Khóa luận tốt nghiệp Hóa học: Đề xuất giảng dạy bài điện phân trong chương trình hóa học phổ thông

Qua nhiều năm giảng dạy môn hóa theo chương trình cải cách giáo dục, các giáo viên hóa học đều cho rằng cần phải đổi mới một số nội dung kiến thức truyén đạt cho học sinh, Một gợi ý cho

Tén dé tai:

Dh XUAT GIANG DAY BAI DIEN

PHAN TRONG CHUONG TRINH

4 Giảng viên hướng dẫn : Thạc si NGUYEN VAN NGAN

4 Sinh vién thuc hién : Nauyén Thi <=

§ Niên khỏa 1997-2001 là

T mẽ nartữmn,., ưng

Luận văn tốt nghiệp _ trang 3

“Không một tiến bộ thành dat của mội quốc gia nào mà lại có thế

tách rời khỏi sự tiến bộ thành dat trong giáo dục".

gầy nay giáo dục đã trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp,

đảm nhận vai trò cung cấp những con người có đủ trình đô cho công cuộc công nghiệp héa-hién đại hóa đất nước Do đó xã hội đòi hỏi ở

giáo dục phải không ngừng nâng cao chất lượng đào tạo,phải đào tạo ra

những con người có một trình độ kiến thức cơ bản vững chắc để có thể làm

một công dân có ích Tuy vay,tri thức của nhân loại đã trở nên phong phú vàcòn được bổ sung không ngừng nên đã đặt ra cho ngành giáo dục nhiệm vụ

là phải làm sao vừa day cái cơ ban, vừa day cái hiện đại và để người học có

thể “hoc suốt đời”,

H* học là môt nghành khoa hoc không thể thiếu đối với một

nước và nó phải được dạy trong nhà trường phổ thông Nhưng

các thấy cô giáo có kinh nghiệm nhận xét rằng, học sinh rất sợ môn hóa,

một học sinh có thể giỏi toán nhưng chưa chắc đã giỏi hóa Hẳn rằng chúng

ta không ai muốn học sinh của mình phải sợ học cả Qua nhiều năm giảng dạy môn hóa theo chương trình cải cách giáo dục, các giáo viên hóa học đều

cho rằng cần phải đổi mới một số nội dung kiến thức truyén đạt cho học

sinh, Một gợi ý cho việc thực hiện để tài này là để xuất giang dạy bài điện

phân trong chương trình hóa học phổ thông nhằm có một tiếng nói chínhthức cho một nét đổi mới của chương trình hóa học trong nhà trường Do đó

trong để tài này, chúng tôi xem xét lại tòan bộ các kiến thức liên quan đến

điện phân mà học sinh được học từ lớp Tám đến lớp Mười hai (về cả vật lý

và hóa học); nghiên cứu những yêu cẩu cần thiết của kiến thức hóa hoc

được dạy trong trường phổ thông: nghiên cứu bản chất của sự điện phân từ

đó để xuất nội dung sẽ đạy và dạy ở vị trí nào là thích hợp nhất Điều màchúng tôi muốn nhấn mạnh là cần có một bài học chính thức về hiện tượngđiện phân, khác với hiện nay là nó được dạy ghép với nhiều bai học khác

nhau.

=

m xin tran trong gửi tới thay Nguyễn Van Ngân lời cám ơn chân

thành nhất Thấy đã dạy em những phẩm chất của người làmkhoa hoc.hướng dẫn em những bước đi đầu tiên giúp em hòan thành luận

văn này.

Fs gửi lời cám Gn tới

s* Phó tiến sỹ Nguyễn Khương - giảng viên đại hoc sư phạm đã day em J

những kiến thức điện hóa cơ bản và góp ý cho luận văn của cm.

@ Thac sỹ Trinh Văn Biểu - giảng viên đại học sư pham đã dạy em

những kiến thức qúy báu về phương pháp dạy học và cách tiến hành một

luận văn,

“ Thay Nguyễn Trọng Hòa - giáo viên trường trung học phổ thông

Nguyễn Thượng Hiển đã khuyến khích em hoàn thành luận văn này

Ti cũng gửi tới những người bạn lời cám ơn đã đông viên lôi trong

lúc tôi gặp khó khăn nhất.

lật cùng con xin cám ơn Bố Mẹ rất nhiều.Bố Mẹ là nguồn động

viên vô tận cho con trong học tập và lao động.

