Tài liệu Tích hợp môn hóa học vào dạy học bài tiết 26, 27 bài 14 dòng điện trong chất điện phân. sách giáo khoa vật lý 11

TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BẠC LIÊU TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT 1. Họ và tên: Nguyễn Đức Thưởng Ngày sinh 19/03/1965; Môn: Vật Lí Điện thoại: 0918440692; Email: [email protected] 2. Họ và tên: Trần Quang Điện Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật Lí Điện thoại: 0913631226; Email: [email protected] 1 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT PHIẾU MÔ TẢ DỰ ÁN DẠY HỌC – MÔN VẬT LÝ Sở Giáo dục – Đào tạo Bạc Liêu 1. Họ và tên: Nguyễn Đức Thưởng Ngày sinh 19/03/1965; Môn : Vật Lí Điện thoại: 0918440692; Email: [email protected] 2. Họ và tên: Trần Quang Điện Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật Lí Điện thoại: 0913631226; Email: [email protected] 1. Tên dự án dạy học TIẾT 26, 27: BÀI 14: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN Tích hợp môn hóa học vào dạy học bài “ Dòng điện trong chất điện phân. Sách giáo khoa Vật lý 11. 2. Mục tiêu dạy học 2.1. Kiến thức 2.1.1. Đối với môn Vật lý: - Khắc sâu kiến thức về dòng điện, điều kiện để có dòng điện, dòng điện trong kim loại, chất dẫn điện và chất cách điện, lực điện trường làm điện tích dương di chuyển cùng chiều điện trường và các điện tích âm di chuyển ngược chiều điện trường. -Trả lời được câu hỏi thế nào là chất điện phân, hiện tượng điện phân, nêu bản chất của dòng điện trong chất điện phân. - Phát biểu được các định luật Fa-Ra-Đây về điện phân, áp dụng giải các bài tập. - Các phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân, hiện tượng dương cực tan. - Các ứng dụng của hiện tượng điện phân trong sản xuất, KHKT 2.1.2. Đối với môn Hóa học: - Các kiến thức về hóa học: cấu tạo của các axit, bazơ, muối, liên kết ion, khái niệm về hóa trị. - Sự phân li của chất điện phân, sự phân li của các chất phụ thuộc vào nhiệt độ 2 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT - Viết phương trình phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực và trong dung dịch trong hiện tượng điện phân. - Ý nghĩa của các đại lượng trong công thức của định luật Faraday: Như A, n, A/n, các điện tích nguyên tố, … - Cách điều chế hóa chất... 2.1.3. Đối với môn Toán: - Các kiến thức về Toán học: Tính thể tích hình hộp, các kiến thức về số lũy thừa. 2.1.4. Đối với môn Sinh học: a/ Sinh học lớp 10 Bài 11- VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG SINH CHẤT - Các con đường vận chuyển các chất qua màng sinh chất. Phân biệt được các hình thức vận chuyển thụ động, chủ động, xuất bào và nhập bào. - Phân biệt được thế nào là khuếch tán, thẩm thấu, dung dịch (ưu trương, nhược trương và đẳng trương). b/ Sinh học lớp 11 Bài 28 - Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động - Điện thế nghỉ: là sự chênh lệch điện thế giữa hai bên màng tế bào khi tế bào nghỉ ngơi (không bị kích thích), phía trong màng tế bào tích điện âm so với phía ngoài màng tích điện dương. 2.2. Kỹ năng 2.2.2. Đối với môn Vật lý: + Rèn kỹ năng thí nghiệm. + Kỹ năng vận dụng kiến thức đã biết vào bài học như: - Vận dụng kiến thức về dòng điện để kết luận trong chất điện phân có các hạt tải điện tự do. r r - Vận dụng công thức F  q.E để tìm hiểu xem các hạt tải điện tự do trong chất điện phân chuyển động như thế nào dưới tác dụng của điện trường. - Vận dụng thuyết electron để giải thích số phân tử phân li phụ thuộc vào nhiệt độ. - Vận dụng định luật Ôm cho dòng điện trong chất điện phân. - Vận dụng đường đặc tuyến Vôn- Ampe của dòng điện trong chất điện phân để xây dựng định luật I Faraday. + Kỹ năng ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn: Mạ điện, đúc điện, luyện kim.. 2.2.3. Đối với môn Hóa học: + Kỹ năng vận dụng kiến thức hóa học vào bài học như: 3 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT - Vận dụng thuyết điện li để tìm ra loại hạt tải điện trong chất điện phân và sự hình thành của chúng. - Chứng minh số phân tử phân li phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. - Xác định được chất khí thoát ra ở điện cực trong hiện tượng điện phân dung dịch NaCl, sản xuất nhôm. - Vận dụng thuyết điện li và tính dẫn điện của chất điện phân để giải thích các đinh luật Faraday. - Làm thí nghiệm điều chế hóa chất: NaOH, khí clo và Hidro... * Ngoài ra còn rèn cho học sinh kỹ năng: - Biết làm việc hợp tác, làm việc theo nhóm. - Biết tìm kiếm, khai thác thông tin từ các nguồn khác nhau, đặc biệt là qua mạng Internet. - Rèn luyện kỹ năng giao tiếp và trình bày vấn đề. - Biết sử dụng các thiết bị tin học để trình chiếu các ý tưởng cũng như sản phẩm. - Biết tự đánh giá năng lực và hứng thú của bản thân và đánh giá bạn bè. - Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước, làm sạch nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa vào tái sử dụng. - Phân loại nước thải: Nước thải được phân loại theo nguồồn gồốc phát sinh. Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau đây: Nước thải sinh hoạt; Nước thải công nghiệp; Nước thấm qua;Nước thải tự nhiên; Nước thải đô thị; … 2.2.4. Đối với môn Toán học: Rèn luyện kỹ năng tính toán, sử dụng máy tính Casio. 2.2.5. Đối với môn Sinh học: - Rèn luyện kĩ năng quan sát, phân tích, so sánh, tổng hợp kiến thức. - Rèn luyện được khả năng quan sát hình, khai thác thông tin từ hình ảnh. - Rèn kĩ năng làm việc nhóm. - sự chênh lệch nồng độ Na+, K+ hai bên màng; tính thấm của màng đối với ion K+ (cổng Kali mở để ion kali đi từ trong ra ngoài); lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu; hoạt động của bơm Na – K. 4 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT 2.3. Tư duy và thái độ: - Có hứng thú học môn vật lý nói chung và bài dòng điện trong chất điện phân nói riêng. - Yêu thích tìm tòi, khám phá các thành tựu khoa học. - Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong nghiêm túc, ham học hỏi. - Có tinh thần nhiệt tình, hợp tác làm việc. - Có ý thức vận dụng kiến thức đã biết vào bài học... - Theo tài liệu Giáo dục bảo vệ môi trường trong môn Sinh học THPT, liên hệ: 3. Đối tượng dạy học của bài học - Tôi đã tiến hành dạy tại lớp 11C3 trường THPT Võ Văn Kiệt. - Số lượng học sinh tham gia: 37 học sinh trong đó có 23 nữ và 14 nam, học theo chương trình cơ bản. Nhận thức của học sinh tương đối đồng đều, đa số các em có điều kiện thường xuyên sử dụng máy vi tính và làm quen với sự trợ giúp của máy vi tính... 5 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT 4. Ý nghĩa dự án: 4.1. Ý nghĩa của dự án đối với thực tiễn dạy học: - Phát huy tính tích cực, tự chủ, tư duy sáng tạo của học sinh trong quá trình tham gia tìm tòi giải quyết vấn đề từ đó học sinh nắm được bài học sâu sắc hơn, hiểu về thực tiễn cuộc sống xung quanh và học được nhiều kỹ năng sống, làm việc. - Vận dụng được kiến thức lý thuyết vào thực tiễn như điều chế hóa chất, luyện kim, mạ điện, đúc điện... và vai trò của chúng trong cuộc sống. - Biết vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết vấn đề đặt ra trong cuộc sống. 5. Thiết bị dạy học, học liệu 5.1. Thiết bị dạy học - Máy tính, máy chiếu. - Bộ thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân: Nguồn một chiều, các điện cực, các dung dịch NaCl, NaOH, HCl, Đồng sunfat, nước cất, dây nối, các bình đựng dung