12A1 ,12A3 trường THPT Lai Vung II. Số lượng phiếu phát ra: 87 phiếu, thu về 87 phiếu, phiếu gồm 10 câu hỏi trắc nghiệm, mổi câu cĩ nhiều ý kiến để lựa chọn. a. Kết Quả. Sau khi thống kê số liệu, kết quả thu được như sau.( Xem phụ lục 2) Ngồi xử lí kết quả từng câu một, chúng tơi cịn cho điểm từng bài một.Cách cho điểm như sau: Bài gồm 10 câu hỏi trắc nghiệm → 10 điểm. Mổi câu đúng được 1 điểm. Sau đây là kết quả từng lớp. Xi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 fXi 0 0 2 0 1 2 3 8 15 9 2 12A1 % 0 0 4,76 0 2,4 4,76 7,14 19,05 35,7 21,43 4,76 fXi 0 0 0 0 1 3 8 10 11 10 2 12A3 % 0 0 0 0 2,22 6,67 17,78 22,22 24,44 22,22 4,45 - 37 - Trong đĩ: Xi là điểm số. fXi là số lần xuất hiện của điểm số. Biểu đồ thể hiện tỉ lệ học sinh đạt các mức điểm từ 1 - 10 của học sinh hai lớp 12A1 và 12A3 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ðiểm % Tỉ lệ % học sinh đạt điểm lớp 12A1 Tỉ lệ % học sinh đạt điểm lớp 12A3 Hình III.1. Biểu diễn tỉ lệ học sinh đạt điểm của hai lớp 12A1 và 12A3 Sau khi thống kê kết quả, tỉ lệ xếp loại như sau: - Loại yếu : (0 → 4) : 4,59% - Loại trung bình : (5 → 6) : 18,39% - Loại khá : (7→ 8) : 50,57% - Loại giỏi : (9 → 10) : 26,45% Biểu diễn các kết quả dưới dạng biểu đồ. Biểu đồ thể hiện tỉ lệ xếp loại học lực của hai lớp 12A1 và 12A3 4.59 18.39 50.57 26.45 Loại yếu Trung bình Loại khá Loại giỏi Hình III.2. Tỉ lệ xếp loại học lực của hai lớp 12A1 và 12A3 b. Nhận xét Sau khi chấm điểm từng câu, từng bài và thống kê các số liệu, chúng tơi nhận thấy đa số học sinh lớp 12 ban nâng cao nắm được một số kiến thức cơ bản về vấn đề điện hĩa học. Tuy nhiên phần lớn các em chưa nắm sâu kiến thức. Tỉ lệ học sinh loại giỏi chỉ - 38 - chiếm 26,44%. Bên cạnh đĩ vẫn cịn một số học sinh mất căn bản về phần kiến thức này. Tỉ lệ học sinh loại yếu chiếm 9,84% Qua thống thống kê kết quả từng câu hỏi chúng tơi rút ra những nhận xét sau : - Học sinh trả lời khá tốt các câu 1(93,1%) ; câu 2 (88,5%); câu 5 (93,1%); câu 7 (77%); câu 9 (91,95%); câu 10 (94,25%) là các câu hỏi liên quan đến phản ứng oxi hĩa – khử, dãy hoạt động hĩa học của kim loại, thế của pin.Tuy nhiên vẫn cịn một số học sinh chưa nắm vững kiến thức cơ bản này, số học sinh trả lời sai các câu 7, câu 9 từ (10% - 20%). - Các câu 4, câu 6, câu 8, học sinh chỉ trả lời được ở mức trên trung bình (50% - 70%). Như vậy vẫn cịn trên 30% học sinh trả lời sai, do các em chưa nắm vững kiến thức về điện phân, ăn mịn kim loại và thế của pin. - Khi vận dụng lí thuyết điện hĩa vào việc giải các bài tập tập thì đa số học sinh làm khá tốt, tuy nhiên một số ít học sinh vẫn cịn tỏ ra lúng túng. 2. Lớp 12 Ban Cơ Bản. Chúng tơi cũng đã phát phiếu điều tra kiến thức về điện hĩa học dành riêng cho học sinh lớp 12 ban cơ bản. Phiếu điều tra được phát cho 2 lớp 12C1 và 12C2. trường THPT Lai Vung II. Số lượng phiếu phát ra là: 78 phiếu, thu về 78 phiếu, gồm 10 câu hỏi trắc nghiệm, mỗi câu cĩ nhiều ý kiến lựa chọn. a. Kết quả. Sau khi thống kê số liệu kết quả như sau . (Xem phụ lục 3) Ngồi xử lí kết quả từng câu một, chúng tơi cịn cho điểm từng bài một, cách cho điểm như sau: Bài 10 câu hỏi trắc nghiệm → 10 điểm. Mỗi câu đúng được 1 điểm. Sau đây là kết quả từng lớp: - 39 - Xi 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 fXi 0 0 5 5 6 8 9 4 2 12C1 % 0 0 12,82 12,82 15,38 20,51 23,08 10,26 5,13 fXi 0 0 0 6 11 13 4 2 1 2 12C2 % 0 0 0 15,38 28,21 33,33 10,26 5,13 2,56 5,13 Trong đĩ: Xi là điểm số. fXi là số lần xuất hiện của điểm số. Biểu diễn các kết quả dưới dạng biểu đồ. Hình III.3. Biểu diễn tỉ lệ học sinh đạt điểm của hai lớp 12C1 và 12C2 Sau khi thống kê kết quả, tỉ lệ xếp loại như sau : - Loại yếu : (0 → 4) : 42,31% - Loại trung bình : (5 → 6) : 43,59% - Loại khá : (7→ 8) : 11,54% - Loại giỏi : (9 → 10) : 2,56% Biểu diễn các kết quả dưới dạng biểu đồ - 40 - Biểu đồ thể hiện tỉ lệ xếp loại học lực của hai lớp 12C1 và 12C2 42.31 43.59 11.54 2.56 Loại yếu Trung bình Loại khá