Nguyễn Thị Thanh Mai

Luận văn tốt nghiệp ; trang 5

4 Tinh đạc thi của mên hóa học

Chương II - Cơ sở lý thuyết điện

phân

1 Dung dich chất viện phán

2 Sif phán ove

3 Thẻ phan hú v

Qúa ! rink calod và gus trinh and

Dit dodn phiin ứng xắy ra trên điện cite

Of phony fién dons thet của cáo cation kim low

x ~ =

7 Dinh luật Fara.lav

S Une duns tủa điền phan

I — Nội dung điện phân trong sách

giáo khoa hiện nay

Il — Sự cần thiết phải có bài điện

phân cho học sinh phổ thông

Chương II — Sự dam bảo về lý

luận dạy học

I— Sự dam bảo về mặt lý luận dạy

học

I] — Vị trí bài điện phân trong hệ

thống kiến thức của học sinh phổ thông

Luận văn tốt nghiệp — _ trang 7

Chương III — Dự kiến nội dung bai

học

I - Nội dung lý thuyết

Khái niệm

Day thé điện hóa

[Điện phân nóng chảy Dién phân nước

[Điện phân dung dich

Œœ 1" œ= Q2 t3 — Dinh luật Faraclay

7 Ứng dụng

8 Tóm Lal bai học

H - Nội dung bài tập

Ill - Nội dung thí nghiệm

Luận văn tết nghiệp - trang 8

H7 661,1.) 11, 1/11 `

Luận vân tốt nghiệp trang 9

Chương một

Cơ sở lí luận day hoc hoa học

I - Mối liên hệ của hóa học với các môn

học khác

Học sinh trường phổ thông thường nghiên cứu đồng thời hơn một chục

môn học khác nhau, do những giáo viên khác nhau phụ trách, Các giáo viên

phần lớn chỉ biết nội dung của môn học mà mình dạy, nhiều khi không tìmhiểu sâu thêm xem học sinh thu nhận được những kiến thức gì về tự nhiên,

xã hội và về tư duy của con người Học sinh nghiên cứu trong các bài hóa

học nhiễu đối tượng và qúa trình mà một số môn học khác cũng nói đến,như vật lý, sinh học và địa lý Nhưng giáo viên hóa không biết rõ điều đó,hoặc lặp lại, hoặc bổ sung thêm những điều các em đã biết Một điều rõ rệt

là những hiểu biết vé cùng một loại hiện tượng tự nhiên, nhưng do nhiều

môn học truyền thụ đã không có liên hệ chật chẽ gì với nhau trong qúa trình

dạy hoc, vì thế mà những hiểu biết về tự nhiên của học sinh bị tin mạn, rời

rạc, không toàn diện.

Lý luận đạy học đã phát hiện ra hiện tượng thiếu mối liên hệ giữa các

môn, và đã để ra yêu cầu phải đảm bảo cho được mối liên hệ giữa các môn,

hay còn gọi là mối liên hệ liên môn, coi đó như điểu kiện sư phạm để nâng

cao chất lượng đào tạo cả về mặt trí dục lẫn đức dục

Thế nào là mối liên hệ liền môn của hóa học với các môn học khác ?

đó là sự phản ánh mối liên hệ tác động qua lại của hóa học với các khoa

học tự nhiên khác vào trong nội dung và phương pháp giảng dạy hóa học,

nhằm bảo đắm hình thành những hiểu biết nhất quán và toàn diện vể tự

nhiên, đồng thời hình thành cả thế giới quan duy vật biện chứng nhất quán

cho học sinh.

Nhận thức của chúng ta về tự nhiên là một quá trình thống nhất, tronp

đó tất cả các khoa học về tự nhiên có tác động qua lại lẫn nhau Sự tác động

Luận văn tốt nghiệp trang 10

qua lại giữa các khoa học tự nhiên là qui luật phát triển của chúng Sư tương

tác này thể hiện càng rõ nét thì trình độ phát triển của các khoa học đó càng

càng cao, Chẳng hạn, ta thấy rất rd sư tương tác của hóa học với vật lý học

không những giúp cho hai khoa học này phát triển mạnh mẽ, mà còn là cơ

sở cho sự phát triển của nhiều ngành khoa học tự nhiên khác Các môn học

về khoa học tự nhiên ở trường phổ thông như hóa học vật lý học, sinh học

truyền thu cho học sinh những cơ sở của các khoa học này Như vay khi

giảng dạy các môn này, nôi dung và phương pháp dạy học các môn đó cũng

nhất thiết phải phan ánh những mối liên hệ qua lại giữa các khoa học tương ứng, tức là phải đảm bảo những mối liên hệ liên môn của các khoa học đó.