dịch, ống nghiệm... - Sách giáo khoa Vật lý 11 nâng cao, sách giáo viên vật lý 11 nâng cao, sách để học tốt Vật ly 11 cơ bản, Bài tập định tính và câu hỏi thực tế Vật lí 11, sách Vật lí trong Hóa học, Sinh học và Địa lí... - Các ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy và học: + Sử dụng máy tính, máy chiếu để hỗ trợ cho giáo viên trong quá trình giảng bài, học sinh báo cáo sản phẩm là bài trình chiếu đa phương tiện của 3 nhóm về ứng dụng của hiện tượng điện phân, đặt hiệu ứng mô tả chuyển động của các ion dưới tác dụng của điện trường. + Truy cập internet để tìm kiếm thông tin về công nghệ mạ điện, đúc điện, luyện kim, điều chế hóa chất bằng phương pháp điện phân phục vụ cho bài học... 5.2. Học liệu: ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG. I. Xử lý nước thải. I.1. Định nghĩa. Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước, làm sạch nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa vào tái sử dụng. 6 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT I.2. Phân loại. Nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh. Theo cách phân loại này, có các loại nước thải sau đây: - Nước thải sinh hoạt: là nước thải ra từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. Hình 2. Nước thải từ khu dân cư- xả trực tiếp xuống kênh Nhiêu Lộc- Thị Nghè (TP Hồ Chí Minh). - Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. Hình 3. Sông Thị Vải bị ô nhiễm bởi nước thải chưa qua xử lý từ công ty Vedan. 7 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Hình 4. Sông Trà Khúc bị ô nhiễm bởi nước thải chưa qua xử lý từ công ty Đường Quãng Ngãi - Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga hay hố người. - Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên. Ở những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát riêng. Hình 5. Nước mưa gây ngập úng ở các đô thị. - Nước thải đô thị: nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên. 8 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT I.3. Vai trò của việc xử lý nước thải. Nền văn minh của nhân loại càng phát triển, các đô thị mọc lên và được mở rộng một cách nhanh chóng. Vì vậy, nước thải sinh hoạt và chất thải công nghiệp từ các khu công nghiệp, thành phố gây ra sự ô nhiễm nặng nề đối với môi trường nước và ngày càng trở thành vấn đề cấp bách mang tính chất xã hội và chính trị của cộng đồng. Bản thân nước thải chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó có rất nhiều các virut, vi khuẩn gây bệnh như tả, lị, thương hàn,… chất độc gây chết nhiều sinh vật, nếu đi vào cơ thể con người, sẽ tích tụ lại trong cơ thể và gây bệnh. Nhiều công ty, xí nghiệp không xử lý nước thải gây ảnh hưởng xấu đến môi trường đã phải chịu sự trừng phạt của pháp luật. Vì vậy, xử lý nước thải sẽ góp phần phát triển kinh tế, tiết kiệm nguồn nước sạch mà hơn hết nó góp phần bảo vệ sức khỏe cho con người, giữ cho môi trường thêm sạch đẹp. Hình 6. Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Các phương pháp xử lý nước thải bao gồm: Cơ học, hóa lý, hóa học và sinh học. I.4. Xử lý nước thải bằng điện phân. Sử dụng các quá trình oxi hóa anot và khử của catot để làm nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải. Phương pháp này có 9 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học nhưng lại tiêu hao điện năng lớn. Phương pháp này có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục. Oxi hóa anot và khử của catot: Xét sơ đồ bể điện phân: Hình 7. Sơ đồ bể điện phân 1. Thân bể 2. Anot 3. Catot 4. Màng. Các quá trình đã được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất xyanua, ancol sunfo xyanua, các amin, andehit, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm azo, sunfit…Trong quá trình oxi hóa, các chất trong nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và H2O tạo thành các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách ra bằng phương pháp khác. Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tính chất điện phân như graphit, macnetit (Fe3O4), PbO2…Catot được làm bằng molipden, hợp kim của vonfram với sắt hay niken; từ than chì, thép không gỉ và các kim loại khác được phủ lớp molipden, vonfram hay hợp chất của chúng. Quá trình được tiến hành trong bể điện phân có hoặc không có màng. I.4.1. Khử độc xyanua. I.4.1.1. Oxi hóa của anot. 10 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Nước thải của các nhà máy chế tạo máy, chế tạo dụng cụ, luyện kim đen và luyện kim màu, công nghiệp hóa chất…ngoài chứa các xyanua đơn giản (KCN, NaCN) còn có các xyanua phức của kẽm, đồng, sắt và các kim loại khác. CNO - + 2H 2 O � NH 4+ + CO 32- Oxi hóa anot của xyanua: Quá trình oxi hóa cũng có thể dẫn đến sự tạo thành nitơ: 2CNO- + 4OH - - 6e � N 2 �+ 2CO 2 �+ 2H 2 O Phương pháp này có hiệu quả xử lý gần 100%. I.4.1.2. Kỹ thuật oxi hóa bằng NaOCl mới sinh. Trong kỹ thuật này, NaOCl mới sinh do quá trình điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn sẽ oxi hóa CN- theo phản ứng: CN - + ClO  � CNO - + Cl2CNO- + 3ClO  + 2H 2O ۭ 2CO 2 + 3Cl - + 2OH  Phương pháp này có ưu điểm là không cần thêm hóa chất từ bên ngoài, nước sau khi xử lý có thể quay lại quá trình sản xuất từ ban đầu. I.4.2. Khử kim loại nặng. Các quá trình khử của catot được ứng dụng để loại các ion kim loại ra khỏi nước thải với sự tạo thành cặn, nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành các hợp chất ít độc hơn hoặc về dạng dễ tách ra khỏi nước như cặn, khí. Quá trình này có thể được sử dụng để làm sạch nước thải ra khỏi các ion kim loại nặng độc hại như Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, As3+ và Cr6+. Quá trình khử của catot đối với ion kim loại xảy ra như sau: Me n+ + ne � Men. Ở đây, các kim loại lắng lên catot và được thu hồi. Ví dụ: Quá trình khử hợp chất crom đã đạt đến mức độ làm sạch cao: nồng độ của chúng từ 1000 tới còn 1g/ml. Năng lượng tiêu tốn cho làm sạch vào khoảng 0,12 kWh/m3. Trong điện phân nước thải chứa H 2Cr2O7, giá trị tối ưu pH 11 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT ; 2. Phản ứng khử xảy ra theo phương trình sau: Cr2O72- + 14H + + 12e � 2Cr + 7 H 2 O Để xử lý nước thải chứa một số kim loại nặng, người ta tiến hành quá trình làm sạch nước thải ra khỏi các ion Hg2+, Pb2+, Cd2+, Cu2+ bằng quá trình khử trên catot được làm từ hỗn hợp C và S. Các ion này lắng trên cực ở dạng sunfua hoặc bisunfua và được tách ra bằng phương pháp cơ học. Cũng có thể sử dụng các phản ứng khử tách chất gây ô nhiễm bằng cách chuyển chúng sang pha khí. Ví dụ: Khử NH4NO3 trên điện cực than chì, quá trình xảy ra như sau: NH4NO3 + 2H+ + 2e � NH4NO2 + H2O NH4NO2 � N2↑+ 2H2O II. Điện phân sản xuất. II.1. Sản xuất các chất vô cơ. II.1.1. Điện phân nóng chảy. - Phương pháp điện phân nóng chảy được dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al,… + Nhôm được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy Al 2O3 nguyên chất ở 2000oC với criolit (criolit, một mặt tăng tính dẫn điện của chất lỏng điện phân, tiết kiệm năng lượng, mặt khác, nó có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổi lên trên và ngăn cản nhôm bị oxi hóa trong không khí). 