Loại giỏi Hình III.4. Tỉ lệ xếp loại học lực của hai lớp 12C1 và 12C2 b. Nhận Xét. Sau khi xử lí tương tự như lớp 12 ban nâng cao chúng tơi nhận thấy học sinh lớp 12 ban cơ bản của trường nắm kiến thức về điện hĩa học chưa vững, tỉ lệ học sinh loại yếu chiếm tới 43,31%, cịn tỉ lệ học sinh đạt loại khá 11,54%, giỏi 2,56%. - Các câu học sinh trả lời tương đối tốt là Câu 1(87,18%), Câu 2 (83,33%), Câu 4 (50%), Câu 6 (73,08%), Câu 8 (52,56%) là những câu cĩ liên quan đến các vấn đề như: Phản ứng oxi hĩa khử, dãy điện hĩa, ăn mịn kim loại, điều là những phần kiến thức các em vừa học. - ða số học sinh trả lời chưa tốt các câu 3 (33,33%), câu 5(2,56%), câu 7(20,51%), câu 9 (20,51%), câu 10 (15,54%) là các câu cĩ liên quan đến các dạng tốn áp dụng phần điện hĩa học như: điện phân, dãy điện hĩa, các kiến thức lí thuyết về điện phân....ðồng thời qua kết quả của các câu này chúng tơi đả nhận thấy đa số học sinh chưa nắm vững bản chất của kiến thức điện hĩa học, các em chỉ nắm được một cách sơ sài và chỉ biết áp dụng với những dạng bài tập quen thuộc cịn những bài cĩ tính đánh đố hầu như các em đều khơng làm được. - 41 - III.1.2. Nhận xét, nguyên nhân và giải pháp. III.1.2.1. Nhận xét chung. - ða số học sinh đã phần nào nắm được những kiến thức cơ bản về điện hĩa học. Tuy nhiên, phần lớn các em chưa nắm thật chắc và sâu kiến thức, các em thường chỉ chỉ hiểu biết vấn đề một cách sơ sài. - ða số các em chỉ trả lời đúng những vấn đề liên quan đến các kiến thức mà các em gặp thường xuyên. Ở lớp 12 ban nâng cao, hầu hết học sinh trả lời rất tốt các vấn đề về dãy điện hĩa, phản ứng oxi hĩa - khử. Ở lớp 12 ban cơ bản là các vấn đề về dãy điện hĩa, phản ứng oxi hĩa – khử. - ðối với những câu hỏi cĩ liên quan đến phần kiến thức về điện phân, ăn mịn kim loại, hay vận dụng các kiến thức điện hĩa vào giải các bài tập định lượng, thì đa số các học sinh trả lời với tỉ lệ đúng rất thấp, đặc biệt là ở ban cơ bản. Do đĩ khi dạy bài mới giáo viên cần phải chú ý thường xuyên ơn lại những kiến thức cũ cĩ liên quan đến bài học để học sinh khắc sâu kiến thức. - Ở lớp 12 ban nâng cao, với chương trình cải cách hiện nay thì kiến thức điện hĩa học được cập nhật rất nhiều, đa số là những vấn đề mới do đĩ học sinh tỏ ra lúng túng khi gặp phần kiến thức này. Ví dụ như: Pin điện hĩa, sức điện động, thế điện cực, điện phân....bên cạnh đĩ một số giáo viên chỉ dạy thống qua chưa thể khắc sâu được kiến thức. - Chúng tơi nhận thấy mức độ nắm vững kiến thức điện hĩa học cĩ sự chênh lệch giữa các lớp. ðặc biệt là ở ban cơ bản. III.1.2. 2. Nguyên nhân và giải pháp. 1/ Nguyên nhân khách quan và nguyên nhân chủ quan. - Nguyên nhân khách quan. ðiện hĩa học là phần kiến thức khá khĩ, mang tính khái quát, trừu tượng nên học sinh hiểu một cách chưa đầy đủ, mặt khác đây là khái niệm được manh nha học ở cuối năm - 42 - lớp 9 bậc THCS (dãy hoạt động hĩa học của kim loại ), và đến phần cuối của lớp 12 nĩ mới được trình bài một cách đầy đủ, vì vậy học sinh một lần khơng thể hiểu hết được. - Nguyên nhân chủ quan. Khi dạy về phần kiến thức điện hĩa học đa số giáo viên thường chưa chú ý đến việc sử dụng các phương tiện trực quan như: mơ hình, hình vẽ, để mơ hình hĩa các kiến thức giúp học sinh dể hiểu, dể nhớ và nhớ lâu. ðồng thời phần lớn giáo viên cũng chưa chú ý đến việc phối hợp, sử dụng linh hoạt các phương pháp giảng dạy, chưa thường xuyên ơn tập, cũng cố khắc sâu kiến thức cho học sinh. 2/ Giải pháp. - Trước hết giáo viên phải nắm thật chắc kiến thức chuyên mơn. ðồng thời cũng phải sử dụng, phối hợp linh hoạt các phương pháp dạy học khác nhau để nâng cao hiệu quả giảng dạy, giúp học sinh hứng thú học tập, khơng bị nhàm chán khi phải học một số lượng lớn kiến thức như hiện nay. - Giáo viên phải cho học sinh xem xét các vấn đề của các chất trên cơ sở vận dụng kiến thức điện hĩa học để giải quyết. - Khi dạy phần lí thuyết cơ sở điện hĩa giáo viên cần chú ý giảng thật kỉ, nhấn mạnh phần trọng