Trong các mối liên hệ liên môn của hóa học với các khoa học khác,giữ vai trò quan trọng là những mối liên hệ liên môn giữa hóa học với vật lý

học,

Chẳng hạn.chương trình hóa học và vật lý đều nghiên cứu những khái

niệm về phân tử, nguyên tử và các thuyết cấu tạo chất (thuyết động họcphân tử, thuyết cấu tạo nguyên tử, thuyết ion thuyết điện tử ) Vật lý họccoi phân tử như một phần tử có động năng và chuyển động của nó tuân theo

các định luật chuyển động của chất khí Chương trình vật lý không nghiêncứu thành phần và hóa tính của phân tử Trong giáo trình hóa học, phân tử

là đại điện của chất có thành phần và tính chất nhất định Ngay ở lớp dưới

khái niệm phân tử hấu như được hình thành cùng một lúc ở cả hai môn vật

lý và hóa hoc, Vật lý hình thành thuyết động học phân tử để đi vào nghiên

cứu các hiện tượng nhiệt học Còn hòa học xây dựng thuyết nguyên tử —

phân tử để đi sâu vào sự phân loại các chất Người giáo viên hóa học cần nắm được tình hình này để một mặt tận dụng những kiến thức có liên quan

do môn vật lý hình thành vào việc dạy hóa học, mặt khác có ý thức hỗ trợ

cho môn vật lý.

Khi trình bày thuyết cấu tạo nguyên tử (lớp Mười) giáo viên hóa học

cần biết rằng học sinh đã có những hiểu biết rất sơ đẳng về điện tử và hạt

nhân nguyên tử ngay từ lớp Chín khi bất đầu chương trình điện học (vật lý

lớp Chín) Thuyết điện ly giảng dạy ở môn hóa học lớp Mười một phải là cơ

sở lý thuyết để hiểu các định luật Faraday ở chương trình vật lý lớp Mười

một Những kiến thức về cấu tạo nguyên tử giảng day ở môn hóa lớp Mười

sé được nghiên cứu sâu và mở rong thêm trong phan vật lý nguyên tử và hạt

nhân (lớp Mười hai).

Luận văn tốt nghiệp trang 11

7/1 I lt SN a con mm “mm

Hóa học không chỉ liên hệ qua lai với vật lý Can thực hiện mối liên

hệ liên môn của nó với toán sinh học và địa lý nữa.

Có thể thực hiện những mối liên hệ liên môn của hóa học với nhiều

biên phán sư pham khác nhau Chẳng hạn, khi giảng dạy mot vấn dé hóa

học nào đó, giáo viên trình bày tài liệu có chú ý khai thác những kiến thức

đã có của học sinh về những môn khác: nêu ra những câu hỏi buộc học sinh phải vận dụng cả những kiến thức thuộc các môn lân cân (toán, lý, sinh học, địa lý) để trả lời: giải bài tập có nội dung thực hành đòi hỏi kỹ nàng ứng

dụng những công tác thí nghiệm và thực hành, tổ chức những cuộc tham

quan có tính chất phức hợp; trong công tác tự lập của học sinh, tập cho các

em sử dụng những tài liệu giáo khoa sổ tra cứu, sách tham khảo thuộc về

môi số môn khác v.v

Luận văn tết nghiệp trang 12

II - Yêu cầu của một bài giảng hóa hoc

Như trên đã nói việc xây dựng mot bài học về điện phân cho học sinh

phổ thông là cần thiết Do đó phải đắm bảo những vấn dé sau:

1) Tính cơ bản: thể hiện ð hệ thống kiến thức và ki năng sau đây:

*Về kiến thức :

Những kiến thức giúp học sinh hiểu được tinh chất bản chất nhất của

chất sự biến đổi từ chất này sang chất khác thco đúng qui luật khách quan

của nó Trong chương trình hóa học phổ thông những kiến thức cơ ban nhất

là những kiến thức về cấu tạo chất, lí thuyết vé các phản ứng hóa học và

các định luật hóa học.

Những kiến thức về các sự kiện hóa học cụ thể cần thiết cho học sinh

hước vào đời sau khi học hết bậc trung học phổ thông đó là những mảng

kiến thức về hóa học kim loại, hóa phi kim, hóa hữu cơ,

*Vé kĩ năng :

Ki năng thao tac thực hành một số thí nghiệm đơn giản như:

Sử dụng dụng cụ thí nghiệm, quan sát thí nghiệm, giải thích hiện

tượng, tìm các pản ứng hóa học để minh họa một nhận xét, nhận biết và

tách các chất, pha chế dung dịch theo nồng độ phần tram, néng độ mol

Kĩ năng tư duy hóa học như so sánh, phân tích, tổng hợp, để giải thích

một số hiện tượng trong chương trình hóa học hoặc hiện tượng trong đời

sống.

Kĩ năng giải bài tập, bài toán hóa học

2) Tính lidện đại :

*Vé nội dung : Những khái niệm, lí thuyết, định luật hóa học

phải tiên tiến nhưng mức độ phù hợp với trình độ tiếp nhận của học sinh.