0 Catot: 2Al3+ + 6e � 2Al 3 2 Anot: 3O 2- � O2  6e dpnc � 4Al + 3O2↑ Hay: Al2O3 ��� criolit 12 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Hình 8. Sơ đồ thùng điện phân Al2O3 nóng chảy. + Các kim loại kiềm được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hidroxit hoặc muối clorua của chúng trong điều kiện không cho sản phẩm tiếp xúc với không khí. Riêng kim loại kiềm thổ, thực tế chỉ điện phân muối clorua. dpnc � 2M +1/2 O2↑ + H2O↑ (M = Na, K,…) 2MOH ��� dpnc � 2M + x Cl2 (x = 1,2) 2MClx ��� Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH. NaOH � Na + + OH- Catot: 2Na + + 2e � 2Na 1 2 Anot: 2OH - � O 2 �+ H 2O + 2e 1 2 Hay: 2NaOH � 2Na + O 2 �+ H 2O Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaCl. NaCl � Na + + Cl- Catot: Na + + 1e � Na 1 2 Anot: Cl- � Cl2 �+ 1e 1 2 dpnc � Na + Cl 2 ↑ Hay: NaCl ��� II.1.2. Điện phân dung dịch. Dùng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu: Fe, Cu, Ag,… và nước trong dung dịch đóng vai trò để các cation và anion di chuyển về các điện cực, đôi khi tham gia vào phản ứng điện cực. Tuy nhiên, thực tế người ta ít dùng điện phân, thay vào đó là nhiệt luyện. - Một lượng lớn xút, khí clo, khí oxi, khí hidro, các hợp chất chứa oxi của clo (hypoclorit, clorat) được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch. + Xút và khí clo được sản xuất từ nguyên liệu vô cùng rẻ là muối ăn. NaCl � Na + + Cl- 13 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Catot: 2H 2O + 2e � H 2 �+ 2OH Anot: 2Cl- � Cl 2 �+ 2e dpdd Hay: 2NaCl + 2H2O ����� Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH co mang ngan Hình 9. Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn. Với điện phân có màng ngăn, hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH là Cl2 và H2. Với điện phân không có màng ngăn, sản phẩm tạo thành là nước Gia- ven có ý nghĩa trong đời sống sinh hoạt và công nghiệp giấy, vải,… Hình 10. Nước Gia- ven. Ưu điểm: - Công nghệ đơn giản. - Sử dụng nguyên liệu và năng lượng toàn diện. - Tạo được sản phẩm có giá trị và độ sạch cao. Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều năng lượng. 14 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT + Bên cạnh phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng được dùng rất phổ biến, oxi và hidro có thể được điều chế bằng cách điện phân nước. Về bản chất, nước nguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn. Do vậy, muốn điện phân nước cần cho vào thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh,… dp 2H2O �� � 2H2↑ + O2↑ + Phương pháp điện phân còn được dùng để điều chế nước oxi già, các hợp chất feroxit, pemanganat, mangan đioxit,… Hình 11. Nước oxi già. Điện phân dung dịch H2SO4 50% hoặc dung dịch (NH4)2SO4 trong H2SO4 với mặt của dòng điện lớn và điện cực platin ở nhiệt độ 5- 10oC. Tuy cơ chế chi tiết của quá trình điện phân vẫn chưa biết rõ hoàn toàn, nhưng cơ chế chung như sau: 2HSO-4  S2O82- + 2H + + 2e 2SO 2-4  S2 O82- + 2e Axit peoxitdi sufuric (H2S2O8) được tạo nên khi điện phân sẽ kết hợp với H 2S2 O8 + 2H 2 O  2H 2SO 4 + H 2O 2 nước tạo thành H2O2: Chưng cất hỗn hợp thu được ở áp suất thấp sẽ thu được dung dịch H 2O2 loãng. Nhược điểm: nguyên liệu đắt và tốn nhiều điện năng. II.2. Tổng hợp các chất hữu cơ. Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện phân là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã có rất nhiều công trình công bố. Ưu điểm: - Tiết kiệm hóa chất, dễ điều khiển, phản ứng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường. 15 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT - Sản phẩm tạo ra có độ tinh khiết cao, độ chọn lọc cao, do đó giá thành rẻ, hiệu quả kinh tế cao. II.2.1. Điện phân theo phương pháp Kolbe. Điện phân Kolbe hay phản ứng Kolbe là một phương pháp tổng hợp chất hữu cơđầu tiên bằng phương pháp