tâm và khắc sâu các kiến thức. Cho học sinh giải thích rỏ mấu chốt của vấn đề để làm cơ sở lĩnh hội các kiến thức liên quan sau này. - Giáo viên phải chú ý hình thành cho học sinh các kiến thức hiện đại, vừa sức và tùy theo trình độ của mỗi học sinh. - Giáo viên phải hướng dẫn rèn luyện cho học sinh làm các bài tập về vấn đề liên quan đến kiến thức điện hĩa như: Dãy điện hĩa, ðiện Phân, Ăn mịn kim loại, Pin điện hĩa. - Trong quá trình giảng dạy ở các ban khác nhau giáo viên cần chú ý trình độ của mỗi học sinh, kiến thức điện hĩa ở mỗi ban được trình bài ở những mức độ khác nhau. Từ đĩ điều chỉnh dạy cho phù hợp. - 43 - III.2. Thiết kế một số giáo án dạy về phần điện hĩa ở trường trung học phổ thơng Dựa trên tình hình ở các trường phổ thơng theo kết quả điều tra, chúng tơi đã thiết kế một số giáo án khi giảng dạy các bài về điện hĩa học. ðể soạn các giáo án này tơi đã dựa trên dàn bài sách giáo khoa, các sách tham khảo, sách bài tập và các tài liệu cĩ liên quan, đồng thời tơi cũng đã tham khảo ý kiến của giáo viên phổ thơng, tham khảo các giáo án mẫu của các giáo viên lâu năm, nhiều kinh nghiệm. GIÁO ÁN HĨA HỌC 12 NÂNG CAO BÀI: DÃY ðIỆN HĨA CHUẨN CỦA KIM LOẠI I. MỤC TIÊU BÀI HỌC: 1. Kiến thức: Biết : – Các khái niệm: cặp oxi hĩa-khử của kim loại, pin điện hĩa, suất điện động và thế điện cực. – Cấu tạo của pin điện hĩa, sự chuyển động của các phần tử mang điện khi pin điện hĩa hoạt động. – Các phản ứng hĩa học xảy ra ở catot và anot của pin điện hĩa. – Thế điện cực chuẩn của kim loại. Hiểu: Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại và ý nghĩa của nĩ. 2. Kĩ năng: – So sánh tính oxi hĩa của các ion kim loại, tính khử của các kim loại giữa các cặp oxi hĩa – khử. – Xác định tên và dấu của các điện cực trong pin điện hĩa, tính được suất điện động của pin điện hĩa. - 44 - – Tính được thế điện cực chuẩn của một số cặp oxi hĩa–khử trong pin điện hĩa II. CHUẨN BỊ: – Lắp ráp một số pin điện hĩa Zn–Cu, Pb–Cu, Zn–Pb theo hình 5.3 SGK. – Một số tranh ảnh đã được vẽ trước: * Sơ đồ chuyển dịch của các ion trong pin điện hĩa Zn–Cu, hình 5.6 SGK * Sơ đồ cấu tạo điện cực hidro chuẩn, hình 5.7 SGK * Thí nghiêm xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn hình 5.8 SGK. * Thí nghiệm xác định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag, hình 5.9 SGK * Bảng dãy điện hĩa chuẩn của kim loại (SGK). Tranh vẽ mơt số pin điện hĩa. III. Hoạt động: 1. Ổn định lớp: 2. Kế hoạch giảng dạy : Tiết 1: Phần I và II. Tiết 2: Phần III. Tiết 3: Phần IV và V. HOẠT ðỘNG CỦA GV HOẠT ðỘNG CỦA HS I. Khái niệm về cặp oxi hố khử Hoạt động 1. Câu hỏi 1: Hồn thành phương trình hố học và viết sơ đồ quá trình oxi hố - khử của phản ứng: a) Cu + AgNO3 → b) Fe + CuSO4 → * GV nêu vấn đề. Cĩ thể biểu diễn các quá trình oxi hố khử theo cách khác được khơng? Cặp oxi hĩa khử là một cặp gồm I. Khái niệm về cặp oxi hố khử Học sinh ghi chép Hồn thành phương trình hố học. a) Cu + 2AgNO3 → Cu(NO3)2 + 2Ag Cu → Cu2+ + 2e Ag+ + 1e → Ag b) Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Fe → Fe2+ + 2e Cu2+ + 2e → Cu hoặc viết gộp : Fe2+ + 2e ⇌ Fe Cu2+ + 2e → Cu - 45 - chất oxihĩa và một chất khử của cùng 1 nguyên tố hĩa học Câu hỏi 2: Xác định chất oxi hố - khử từ đĩ rút ra nhận xét. * GV đưa ra sơ đồ tổng quát và giới thiệu cặp oxi hố - khử. II. Pin điện hố Hoạt động 2. 1. Khái niệm về pin điện hĩa, suất điện động và thế điện cực: GV tiến hành thí nghiệm như SGK hoặc mơ tả thí nghiệm (sử dụng sơ đồ pin điện hố Zn-Cu) hình 5.3. Nếu cĩ điều kiện dùng phần mềm mơ phỏng pin điện hố cho HS xem. 2. Cơ chế phát sinh dịng điện: - Mơ tả cấu tạo của pin, hoạt động của pin, nhận xét và giải thích? * GV dựng sơ đồ hình 5.4, 5.5, 5.6 hoặc dùng phần mềm mơ phỏng cho HS xem và yêu cầu HS nhận xét, giải thích sự chuyển dịch e ở điện cực Zn, Ag+ + 1e → Ag Chất oxi hĩa chất khử Tổng quát : Mn+ + ne → M Dạng oxi hĩa và dạng khử của cùng một nguyên tố tạo thành cặp oxi hĩa khử. Các cặp