Các qúa trình sản xuất hóa học phải được tìm hiểu ở mức độ hiện đại, những thành tựu về sản xuất hóa học phải là số liệu mới nhất.

Luận văn tốt nghiệp trang 13

75.1, 1.171|)| 111.11 cò ss 5ăăaằ.«san

3) Tính thực tiễn :

Lua chon một cách hợp lí những kiến thức cần đưa vào chương trình

để phù hợp với trình độ phát triển chung của khoa học và kĩ thuật trên thế

tới hiện nay.

Có chú ý tới hoàn cảnh địa lí tự nhiên những vùng kinh tế của nước

ta như cau kế hoạch kinh tế của mỗi vùng.

Có chú ý tới tình hình cơ sở vật chất thiết bị trường hoc điều kiện làm

việc của giáo viên, hoàn cảnh hoe tập của hoc sinh.

4) Tính đặc thù của môn hóa hoc:

Thi nghiệm hóa học là tối cần thiết cho việc học hóa học

Coi trọng việc rèn luyện kĩ nàng thực hành hóa học cho học sinh.

Coi trong việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp và hướng nghiệp cho học sinh

Luận văn tốt nghiệp trang 14

Chương II

Cơ sở lí thuyết điện phan

1 - Dung dịch chất điện phân (dung dịch

điện li)

Theo thuyết Arrhenius, sự điện lí là qúa trình phân li thuận nghịch của

các chất có liên kết ion hoặc liên kết nguyên tử phân cực mạnh thành cation và anion trong dung dịch hoặc muối nóng chảy.

Qúa trình phân li phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, bản chất của chất

điện lí cũng như của dung môi và dude đặc trưng bằng độ phân li a và hằng số

phân li (K,)).

Trong dung dịch nước tổn tai cân bằng

HO <— = H'+OH Ky =10"

Ta gọi pH = - lelH+] = —le on

Tùy vào néng độ H“ mà pH của dung dịch thay đổi, pH trong dung dịch

có ý nghĩa quan trọng vì nó ảnh hưởng đến:

e Độ dẫn điện của dung dich điện li.

Độ hòa tan và bền vững của các chất.

Độ hòa tan và thụ động hóa anod.

Qua trình giải phóng hidro.

Qúa trình kết tinh kim loại và tính chất lớp kim loại được kết tinh

Thủy phân các muối kim loại

Có nhiều loại dung dịch điện li, trong đó có hai loại chính : dung dịch

nước và dung dịch muối nóng chảy.

Dung dịch nước thường dùng trong điện phân sản xuất kẽm, tỉnh luyện

đồng niken, chì điện phân trong dung dịch muối nóng chảy thường dùng để

sản xuất nhôm magic kim loại khó chảy, kim loại đất hiếm.

Ngoài dung dịch nước và dung dịch nóng chảy còn có dung dịch hữu cơ,

dung dịch rắn Các dung dịch này còn ít dùng.

= l4 - pOH

Luận văn tốt nghiệp trang 15

2 - Sự phân cực

Gia sử có hai điện cực giống nhau cùng nhúng trong dung dịch chất điện

phân, lúc đầu điện cực sẽ nằm cân bằng với ion trong dung dịch, cả hai điện

cực đều có thế điện cực cân bằng như nhau Nối hai điện cực với một nguồn

điện bên ngoài thì điện thế điện cực sé lệch khỏi giá trị cân bằng Điện thế của

điện cực nối với cực âm của nguồn điện sẽ có giá trị âm hơn, còn diện cực nối

với cực đương của nguồn sẽ có giá trị dương hơn Hiện tượng đó gọi là sự phân

cực và biểu diễn bằng công thức sau :

SP = ợø, - Ø,,

trong đó ø,,ø, là điện thế điện cực khi có dòng điện đi qua mạch điện

hóa và khi cân bằng,

Ø mội dòng đã chọn, phân cực còn gọi là qúa thế.

3 - Thế phân húu

Khi điện phân dung dịch H2SO4 KOH với điện cực Pt thì hydro thoát ra ở

catod, oxi thoát ra ở anod.

OG anod :6,O- 4e ->4H,0' +0,

Ở catod :4//,0' + 4e > 4H,0+2H,

Phản ứng tổng cộng :

2 H,O SSa= 2 H› + O;

Vậy kết qủa cuối cùng của sự điện phân dung dịch HạSO.trong nước

này chỉ là điện phân nước lon SO,” chỉ đóng vai trò mang điện tích âm qua

dung dịch điện ly, còn nhiệm vụ cung cấp điện tử cho điện cực là do nước

đảm nhiệm.