điện phân và được đặt tên theo Adolph Wilhelm Hermann Kolbe. Hình 12. Adolph Wilhelm Hermann Kolbe ( 1818- 1884.) Phân li trong dung dịch: RCOONa → RCOO- + Na+ Phản ứng điện cực: II.2.2. Các hợp chất hữu cơ khác. Ngày nay, người ta đã tiến hành tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện phân, trên catot khử các hợp chất có liên kết đôi hoặc liên kết ba để tạo ra các hợp chất có polime hoặc là no hóa các hidrocacbua không no; khử hóa các hợp chất nitro…Trên anot tiến hành các phản ứng oxi hóa, phản ứng thế, phản ứng kết hợp. Phản ứng flo hóa: C2H6 + 12 F → C2F6 + 6HF + 12e 16 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Tuy nhiên cho đến nay, phương pháp điện phân dùng để tổng hợp chất hữu cơ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi. III. Tinh luyện kim loại bằng điện phân. Tinh luyện một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au… Nguyên tắc: Dùng ngay kim loại cần tinh chế làm anot. Khi điện phân, kim loại anot bị hòa tan chuyển vào dung dịch và kết tủa lại trên catot dưới dạng tinh khiết (tạp chất hoặc chất không tan chuyển thành bùn anot, hoặc tan chuyển vào dung dịch nhưng không kết tủa ở catot). Luyện kẽm thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO 4. Sản phẩm Zn thu được có thể đạt 99,99%. Do quá thế (*) của H 2 trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường axit với hiệu suất rất cao. Tuy nhiên, ở một số vị trí, quá thế (*) hidro thấp, nên sự có mặt các tạp chất, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn như: Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng mà còn ngăn không cho Zn kết tủa. Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn là để tạo ra dung dịch kẽm sunfat không có tạp chất, tránh ảnh hưởng không tốt đến phản ứng catot. Đồng được sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất. Tạp chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu. Phương pháp điện phân tinh luyện sẽ cải thiện tính chất điện của Cu. Lý do thứ hai của điện phân tinh luyện là tách các kim loại quý như Au, Ag, Pt, Pd. Các kim loại tạp chất có mặt ở anot đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe2+ và Zn2+ trong dung dịch song chúng không bị khử ở catot tại thế khử đồng. Các kim loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anot và đọng lại ở đáy bình điện phân khi anot đồng bị hòa tan. Bằng cách này đồng đạt độ tinh khiết là 99,5%. IV. Tách và phân tích các chất trong hỗn hợp. Phương pháp điện phân là một trong các phương pháp được dùng trong phân tích và có tầm quan trọng nhất định. Bởi phương pháp điện phân cho kết 17 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT quả chính xác, thời gian phân tích không kéo dài và có khả năng khống chế cho phép tách đơn giản nhiều ion cùng có mặt. IV.1. Phương pháp phân tích điện khối lượng. Trong phân tích điện khối lượng, người ta tiến hành điện phân dung dịch phân tích trong các điều kiện thích hợp để toàn bộ ion chất cần phân tích bị điện phân kết tủa định lượng lên bề mặt điện cực làm việc. Trước khi điện phân, ta cân điện cực làm việc. Sau khi điện phân, đem rửa, sấy và cân lại điện cực có kết tủa bám vào. Dựa vào khối lượng kết tủa sẽ tính hàm lượng chất cần phân tích. Phương pháp điện khối lượng thường được sử dụng để định lượng các ion kim loại có hoạt tính điện hóa và trong một số trường hợp cần dùng để xác định một số anion có khả năng kết tủa điện hóa trên bề mặt điện cực làm việc. Điện cực làm việc thường có dạng hình trụ lưới bằng platin đôi khi bằng bạc. Cực phụ trở thường là một dây thường là một dây Pt dạng lò xo hoặc dạng thanh có kích thước nhỏ. IV.2. Tách bằng phương pháp