oxi hĩa – khử trên được viết như sau: Fe2+/Fe ; Cu2+/Cu ; Ag+/Ag. Tổng quát: Mn+/M II. Pin điện hố 1. Khái niệm về pin điện hĩa, suất điện động và thế điện cực Học sinh quan sát hiện tượng thí nghiệm + Kim loại tan vào dung dịch + Suất điện động của pin hĩa học Epin = 1,10 V + Màu của cốc dung dụch chứa CuSO4? ð/v pin điện hĩa Zn/Cu ở hình 5.3 ta cĩ: )/()/( 22 ZnZn o CuCu o pin o EEE ++ −= 2. Cơ chế phát sinh dịng điện Giải thích. * ðiện cực Zn (cực âm) là nguồn cung cấp e, Zn bị oxi hố thành Zn2+ tan vào dung dịch: Zn → Zn2+ + 2e * ðiện cực Cu (cực dương) các e đến cực Cu, ở đây các ion Cu2+ bị khử thành kim loại Cu bám trên bề mặt lá đồng. - 46 - điện cực Cu, cầu muối trái, cầu muối phải. - Viết phương trình ion rút gọn. * GV yêu cầu HS viết các cặp oxi hố-khử * GV giới thiệu quy tắc α (3) Nhận xét - GV yêu cầu HS nhận xét nồng độ của các ion trong dung dịch muối CuSO4 và ZnSO4 sẽ tăng giảm như thế nào trong quá trình điện phân ? Suất điện động E của pin điện hố phụ thuộc vào yếu tố nào? Cu2+ + 2e → Cu * Cầu muối trái: Cation NH4+ ( hoặc K+) di chuyển sang cốc đựng dung dịch CuSO4 * Cầu muối phải: Các cation NO3– di chuyển sang cốc đựng dung dịch ZnSO4. Sự di chuyển của các ion này làm cho các dung dịch muối luơn trung hồ điện. * Phương trình ion rút gọn biểu diễn quá trình oxi hố-khử xảy ra trên bề mặt các điện cực của pin điện hố: Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+ Ox Kh Kh. yếu Ox yếu Zn Cu Zn Cu 2+2+ 3. Kết luận: – Cĩ sự biến đổi nồng độ các ion Cu2+ và Zn2+ trong quá trình hoạt động của pin. Cu2+ giảm, Zn2+ tăng – Năng lượng của phản ứng oxi hĩa – khử trong pin điện hĩa đã sinh ra dịng điện một chiều. - 47 - - GV yêu cầu HS căn cứ vào các cặp pin đã cho trong SGK cho biết quá trình oxi hố khử diễn ra trong pin Cu-Ag; Pb-Cu; Zn-Pb như thế nào ? III. Thế điện cực chuẩn của kim loại Hoạt động 3 : 1. ðiện cực hidro chuẩn - Vì sao cần phải xác định thế điện cực chuẩn cho mỗi cặp oxihĩa–khử? - thơng báo thế điện cực chuẩn: Dùng hình 5.7 để xác định Cần phải xác định thế điện cực cho mỗi loại cặp oxi hố- khử vì vậy dùng điện cực chuẩn để so sánh đĩ là điện cực hiđro chuẩn. – Những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin điện hĩa như: * Nhiệt độ. * Nồng độ của ion kim loại. * bản chất của kim loại làm điện cực. III. Thế điện cực chuẩn của kim loại 1. ðiện cực hidro chuẩn HS xem hình 5.7 và ghi Người ta chấp nhận một cách quy ước rằng thế điện cực của điện cực hidro chuẩn bằng 0,00V ở mọi nhiệt độ H2 2H+ + 2e VE HHo 00,02/2 =+ HS thảo luận theo nhĩm cử đại diện trình bày. a. Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn. - ðiện cực platin. - ðiện cực nhúng vào dd axit H+ 1 M. b. Cách xác định thế điện cực chuẩn hiđro chuẩn. - Cho dịng khí H2 cĩ p =1 atm liên tục đi qua dd axit để bột Pt hấp thụ khí H2. - Qui ước thế điện cực hiđro chuẩn cặp oxi hố khử H+/H2 là 0,00 V ; E0 (H+/H2)= 0,00 V - 48 - 2. Thế điện cực chuẩn của kim loại: - HS dùng hình 5.8 trình bày những nội dung của thí nghiệm xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn ? - Cách lắp thiết bị để xác định thế điện cực chuẩn của Zn? – Những phản ứng hĩa học xảy ra ở các điện cực khi pin Zn–H hoạt động? – Thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn là –0,76V Thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo cĩ được xác định từ bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hidro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo. – Dùng hình 5.9 trình bày nội dung thí nghiệm xác định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag. Hoạt động dạy và học tương tự trên. 2. Thế điện cực chuẩn của kim loại Cách xác định thế điện cực chuẩn của kim loại - Thiết lập pin điện hố gồm: điện cực chuẩn của kim loại ở bên phải, điện cực chuẩn của hiđro ở bên trái vơn kế →hiệu số điện thế lớn nhất giữa hai điện cực chuẩn. Nếu điện cực kim loại là cực âm → E0<0, nếu điện cực kim loại là cực dương → E0>0. * HS trả lời: - Hiđro là điện cực (+): 2H+ + 2e → H2 - Kẽm là điện cực ( –) : Zn → Zn2+ +2e Zn + 2H Zn + H2 2++ 2e * Vơn kế chỉ số 0,76 V. Cho biết hiệu số điện thế lớn nhất giữa 2 điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn và H+/H2. Ký hiệu: E0(Zn2+/Zn)= –0,76 V. * Xác định thế điện cực chuẩn cặp Ag+/Ag Các phản ứng xảy ra: – Ag là cực dương (catot): Ag+ + e → Ag – Hidro là cực âm (anot) : H2 → 2H+ + 2e Phản ứng xảy ra trong pin:2Ag+ + H2 → 2Ag + 2H+ - 49 - IV. Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại: Nguyên tắc sắp xếp các cặp oxihĩa–khử của kim loại trong dãy như thế nào? IV. Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại: Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại là dãy sắp xếp các kim loại theo thứ tự tăng dần thế điện cực chuẩn . V. Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại: Hoạt động 4: 1. So sánh tính oxihĩa–khử: Quy luật của dãy? 2. Xác định chiều của phản ứng oxihĩa –khử: HS phân tích các chi tiết trong thí nghiệm xác định chiều của phản ứng giữa 2 cặp oxihĩa–khử Cu2+/Cu và Ag+/Ag Kết luận: Quy tắc α V. Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại: 1. So sánh tính oxihĩa–khử MM nE /0 + càng lớn thì tính oxihĩa của cation Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu. Ngược lại thế điện cực chuẩn của kim loại càng nhỏ thì tính oxihĩa của cation càng yếu và tính khử của kim loại càng mạnh. 2. Xác định chiều của phản ứng oxihĩa – khử Học sinh phân tích phản ứng giữa 2 cặp oxihĩa–khử : Cu2+/Cu (E0 = +0,34V) và Ag+/Ag ( E0 = +0,80V) thấy: – Ion Cu2+ cĩ tính oxi hĩa yếu hơn ion Ag+. – Kim loại Cu cĩ tính khử mạnh hơn Ag. – Cặp oxihĩa–khử Cu2+/Cu cĩ thế điện cực chuẩn nhỏ hơn của cặp oxihĩa –khử Ag+/Ag. Kết luận: Cation kim loại trong cặp oxihĩa– K+/K –2,93 Na+/Na –2,71 Mg2+/Mg –2,37 Al3+/Al –1,66 Zn2+/Zn –0,76 Fe2+/Fe –0,44 Ni2+/Ni –0,26 Sn2+/Sn –0,14 Pb2+/Pb –0,13 2H+/H2 0,00 Cu2+/Cu +0,34 Ag+/Ag +0,80 Au3+/Au +1,50 - 50 - Học sinh tìm hiểu thêm phản ứng giữa 2 cặp oxihĩa–khử : Mg2+/Mg và 2H+/H2 Kết luận tương tự trên. 3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hĩa: Hướng dẫn HS tính suất điện động chuẩn của pin điện hĩa. Thí dụ: Suất điện động chuẩn của pin điện hĩa Zn–Cu: E0pin = 0 // 0 2 2 ZnZnCuCu EE ++ − = 0,34V – (–0,76V) = 1,10V 4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxihĩa–khử: Biết: 0 ( ) 0,59pin Ni CuE V− = Và VE CuCu 34,0 0 /2 +=+ Cực dương là cực Cu. Thì : =+0 /2 NiNiE +0,34V–0,59V = –0,25V khử cĩ thế điện cực chuẩn lớn hơn cĩ thể oxihĩa được kim loại trong cặp cĩ thế điện cực chuẩn nhỏ hơn. 2Ag+ + Cu → Cu2+ + 2Ag Mg + 2H+ → Mg2+ + H2 3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hĩa Suất điện động chuẩn của pin điện hĩa (E0pin) bằng thế điện cực chuẩn của cực dương trừ đi thế điện cực chuẩn của cực âm. Sức điện động của pin điện hĩa luơn là số dương. 4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxihĩa–khử Ta cĩ thể xác định được thế điện cực chuẩn của cặp oxi hĩa–khử khi biết suất điện động chuẩn của pin điện hĩa (E0pin) và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hĩa–khử cịn lại . Thí dụ: với pin (Ni-Cu) ta cĩ: 00 /0 / 22 pinCuCuNiNi EEE −= ++ GIÁO ÁN 12 NÂNG CAO - 51 - BÀI: SỰ ðIỆN PHÂN. I. MỤC TIÊU BÀI HỌC: 1. Kiến thức: –Biết sự điện phân là gì? –Biết những ứng dụng của sự điện phân trong cơng nghiệp. –Hiểu sự chuyển dịch của các ion trong quá trình điện phân: NaCl nĩng chảy, dung dịch CuSO4 với điện cực trơ và điện cực tan. – Hiểu những phản ứng hĩa học xảy ra trên các điện cực trong quá trình điện phân và viết được phương trình điện phân. 2. Kĩ năng: – Thực hiện được một số thí nghiệm điện phân đơn giản: đpdd CuSO4 với anot trơ và anot tan. – Biết xác định tên các điện cực trong bình điện phân. – Viết được phương trình hĩa học của phản ứng xảy ra trên các điện cực và viết được phương trình điện phân. – Giải được các bài tốn liên quan đến sự điện phân. II. CHUẨN BỊ: * Thí nghiệm trực