Đáng lưu ý là, khí hydro và oxi chỉ thoát ra ở một điện thế xác định.

Điện thế đó được gọi là điện thế phân hủy Eạ, Khi tăng điện thế bên ngoài

áp vào hê điện phân thì lúc đầu E còn nhỏ chưa thấy hidro và oxi thoát ra.

Tăng dan E đến gia trị 1,7 V thì mới thấy hydro và oxi thoát ra ở các điện

cực và cường độ dòng điện tăng thco (hình vẽ) Giao điểm Eạ, biểu diễn thế

phân hủy của dung dịch H:SO; IN trong nước với điện cực Pt trơn.

“

Luận van tốt nghiệp trang 16

Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào điện thế điện phân

Có thể phát biểu một cách tổng quát: Sự khác biệt nhỏ nhất của các

điện thế cẩn tạo ra giữa các điện cực để sự điện phân bắt đầu xảy ra được

gọi là điện thế phân hủy của chất điện ly Nó chính là tổng điện thế phóng

điện của các ion trên các điện cực.

Khi không có qúa thế, điện thế phân hủy bằng tổng điện thế cân bằng

của điện cực tạo ra do các sản phẩm hình thành trên điện cực

Nếu khi điện phân trên các điện cực các chất rắnhay dung dịch lỏng

được tạo ra và đặc biệt là khi tạo thành các loại khí, thì điện thế phân hủy

phụ thuộc vào các dạng kích thước của các điện cực, các điệu kiện tách khí

và nhiều đặc trưng khác Cho nên đại lượng điện thế phân hủy không có thể

là như nhau đối với một chất đện ly trong các diéu kiện khác nhau.

4- Qúa trình catod và qúa trình anod

Qúa trình catod là qua trình khử điện hóa trong dó các phần tử phản

ứng nhận c từ điện cực Ví dụ :

Cu + 2£ > Cu

Qúa trình anod là qúa trình oxi hóa điện héa.trong đó các phan tử

phản ứng nhường c cho điện cực Ví dụ :

Luận văn tốt nghiệp trang 17

Catod tốt là điện cực trên đó xảy ra qua trình khử.

Anod là điện cực trên đó xúy ra qúa trình oxi hoa,

Như vậy trong nguồn điện thì catod là cực dương,anod là cực âm Còn

trong các bình điện phân thì ngược lại.

Ta có phân cực catod nếu thế điện cực dịch chuyển về phía âm hơn so

với điện thế cân bằng: phân cực anod khi thế cân bằng lệch về phía dương

hơn khi có dòng điện chạy qua mạch điện hóa.

Trong trường hợp điện phân thì phân cực sẽ làm cho thế điện cực tách

xa nhau ra, vì vậy điện thế áp từ ngoài vào phải lớn hơn hiệu xố điện thế

(py - ø, ) thì qua trình điện phân mới xáy ra.

5 - Dự đoán phản ứng xảy ra trên điện

cuc

Nếu trong dung dịch có nhéu chat oxi hóa khử cùng có mat thi về

nguyên tắc tất cả những chất có khả năng bị oxi hóa đều có thể phan ứng

trên anod,tất cả những chất có khả nang bị khử đều có thể phản ứng trên

catod Điện tích không có tác dụng gì vì cả anion, cation hay phân tử trung

hòa đều có thể phản ứng trên catod hay anod Trong số những chất có khảnăng oxi hóa trên anod thì chất nào có thế oxi hóa ~ khử nhỏ nhất sẽ bị oxi

hóa trước; trong số những chất có khả năng bị khử trên catod thì những chất

có thế oxi hóa - khử lớn nhất sẽ bị khử trước.

Các chất tham gia phản ứng điện phân có thể là chất tan trong dung

dịch (ion hay phân tử), là kim loại làm điện cực và cũng có thể là dung môi.Dung môi thường là nước có thể đóng vai trò là chất oxi hóa hay khử

Ví dụ :

Ở anod :2H,Ø - 4e + 4H’ +0,

ÁOH - 4e +» 2H,0 +O_ (môi trường kiểm)

Ở catod :2H.0 + 2e + HỆ + 20H

2H' +2e + H (môi trường axit)

Dựa vào những điểm vừa nêu trên có thể tiên đoán được phản ứng

nào thực tế xảy ra ở các điện cực khi điện phân.