điện phân. Catot thủy ngân là điện cực làm việc có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi trong phân tích điện hóa. Ưu điểm: có thể tạo hỗn hống với nhiều kim loại nên việc điện phân các ion kim loại đó dùng catot thủy ngân rất dễ dàng; điện cực Hg dễ được làm sạch, dễ chuẩn bị, có bề mặt rất đồng nhất nên các phép đo với các loại điện cực này có độ lặp rất cao; hóa thế hidro trên điện cực rất lớn, nên khoảng thế để điện phân các ion kim loại và nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ là rất rộng. Tách trong trường hợp này là tách kim loại đã được hòa tan trong thủy ngân tạo thành hỗn hống mà không chuyển vào dung dịch nữa. Sau đó cho thủy ngân bay hơi sẽ thu được các kim loại, nhất là kim loại quý tinh khiết như vàng, bạc… 18 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT Hình 13. Sơ đồ thiết bị bình điện phân dùng catot đáy thủy ngân 1. Bình điện phân 2. Catot Hg 3. Cực calomen 4. Anot Pt 5. Đầu tiếp xúc 6. Máy khuấy 7. Ống dẫn khí 8. Nắp đậy. Ví dụ: Tách Cd khỏi Zn. Giả sử có dung dịch chứa lượng vết Zn 2+ bên cạnh lượng Cd2+. Để tách, người ta dùng nền axit sunfuric loãng. Thêm vào 200ml dung dịch phân tích 45g hidrazin sunfat (để loại oxi hòa tan trong dung dịch). Tiến hành điện phân với điện cực AgCl là điện cực so sánh để kết tủa thực tế hoàn toàn Cd vào Hg. Để xác định lượng vết Cd đó, sau khi kết thúc điện phân, ta rửa sạch catot bằng nước cất rồi khuấy lớp thủy ngân đó với dung dịch Hg 2+ loãng, toàn bộ Cd hòa tan trong Hg sẽ chuyển vào trong dung dịch theo phản ứng: Cd + Hg2+→ Cd2+ + Hg Sau đó xác định lượng Cd2+ trong dung dịch trên bằng phương pháp cực phổ. Ví dụ: Tách Cu2+; Pb2+; Bi3+. Trong nền tactrat 0,5M với pH= 4.5 hoặc 5 có mặt gielatin với nồng độ 0,005% các ion Cu2+; Pb2+; Bi3+ có thế nửa sóng tách nhau đủ lớn. Cu 2+ -0.09V; Bi3+ -0.23V; Pb2+ -0.48V; Cd2+ -0.64V (so với calomen bão hòa). Do đó để tách Cu2+ ra khỏi Bi3+ ta tiến hành điện phân dung dịch mẫu trong nền tactrat pH= 4.5 ở thế -0.16V, toàn bộ Cu sẽ được kết tủa vào catot Hg, Bi3+ còn lại trong dung dịch sau 19 TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT đó được xác định bằng phương pháp cực phổ. Để tách Bi3+ ra khỏi Pb2+ ta điện phân ở thế -0,4V để kết tủa hết Bi. Để tách Pb 2+ ra khỏi Cd2+ ta điện phân ở thế -0.56V tách hoàn toàn Pb. IV.3. Phương pháp chuẩn độ điện lượng. Đây không phải là phương pháp chuẩn độ thường dùng buret để đựng dung dịch chuẩn. Tuy vậy, trong phương pháp này người ta vẫn thường sử dụng phản ứng hóa học để xác định các chất, trong đó ta dùng phương pháp điện phân để điều chế thuốc thử R, thuốc thử này phản ứng hóa học với chất cần phân tích X theo phản ứng hóa học: R+ X → RX Biết được điện lượng điều chế thuốc thử R, ta tính được hàm lượng của X với điều kiện các phản ứng xảy ra định lượng. Trong phương pháp này, người ta thường sử dụng phương pháp điện phân khi cường độ dòng không đổi để việc xác định điện lượng được đơn giản và dễ dàng. Vấn đề quan trọng là chọn thuốc thử sao cho hiệu suất điện phân là 100% đối với việc điều chế thuốc thử R và xác định thời điểm phản ứng giữa thuốc thử R và chất cần phân tích X vừa kết thúc. V. Đúc điện. V.1. Tác dụng. Đúc điện (kết tủa điện phân kim loại): để chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng (khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử…) V.2. Đặc điểm. Trước tiên, ta làm khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn, rồi quét lên đó một lớp than chì (graphit) mỏng để cho bề mặt khuôn trở nên dẫn điện. Khuôn này được dùng làm cực âm, còn cực dương được làm bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó. 20