Giáo án Bài 16. Điện phân

Huy động kiến thức về pin Galvani và phản ứng oxi hoá–khử; xác định vấn đề: vì sao dòng điện một chiều có thể làm xảy ra phản ứng oxi hoá–khử không tự phát.

GV chiếu hai hình: pin Galvani (đã học ở bài trước) và bình chứa dung dịch CuSO₄ với hai điện cực than chì nối nguồn một chiều. HS trả lời nhanh ba câu hỏi:

1. Trong pin Galvani, cực nào xảy ra oxi hoá, cực nào xảy ra khử?
2. Bình điện phân cần thêm yếu tố gì để phản ứng xảy ra?
3. Dự đoán: ở hai điện cực của bình CuSO₄ có thể xuất hiện chất gì?

• Nhớ lại: trong pin Galvani, anode (cực âm) xảy ra oxi hoá, cathode (cực dương) xảy ra khử.
• Nhận ra: điện phân cần nguồn điện một chiều để cưỡng bức phản ứng oxi hoá–khử không tự xảy ra.
• Dự đoán ban đầu: có kim loại đồng đỏ bám ở một điện cực và khí thoát ra ở điện cực kia.
• Vấn đề cần giải quyết: cực nào khử, cực nào oxi hoá trong bình điện phân và sản phẩm là gì?

Nêu được khái niệm điện phân; mô tả được quá trình khử ở cathode (nối cực âm) và oxi hoá ở anode (nối cực dương); so sánh được với pin Galvani.

HS làm việc theo cặp đôi với Phiếu học tập số 1 (phần A) và quan sát mô phỏng 3D điện phân dung dịch CuSO₄ trong trang bài học NeoEdu.
Nhiệm vụ:

1. Đọc khái niệm điện phân, cathode, anode trong SGK và ghi lại bằng lời của mình.
2. Quan sát mô phỏng: ghi nơi có Cu bám, nơi có bọt khí, hướng chuyển động của Cu²⁺ và SO₄²⁻.
3. Hoàn thành bảng so sánh pin Galvani và bình điện phân.
   Câu hỏi GV đặt ra: "Trong điện phân, cathode nối cực nào của nguồn? Vì sao cathode luôn xảy ra khử?"

• Khái niệm: điện phân là quá trình oxi hoá–khử xảy ra trên bề mặt điện cực khi cho dòng điện một chiều qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch.
• Cathode (điện phân): nối cực âm của nguồn, luôn xảy ra khử; ví dụ $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \rightarrow \mathrm{Cu}$.
• Anode (điện phân): nối cực dương của nguồn, luôn xảy ra oxi hoá; ví dụ $2\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} + 4e$.
• So sánh: tên phản ứng ở mỗi điện cực giống pin Galvani (anode oxi hoá, cathode khử) nhưng dấu cực thì ngược lại: trong điện phân anode mang dấu dương, cathode mang dấu âm.
• Mô phỏng: Cu đỏ bám ở cathode; bọt O₂ thoát ở anode; Cu²⁺ chạy về cathode, SO₄²⁻ chạy về anode.

Dự đoán được sản phẩm điện phân chất điện li nóng chảy (NaCl) và điện phân dung dịch (CuSO₄, NaCl) dựa vào thế điện cực, khả năng phản ứng, nồng độ và điều kiện điện cực.

Kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi nhóm 4 HS nhận 4 vị trí (Người ghi, Người đọc quy tắc, Người so sánh, Người báo cáo). Nhóm thảo luận Phiếu học tập số 1 (phần B) với ba trường hợp:
Trường hợp 1: NaCl nóng chảy, điện cực trơ. Dự đoán sản phẩm ở cathode và anode.
Trường hợp 2: dung dịch CuSO₄, điện cực trơ (than chì). Dự đoán sản phẩm và viết bán phản ứng, phương trình tổng.
Trường hợp 3: dung dịch NaCl có màng ngăn, quan sát phòng thí nghiệm ảo "Điện phân dung dịch sodium chloride có màng ngăn" (chỉ quan sát, không làm thực tế). Dự đoán sản phẩm ở cathode, anode và vai trò của màng ngăn.
Câu hỏi GV đặt ra: "Vì sao ở cathode của dung dịch CuSO₄, ion Cu²⁺ bị khử còn H₂O thì không?" và "Vì sao không thể điều chế Na kim loại từ dung dịch NaCl bằng điện phân dung dịch?"