quan: Hĩa chất: dung dịch CuSO4 0,5M Dụng cụ: Ống hình chữ U, nút các điện cực, nguồn điện một chiếu cùng với biến trở, dây nối các điện cực. * Một số tranh vẽ về sự điện phân. III. HOẠT ðỘNG GIẢNG DẠY: 1. Ổn định lớp: - 52 - 2. Dạy bài mới: HOẠT ðỘNG CỦA GV HOẠT ðỘNG CỦA HS I. KHÁI NIỆM : Hoạt động 1. Cho HS xem sơ đồ hình 5.10 yêu cầu HS mơ tả bình điện phân, hoạt động của bình điện phân? Pt phân li: NaCl → Na+ + Cl– Cực dương: 2Cl– (l) → Cl2 (k) + 2e Cực âm: 2Na+ (l) + 2e → 2Na Phương trình điện phân: 2NaCl 2Na + Cl2 Chú ý phân biệt cực của pin điện hố và cực của bình điện phân. GV bổ sung các thơng tin. Từ đĩ yêu cầu HS rút ra kết luận về sự điện phân. I. KHÁI NIỆM * Thiết bị điện phân gồm cĩ: - Bình điện phân - 2 điện cực. Cực âm và cực dương; anơt được nối với cực (+) của nguồn điện một chiều; catot được nối với cực (-) của nguồn điện một chiều. * Hoạt động của bình điện phân: Khi cĩ dịng điện một chiều chạy qua trên điện cực dương (anot) xảy ra sự oxi hố, trên điện cực âm (catot) xảy ra sự khử. Nêu khái niệm. Sự điện phân là quá trình oxi hĩa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cĩ dịng điện một chiều đi qua chất điện li nĩng chảy hoặc dung dịch chất điện li. II. SỰ ðIỆN PHÂN CÁC CHẤT ðIỆN LI Hoạt động 2. Sử dụng phương pháp đàm thoại. GV yêu cấu HS. - Cho biết các ion di chuyển trong dd như thế nào ? - Phương trình điện phân và sơ đồ điện phân được biểu diễn như thế II. SỰ ðIỆN PHÂN CÁC CHẤT ðIỆN LI 1. Sự điện phân NaCl nĩng chảy. Khi cĩ dịng điện một chiều chạy qua. Cực dương (anot) diễn ra sự oxi hĩa. Cực âm (catot) diễn ra sự khử. Quá trình oxi hố-khử được biểu diễn đpnc - 53 - nào ? - đp MgCl2 nĩng chảy tương tự NaCl nĩng chảy Hoạt động 5 2. Sự điện phân dd CuSO4: a) ðiện phân dd CuSO4 với các điện cực trơ ( graphit) Thảo luận phiếu học tập số 4 Câu hỏi 1: Cấu tạo của bình điện phân. Câu hỏi 2: Hoạt động của bình điện phân và hiện tượng xảy ra trong quá trình điện phân. Câu hỏi 3: Giải thích * Khi cĩ dịng điện một chiều chạy qua các ion trong dd dịch chuyển như thế nào ? * Các quá trình oxi hố-khử diễn ra ở các điện cực như thế nào ? (xét thế điện cực chuẩn). Na+ + 1e → Na 2Cl- -2e → Cl2 Phương trình điện phân 22 2 dpncNaCl Na Cl→ + 2. Sự điện phân dd CuSO4: a) ðiện phân dd CuSO4 với các điện cực trơ ( graphit) * Bình điện phân là ống chữ U, 2 điện cực bằng graphit, một điện cực âm và một điện cực dương, dd chất điện phân là CuSO4. * Khi cho dịng điện một chiều đi qua (cĩ hiệu điện thế ≥ 1,3 V) cĩ hiện tượng: - Ở catot: kim loại Cu bám vào điện cực.( cực âm) - Ở anot: Bọt khí O2 thốt ra. ( cực dương ) * Khi tạo nên một điện thế giữa hai điện cực, các ion SO42- di chuyển về anot. Các ion Cu2+ di chuyển về catot. * Ở Catot cĩ thể xảy ra sự khử ion Cu2+ hoặc H2O. Xét thế điện cực chuẩn: E0 (Cu2+/Cu) = 0,34 V; E0(H2O/H2)= - 0,83 V. Như vậy ion Cu2+ cĩ tính oxi hố mạnh hơn các phân tử H2O. Vì vậy ở đây xảy ra sự khử các ion Cu2+ thành Cu bám trên catot: Cu2+ + 2e → Cu * ở anot: Cĩ thể xảy ra sự oxi hố các ion SO42- hoặc H2O. - 54 - * Viết sơ đồ điện phân. * Viết phương trình điện phân. b/ ðiện phân dd CuSO4 với anot đồng (anot tan) : Thí nghiệm được mơ tả như hình 5.12. Hướng dẫn học sinh giải thích hiện tượng. Xét thế điện cực chuẩn E0 (H2O/ O2) = -0,83 V; E0 (SO42-/H2O) = 1,70 V. Như vậy H2O cĩ tính khử mạnh hơn các ion SO42- nên H2O dễ bị oxi hĩa sinh ra khí O2 ở anot: 2H2O → O2 + 4 H+ + 4e * Cực (-) ← CuSO4 → Cực (+) (H2O) Cu2+, H2O H2O, SO42- Cu2+ + 2e → Cu 2H2O → O2 + 4 H+ + 4e Phương trình điện phân dd 4 2 2 2 42 uSO 2 2 2 dpC H O Cu O H SO+ → + + b/ ðiện phân dd CuSO4 với anot đồng (anot tan) Học sinh quan sát thí nghiệm và nhận xét: Anot tan hết, catot khử kim loại Cu bám vào Ở anot (+) Nguyên tử Cu bị oxi hĩa thành ion Cu2+ đi vào dung dịch: Cu (r) → Cu2+ (dd) + 2e. Anot dần dần bị hịa tan. Ở catot ( –) ion Cu2+ bi khử thành Cu bám trên bề mặt catot: Cu2+ (dd) + 2e → Cu(r) Phương trình điện phân: Cu(r) + Cu2+ (dd) Cu2+ (dd) + Cu (r) Anot Catot - 55 - III. ỨNG DỤNG CỦA SỰ ðIỆN PHÂN Hoạt động 6 GV cho HS nghiên cứu SGK trình bày ứng dụng của sự điện phân. Hoạt động 7 Tổng kết bài học, ra bài tập về nhà. III. ỨNG DỤNG CỦA SỰ ðIỆN PHÂN 1. ðiều chế kim loại. 2. ðiều chế một số phi kim (H2 ; O2...) 