Các chất được tạo thành trong qúa trình điện phân có thể sẽ tan vào

dung dịch hoặc có thể thoát ra dưới dạng khí hoặc kết tủa Nếu chất tạo

thành là kim loại thì nó thường phủ lên bể mặt điện cực Nếu một chất

tham gia vào phan ứng điện phân thì nồng độ của nó wong dung dịch giảm

Luận văn tốt nghiệp trang 18

Zc c.c ga g g g 111Ô1Ô1Ô11Ạ nL a -acsaaeaxaa

dẫn,nếu là chất khử bị oxi hóa thí thế sẽ tăng, nếu là chất oxi hóa bi khử

thi thế sẻ giám,Điều này suy ra từ phương trình Nernst :

¬ [Ox]

` + 0.059 Ip

? @ Ê |Kn|

Một số chất bị oxi hóa ở anod có thể hòa tan vào dung dịch và sau đó

lai bị khử ở catod và ngược lại, hoặc các chất sinh ra ở điện cực phản ứng với nhau.Muốn tránh hiện tượng này người ta sử dụng điện phân có màng

ngằn.

Tuy vậy, do có hiện tượng qúa thế mà sản phẩm sinh ra không như dự

đoán, nhất là khi sản phẩm là chất khí.

6 - Sự phóng điện đồng thời của các

cation kim loại

Trong dung dich bao giờ cũng có nhiều ion hoặc phân tử hòa tan.Do

đó khi điện phân có thể có nhiều chất bị phóng điện.

Điều kiện để các cation phóng điện đồng thời là điện thế điện cực

của chúng phải bằng nhau :

Từ phương trình trên ta thấy,khi điện thế điện cực tiêu chuẩn

Ø},øÿcủa các ion cách xa nhau ta có thể xích gắn điện thế điện cực của

chúng lại bằng hai cách

-thay đổi hoạt độ-thay đổi qúa thế

7 - Định luật Faraday

Luận văn tốt nghiệp — trang 19

Khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện ly (hay qua thể nóng chảy của chất điện ly ), khối lượng các chất thoát ra ở anod hay

catod tỷ lệ với diện lượng đi qua dung dịch ( hay qua chất điện ly nóng chảy

) tức tỷ lệ với cường độ dòng điện | và thời gian L:

M=K.1.1t

Trong đó m là khối lượng chất thoát ra trên mỗi điện cực, tính theo

gam (g).

| là cường độ dòng điện tính theo ampe (A)

! là thời gian diện phân tính thco giờ (h)

K là đương lượng điện hóa tính thco g/A.h

Ví dụ : Ta cho dong điện một chiều đi qua dung dịch CuSO 4 trong

tgiờ , làm thoát ra trên catod 1,186 g Cu, nếu cho dòng điện 10 A chạy qua

trong 10 giờ thì lượng Cu thoát ra là 1 18,6 g.

2) Định luật Faraday thứ hai :

Những lượng điện như nhau khi điện phân sẽ làm thoát ra những

lượng tương đương các chất khác nhau.

Để làm thoát ra một đương lượng gam của một chất bất kỳ nào đó cầntiêu tốn một lượng điện 96500 culomb (1 culomb =1 A.s).

Số 96500 culomb được ký hiệu 96500 C 96500 là số Faraday, thường

biểu thị viết tất là IF.

Để minh họa cho định luật Faraday hai, ta lấy ví dụ: cho 1E qua dung

dịch muối AgNO;, NiSO,, AuCl,, NasSnO; mắc nối tiếp

Catod ở các dung dịch trên là tấm bac (Ag), tấm niken (Ni), tấm vàng

(Au), và tấm thiếc (Sn).

Trên catod lin lượt thoát ra 107,9 g Ag; 29,34 g Ni; 65,73 g Au; 29,67

g Sn,

Như vậy lượng mỗi kim loại thoát ra khi cho IF qua các dung dich

trên chính bằng đương lượng gam của các kim loại này.

Khi ta thay anod bằng các tấm thép không gỉ (hay các tấm platin), thì

cho qua các dung dịch trên IF, ở các dung dich |, 2 và 4 có thoát ra oxi trên anod, theo phản ứng điện cực:

Luận văn tốt nghiệp trang 20

Lượng oxi thoát ra đều bằng & gam ở mỗi dung dịch: còn lượng clo

thoát ra ở 3 là 35,5 gam.

Lượng oxi và lượng clo thoát ra ở anod khi cho IF qua dung dịch

đúng bằng đương lượng gam của chúng.

Thường khi điện phân trên catod, ngoài kim loại thoát ra còn có khí

hidro: còn trên anod ngoài sự hòa tan kim loạt còn có oxi thoát ra.

Định luật Faraday vẫn đúng khi chúng ta tính tất cả lương chất chịu

su biến đổi trên catod hoặc trên anod.

Trong thực tế tính toán người ta không dùng culomb, thuận tiện hơn

điện lượng được tính bằng A.h

phan ứng ở điện cực và được ky hiệu là K.