• NaCl nóng chảy, điện cực trơ: cathode xuất hiện Na kim loại ($\mathrm{Na^+} + e \rightarrow \mathrm{Na}$); anode xuất hiện $\mathrm{Cl_2}$ ($2\mathrm{Cl^-} \rightarrow \mathrm{Cl_2} + 2e$). Chất điện li nóng chảy cho Na và Cl₂.
• Dung dịch CuSO₄, điện cực trơ, CuSO₄ còn dư: cathode $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \rightarrow \mathrm{Cu}$ (Cu đỏ bám); anode $2\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} + 4e$ (O₂ thoát ra). Phương trình tổng: $2\mathrm{CuSO_4} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2SO_4}$. Dung dịch nhạt màu xanh dần, môi trường acid tăng.
• Dung dịch NaCl có màng ngăn (điện cực trơ): cathode $2\mathrm{H_2O} + 2e \rightarrow \mathrm{H_2} + 2\mathrm{OH^-}$; anode $2\mathrm{Cl^-} \rightarrow \mathrm{Cl_2} + 2e$; tổng $2\mathrm{NaCl} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2}$. Màng ngăn tách Cl₂ khỏi NaOH và H₂.
• Kết luận: không điều chế Na từ dung dịch NaCl vì nước bị khử ở cathode thay cho ion Na⁺.

Vận dụng được công thức $n_e = \dfrac{I\,t}{F}$ và $m = \dfrac{A\,I\,t}{n\,F}$ để tính số mol electron, khối lượng kim loại và lượng sản phẩm thực khi có hiệu suất H.

HS làm việc theo cặp đôi, đọc Phiếu học tập số 2 và lần lượt trả lời:

1. Đổi đơn vị: I (A), t (s), F ≈ 96500 C/mol. Vì sao không dùng phút thay cho giây?
2. Tính số mol electron trao đổi khi I = 1,00 A, t = 1930 s.
3. Từ số mol electron, tính n(Cu) và m(Cu) khi điện phân CuSO₄ dư, điện cực trơ, hiệu suất 100%. Biết Cu = 64.
4. Nếu hiệu suất H = 80%, khối lượng Cu thực tế thu được là bao nhiêu?
   Câu hỏi GV đặt ra: "Vì sao với cùng dòng điện và thời gian, số mol kim loại thu được và khối lượng kim loại lại khác nhau khi đổi kim loại?"

• Số mol electron: $n_e = \dfrac{1{,}00 \times 1930}{96500} = 0{,}0200$ mol.
• Cathode $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \rightarrow \mathrm{Cu}$: $n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{0{,}0200}{2} = 0{,}0100$ mol; $m(\mathrm{Cu}) = 0{,}0100 \times 64 = 0{,}640$ g.
• Công thức tổng quát: $m = \dfrac{A\,I\,t}{n\,F}$, với $A$ là khối lượng mol, $n$ là số electron ion nhận.
• Có hiệu suất H: khối lượng thực tế $= m \times \dfrac{H}{100}$; với H = 80%, $m_{\text{thực}} = 0{,}640 \times 0{,}80 = 0{,}512$ g.
• Lưu ý: đổi phút sang giây trước khi thay vào công thức; giả thiết hiệu suất 100% và không có phản ứng phụ khi áp dụng công thức.

Củng cố khái niệm cathode, anode, dự đoán sản phẩm và tính khối lượng chất theo điện lượng qua các bài tập đã cho.