3. ðiều chế một số loại hợp chất (KMnO4, NaOH, H2O, nước giaven...) 4. Tinh chế một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au... 5. Mạ điện... - 56 - GIÁO ÁN 12 CƠ BẢN BÀI: ðIỀU CHẾ KIM LOẠI I. Mục tiêu của bài học. 1. Kiến thức. − Biết nguyên tắc chung về điều chế kim loại. − Hiểu các phương pháp được vận dụng để điều chế kim loại. Mỗi phương pháp thích hợp với sự điều chế những kim loại nào. Dẫn ra được những phản ứng hố học và điều kiện của phản ứng điều chế những kim loại cụ thể. 2. Kĩ năng Biết giải các bài tốn điều chế kim loại, trong đĩ cĩ bài tốn điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân khơng hoặc cĩ sử dụng định luật Farađay. II. Chuẩn bị − Bảng Dãy điện hố chuẩn của kim loại, Bảng tuần hồn các nguyên tố hố học. − HS xem lại Bài 16 ở nhà. III. Hoạt động dạy học Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1 GV thơng báo, trong tự nhiên chỉ cĩ một số ít kim loại tồn tại ở trạng thái tự do, như Au, Pt, Hg ... Hầu hết các kim loại khác đều dưới dạng các hợp chất hố học (oxit, muối)., kim loại tồn tại ở dạng ion dương. GV đặt câu hỏi, nguyên tắc điều chế kim I. NGUYÊN TẮC ðIỀU CHẾ KIM LOẠI. Thực hiện sự khử : Mn+ + ne → M - 57 - loại là gì ? Bằng cách nào cĩ thể chuyển những ion kim loại thành kim loại tự do ?
Hoạt động 2. Cơ sở khoa học của phương pháp nhiệt luyện điều chế kim loại là gì ? - Dẫn ra một số kim loại được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện, viết phương trình phản ứng hố học, điều kiện của những phản ứng này là gì ? - Những kim loại nào thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện ?
Hoạt động 3. GV hướng dẫn HS nghiên cứu SGK : - Cơ sở của việc điều chế kim loại bằng phương pháp thuỷ luyện là gì ? - Dẫn thí dụ và viết phương trình phản ứng hố học. II. PHƯƠNG PHÁP ðIỀU CHẾ KIM LOẠI 1. phương pháp nhiệt luyện - Cơ sở: Khử những ion kim loại trong oxit ở nhiệt độ cao bằng các chất khử như: C, CO, H2 hoặc Al, KL kiềm, KL kiềm thổ - Ví dụ: 0 0 2 3 2 2 2 3 2 3t t Fe O CO Fe CO PbO H Pb H O + → + + → + - Dùng trong CN, để điều chế những kim loại hoạt động trung bình. 2.Phương pháp thuỷ luyện - HS nêu: Dùng hố chất thích hợp như H2SO4, NaOH, NaCN… tách hợp chất của kim loại ra khỏi quặng. Sau đĩ dùng chất khử để khử ion kim loại thành kim loại tự do - Thí dụ: Dùng Fe để khử ion Cu2+ trong dd muối đồng Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu ↓ 2 2Fe Cu Fe Cu+ ++ → + - 58 - - Phương pháp thuỷ luyện được dùng để điều chế những kim loại nào ?
Hoạt động 4. - Cơ sở của phương pháp điện phân điều chế kim loại là gì ? - Những kim loại nào cĩ thể được điều chế bằng phương pháp điện phân ? − Cĩ mấy loại điện phân.? - Phương pháp nàydùng để điều chế kim loại yếu. 3. Phương pháp điện phân. HS trả lời: Phương pháp điện phân dùng năng lượng của dịng điện để gây ra sự biến đổi hố học, đĩ là phản ứng oxi hố - khử. - Phương pháp điện phân cĩ thể điều chế được những kim loại hoạt động mạnh như: K, Na, Ca, Mg, Al.. a/ ðiện phân nĩng chảy Ví dụ: ðiện phân Al2O3 nĩng chảy Ở Catot (cực âm): 3 3Al e Al+ + → Ở Anot (cực dương): 2 22 4O O e− → + Phương trình điện phân: 2 3 22 4 3 dpncAl O Al O→ + b/ ðiện phân dung dịch cĩ thể được dung để điều chế kim loại hoạt động trung bình hoặc yếu bằng cách điện phân muối của chúng. Ví dụ: ðiện phân dung dịch CuCl2 để điều chế Cu. Ở Catot: 2 2Cu e Cu+ + → Ở Anot: 22 2Cl Cl e− → + - 59 - - Dẫn thí dụ điều chế kim loại hoạt động trung bình bằng phương pháp điện phân,thí dụ điều chế Zn (nguyên liệu, trạng thái,sơ đồ và phương trình điện phân). - Giáo viên trình bài định luật Faraday Hoạt động 5. Củng cố bài học. * GV củng cố bài học bằng