Nếu kí hiệu A là nguyên tử gam của chất phản ứng, số electron hóa

trị trao đổi ở điện cực là n và F là số Faraday tính theo Ah thi:

63.54

Ko we 2576 / Ah

1.26.8

Giá trị đương lượng điện hóa có thé tim trong cuốn “Gido trình Điện

hóa học "(Nguyễn Khương.Trường DHSP,1998).

Nhờ định luật Faraday, ta có thể tính nhiều tham xố cho qúa trình

điên phan, Đó là :

Tính thời gian cần thiết để thu được lớp mạ có độ đầy xác định.

Tinh độ dày lớp mạ sau thời gian điện phân.

giá trị này thường được gọi là đương lượng điện hóa của chất

Si ate}

Luận van tốt nghiệp trang 3l

NaCl AICI, + 3Na —> 4NaCl + Al

Năm 1883 sản lượng nhôm toàn thế giới chỉ dat 2 - 3 tấn nên nó chỉđược dùng làm đổ trang trí Điện hóa đã làm một cuộc cách mang trongphương pháp sản xuất nhôm: Điện phân hỗn hợp Al:O với chất trợ dung

3NaF.AIF3 ở nhiệt độ 950 °C Catod là than chì sẽ diễn ra qua trình khử trên

bể mặt của nó:

Al’? + 3e > AI

Đến nay sản lượng nhôm trên toàn thế giới đã đạt đến hàng chục

triệu tấn.

Phương pháp điện phân dung dịch nóng chảy cũng được dùng để sản

xuất nhiều kim loại khác như Mg, Li, Ca, Ba, Be, Th và bột kim loại khó

nóng chảy như W, Ti, Zr, Ta, Ni.

2) Tách và tỉnh luyện kim loại bằng điện phân:

Ví dụ điện phân dung dịch CuSO, thì đồng kết tủa ở catod.

Cu" + 2e > Cu

Ngày nay thường dùng phương pháp trên để sản xuất Cu, Zn, Ca, Co,

Fc tinh khiết trên 99,95% và Mn(99,5%), Cr (99,8%), Ag, Au (99,9%),

Đại đa số các kim loại được sản xuất bằng phương pháp khử quặng cóchứa nhiều tạp chất Phương pháp có hiệu qủa để tinh luyện kim loại là điệnphân Ví dụ muốn tinh luyện đồng thì anod là đồng thô catod là lá đồng tinh

khiết Khi điện phân thì đồng tan ở anod và tụ lại catod dưới dang tinh khiết, Tạp chất trong đồng thô có thế điện cực dương hơn của đồng sẽ rơi xuống đưới dang bin.

Luận văn tốt nghiệp _ trang 22

` —— T— số a SR AR RR ROE A IO

Các kim loại Pb, Sn Bi, Ni.cũng được tinh luyện theo phương pháp

trề n.

3) Sứ dụng phức chất trong điện phân:

Để điện phân thu được kim loại tỉnh khiết, kim loại kết tủa mịn và

bám đính tốt người ta thường dùng kim loại dưới dang ion phức chat

Ví du mạ kim loại Ag bằng muối AgNO, thì lớp mạ bôt xám không

sơ với ion đơn giản Ag* Đây là điều kiện căn bản để có thể thu được lớp mạ

có chất lượng cao.

Do hằng số không bên của phức thường rất nhỏ, nên khi sử dụng phức

có thể làm thay đổi nhảy vọt thế thoát kim loại Ví dụ dung dịch CuSO, cóacu =l thì thế thoát đồng là +0,34 V, còn dung dịch tetraaminocuprat thì

điện thế thoát đồng là -0,04 V,

Nhờ tạo phức có thể tách được hai kim loại có thế điện cực chuẩn e°rất gần nhau và ngược lại có thể làm thoát đồng thời hai kim loại có thế ọ°rất xa nhau, tức là có thể chế tạo và mạ hợp kim ở nhiệt độ thường, ví dụ

như hợp kim Cu — Zn (đồng thau), Cu - Sn (đồng thanh).

4) Tổng hợp các chất vô cơ và hữu cơ bằng phương pháp điện hóa:

Phản ứng khử (HOOC); được nghiên cứu khá kỹ:

(COOH): + 2H —*-› COOH - CHO + H;O

Phản ứnh khử nitrobenzen bằng điện hóa là một trong những phản

ứng có ý nghĩa quan trọng đối với lý thuyết và thực nghiệm Mặc dù nó đã được nghiên cứu hàng chục năm và số lượng công trình được công hố liên

quan đến vấn để này là rất lớn, nhưng cơ chế của nó cho đến nay vẫn chưa

xác định được một cách chính xác vì sự phức tạp của qúa trình.