Trò chơi "Ai nhanh hơn" theo nhóm: GV chiếu từng câu hỏi, nhóm thảo luận 1 phút rồi giơ bảng đáp án. Các câu hỏi gồm bài tập 1 đến bài tập 7 trong mục Bài tập của bài học (trắc nghiệm, đúng/sai, ghép nối và tính toán ngắn). Riêng câu 3 và câu 6 yêu cầu HS ghi phép tính ngắn ra bảng con.
Câu hỏi GV đặt ra: "Dữ kiện nào thiếu thì không thể tính được khối lượng kim loại bằng định luật Faraday?"

Đề và đáp án:

1. Điện cực nào xảy ra khử khi điện phân? Đáp án: B. Cathode (nối cực âm), luôn khử.
2. Điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ ở điều kiện thường tạo ở cathode chất nào? Đáp án: A. H₂ (2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻), không tạo Na kim loại trong nước.
3. I = 2,00 A, t = 965 s, F = 96500 C/mol: số mol electron $n_e = 0{,}0200$ mol.
4. Xét CuSO₄ và điện phân: a) Đúng (điện cực trơ có thể cho O₂ ở anode); b) Đúng (anode Cu tan bổ sung Cu²⁺); c) Sai (dấu anode trong điện phân ngược với pin Galvani); d) Đúng (vật mạ thường đặt ở cathode).
5. Ghép: Cu²⁺ + 2e → Cu – cathode; Cu → Cu²⁺ + 2e – anode Cu tan; 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e – anode trơ trong CuSO₄.
6. 0,040 mol electron khử Cu²⁺, H = 100%, Cu = 64: n(Cu) = 0,020 mol, m = 1,28 g.
7. Đáp án A, B, C: cường độ và thời gian; số electron trao đổi; hiệu suất và điều kiện không có phản ứng phụ. Màu dây không đủ để tính.

Vận dụng kiến thức điện phân và định luật Faraday để giải thích ứng dụng trong thực tế (tinh chế Cu, mạ điện, điều chế Al) và giải bài toán thực tiễn về thời gian.

Nhóm thảo luận hai nhiệm vụ:
Nhiệm vụ 1: Giải thích vì sao khi tinh chế đồng, anode là Cu thô tan còn cathode là Cu tinh khiết; vì sao vật cần mạ đồng được đặt ở cathode.
Nhiệm vụ 2: Bài toán thực tiễn. Điện phân CuSO₄ dư với điện cực trơ, muốn thu 1,28 g Cu với H = 100%, Cu = 64, F = 96500 C/mol. Nếu dòng điện là 2,00 A, cần điện phân trong bao lâu?
Sau đó nêu ứng dụng sản xuất nhôm bằng điện phân Al₂O₃ nóng chảy.
Câu hỏi GV đặt ra: "Nếu dòng điện tăng gấp đôi thì thời gian cần thiết thay đổi thế nào? Vì sao?"

• Tinh chế đồng: anode Cu thô tan, $\mathrm{Cu} \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}} + 2e$; cathode Cu tinh khiết nhận $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \rightarrow \mathrm{Cu}$, Cu tinh khiết bám lên cathode, tạp chất không tan rơi xuống đáy bình.
• Mạ điện: vật mạ đặt ở cathode, ion Cu²⁺ nhận electron và bám lên vật.
• Bài toán: $n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{1{,}28}{64} = 0{,}0200$ mol; $n_e = 0{,}0400$ mol; $t = \dfrac{n_e\,F}{I} = \dfrac{0{,}0400 \times 96500}{2{,}00} = 1930$ s (khoảng 32 phút 10 giây).
• Nếu dòng tăng gấp đôi thì thời gian giảm một nửa vì $t$ tỉ lệ nghịch với $I$ khi lượng electron cần không đổi.
• Ứng dụng: điện phân $\mathrm{Al_2O_3}$ nóng chảy để sản xuất nhôm.