cách cho HS làm một số bài tập sau : − Bài tập 1 trong SGK. − Bài tập được dẫn làm thí dụ trong đề Phương trình điện phân: dd 2 2 dpCuCl Cu Cl→ + - Thí dụ: Sơ đồ điện phân dung dịch ZnSO4 Cực (-) Zn2+, H2O ZnSO4 (dd) Cực (+) SO42-, H2O Zn2++2e→Zn 2H2O→4H++O2+ 4e Phương trình điện phân: 2 ZnSO4 + H2O → 2 Zn + 2 H2SO4 + O2↑ III. ðỊNH LUẬT FARADAY - Cơng thức: Error! Objects cannot be created from editing field codes. - 60 - PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT I. KẾT LUẬN Việc giảng dạy nội dung kiến thức điện hĩa học cho học sinh ở trường phổ thơng là hết sức quan trọng và cần thiết. Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện, khĩa luận này đã hồn thành những vấn đề sau: - Nghiên cứu cơ sở lí luận các vấn đề điện hĩa học trong chương trình hĩa học phổ thơng. - Nghiên cứu hệ thống hĩa những kiến thức về điện hĩa học ở trường trung học phổ thơng. - Nghiên cứu cấu trúc chương trình các bài dạy ở chương trình trung học phổ thơng. - Phân tích sự hình thành khái niệm điện hĩa học từ bậc trung học cơ sở đến trung học phổ thơng để thấy đây là phần kiến thức quan trọng cần phải nắm vững. - Tiến hành điều tra mức độ nắm kiến thức điện hĩa học của học sinh ở khối lớp 12, gồm 2 ban: ban nâng cao và ban cơ bản với 4 lớp: 2 lớp 12 ban nâng cao và 2 lớp 12 ban cơ bản ở trường THPT Lai Vung II. Sau khi xử lí kết quả và thống kê số liệu, tơi cĩ nhận xét sau: + Học sinh nắm được phần nào kiến thức cơ bản về điện hĩa học tuy nhiên chưa nắm vững một cách chắc chắn về những vấn đề bản chất của điện hĩa học. + Phần lớn học sinh cịn tỏ ra lúng túng khi áp dụng lí thuyết điện hĩa học vào phần bài tập. Sau khi tìm hiểu cơ sở lí luận và điều tra tình hình nắm kiến thức của học sinh về phần kiến thức điện hĩa học, tơi đã mạnh dạng đưa ra một số nhận xét và giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả giảng dạy phần kiến thức này. ðồng thời tơi cũng thiết kế một số giáo án cĩ liên quan đến kiến thức về điện hĩa hĩa học ở trường THPT của khối lớp 12. - 61 - II. ðỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ ðể giúp cho việc giảng dạy mơn hĩa học, đặc biệt là việc hình thành và phát triển kiến thức cơ bản mà cụ thể ở đây là kiến thức điện hĩa học đạt hiệu quả cao tơi xin cĩ một số kiến nghị sau: - ðối với nội dung chương trình hĩa học phổ thơng hiện nay, khối lượng kiến thức đưa vào chương trình là khá nhiều nhưng thời gian lên lớp lại quá ít nên giáo viên khơng cĩ đủ thời gian luyện tập, mở rộng kiến thức cho học sinh. Vì thế, cần phải tăng thêm thời gian lên lớp (số tiết). - Giáo viên cần nên cho học sinh nghiên cứu, xem xét các vấn đề của kiến thức trên nhiều khía cạnh khác nhau, kết hợp với những lí thuyết trước đĩ đả được học. - ðối với lãnh đạo nhà trường đại học, em xin cĩ một số đề nghị sau: + Tăng cường tiết tập giảng để sinh viên cĩ thể giảng dạy tất cả các bài trong chương trình THPT. Trong các tiết đĩ, giáo viên nên gĩp ý phương pháp giảng dạy của từng bài, từng phần cho sinh viên. + Tổ chức các buổi nghe báo cáo kinh nghiệm của các giáo viên trường trung học phổ thơng về phương pháp giảng dạy các nội dung khĩ, trừu tượng chẳng hạn như: Pin điện hĩa, thế điện hĩa, suất điện động, điện phân điện cực tan…..nhằm giúp cho sinh viên cĩ thêm kinh nghiệm khi vào nghề. - ðối với giáo viên đang giảng dạy ở trường trung học phổ thơng hay các sinh viên cịn đang ngồi trong ghế nhà trường đều cần phải luơn luơn trao dồi kiến thức chuyên mơn của mình một cách vững chắc nhất, từ đĩ kết hợp với các phương pháp dạy học thích hợp để truyền đạt kiến thức cho học sinh một cách tốt nhất. - Trong thời gian gần đây, ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong dạy học hĩa học đang được sử dụng một cách rộng rãi. Vì thế bản than mỗi giáo viên, sinh viên đều phải luơn tìm tịi, học hỏi, mở mang tri thức của mình, tiếp cận với cơng nghệ hiện đại của khoa học kỉ thuật để phục vụ cho việc giảng dạy của mình được tốt nhất.