Các giai đoạn trung gian chủ yếu như sau:

CUH.NO —=C,H,NO —— ———šC, H,NHOH ——” >C_H NH.

Luận văn tốt nghiệp trang 23

Nhưng do sư khác biệt giữa các giải đoạn điện hóa riêng và số tương

tác hóa hoc của các sản phẩm trung gian với nhau và với chất tham gia phản ứng trên các catod khác nhau và trong các chất điện ly khác nhau các sản

phẩm thu được rất khác nhau (ngoài số kể trẻn còn có azokcyhen/cn,

o/obenzen, hydrazobenzen, benzidin và n - aminophenol).

Sự oxi hóa bằng điện hóa có thể xảy ra hoặc là nhờ chất oxi hóa trung

gian, như oxi hấp phụ các hợp chất của oxi = kim loại va hydroxy! tư do đã

thu được trong qúa trình phóng điện của các ion OH, hoặc là bằng con

đường tách điện tử khỏi phân tử bị oxi hóa Như đã biết cơ chế sự điện hóa

— oxy hóa ion sulfat thành ion persulfat là:

Nhiệm vụ chủ yếu của lớp mạ này là bảo vệ kim loại nên khỏi bị ăn

mòn trong môi trường sử dụng.

Lớp mạ bảo vệ không chỉ cách ly kim loại nến khỏi bị tác dụng va

chạm của môi trường xung quanh mà còn có tác dụng bảo vệ điện hóa kim

loại nền Căn cứ vào cơ chế ăn mòn điện hóa mà người ta chia lớp mạ bảo

vệ thành lớp mạ catod và lớp mạ anod:

- Lớp ma anod là lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế âm hơn

điện thế kim loại nền trong môi trường ăn mòn

Lớp mạ anod phổ biến trong thực tế: lớp mạ kém,cadimi, thiếc trên

thép.

Trong nước tự nhiên, lớp mạ kẽm hay cadimi sẽ đóng vai trò anod so

với thép trong các pin ăn mòn.

- Lớp mạ catod là lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương hơn

điện thế kim loại nền trong môi trường ăn mòn Lớp mạ đồng thau, niken, crom, bạc, vàng trên lá thép là những lớp mạ catod Lớp mạ catod bảo vệ

có hiệu qủa kim loại nền nếu là lớp mạ liên tục, không bong, tróc, nứt nẻ

hoặc có lỗ xốp

Luận văn tốt nghiệp trang 24

Lớp mạ có màu sắc đẹp, bóng sáng, hấp dẫn thị hiếu va giữ được vẻđẹp trong một thời gian dài cho các chỉ tiết

Ta không thể dùng lớp ma kẽm cadimi, thiếc để làm lớp ma trang trí

vì bể mat hong sáng ban đầu của chúng sẽ bị biến đổi nhanh chóng Nói

chung lớp ma anod không bao giờ được sử dụng làm lớp mạ trang trí Chỉ

một số lớp ma catod mới được dùng làm lớp ma trang trí.

Độ bóng lớp mạ có thể được tạo ra nhờ kỹ thuật đánh bóng cơ khí

hóa học hoặc điện hóa.

c)Lớp mạ trang trí, bảo vé:

Lop ma vừa có tính bảo vệ hiệu qủa kim loại nền vừa có tính trang trí cao

Chỉ có lớp mạ catod mới thỏa man được các đặc tính của lớp mạ trang trí bảo

vệ Các lớp mạ sau đây thường đóng vai trò lớp mạ trang trí bảo vệ:

Lớp mạ làm phục hồi các chỉ tiết, các trục bị mài mòn

Lép mạ làm tăng độ cứng, độ bóng gương (gương đèn pha).

Ma đồng, mạ bạc, vàng tạo các mach in một hay nhiều lớp.

Trong công nghiệp bán dẫn (transito, diot ) người ta dùng lớp mạ vàng để

mạ các tiếp điện, các linh kiện điện tử

Tạo lớp mạ crom vi rãnh trong pittong, xylanh để thấm dâu, chống ma sát

6) Biến tính bề mặt kim loại bằng phương pháp điện giải:

Anod hóa nhôm:

Nội dung: nếu ta nhúng một chỉ tiết bằng nhôm (AI) được đánh sạch,

và bóng vào dung dịch chất điện phân có thành phần thích hợp (ví dụ dung

dịch acid sulfuric 15%),nối chỉ tiết với cực dương nguồn điện một chiều, còn

cực âm là một tấm chi (Pb) cùng nhúng trong chất điện phân trên, điện phân

ở điện thế 12 V mật độ dòng Invae khoảng | đến 3A/dm*, nhiệt độ bình