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:
2. Họ và tên: Trần Quang Điện
Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật Lí
Điện thoại: 0913631226; Email:

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:
2. Họ và tên: Trần Quang Điện
Ngày sinh: 01/9/1978; Môn: Vật Lí
Điện thoại: 0913631226; Email:
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 nguồn gốc 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 (Fe 3O4), 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 + CO32-

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 2O

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:

Cr2O 72- + 14H + + 12e → 2Cr + 7 H 2O

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 Hg 2+, 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- → O 2 + 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 2 O
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- → Cl2 ↑ + 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- 10 oC. Tuy cơ chế chi tiết của quá trình điện phân vẫn
chưa biết rõ hoàn toàn, nhưng cơ chế chung như sau:
2HSO-4  S2 O82- + 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 2 O 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 Fe 2+ 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 Hg2+ 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 Cu 2+
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, Bi 3+ còn lại trong dung dịch sau

19


TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

đó được xác định bằng phương pháp cực phổ. Để tách Bi 3+ 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


TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

Khi đặt một hiệu điện thế vào 2 điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp
trên khuôn đúc, dày hay mỏng là tùy thuộc vào thời gian điện phân. Sau đó
người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc. Muốn vậy, người
ta chế tạo mẫu vật, chẳng hạn bằng nhôm rồi mạ lên nó lớp đồng có chiều dày
cần thiết, sau đó hòa tan mẫu vật trong axit clohidric hay kiềm, nhôm tan đi để
lại sản phẩm bằng đồng có hình dạng và chiều dày mong muốn.
VI. Gia công điện phân qua ống hình.
VI.1. Giới thiệu.
Gia công điện phân qua ống hình là phương pháp gia công điện phân trong
đó sử dụng dung dịch điện phân axit. Phương pháp này được phát triển và hoàn
thiện bởi General
Electric Aircraft Engine Group để gia công lỗ có tỉ lệ giữa chiều sâu và đường
kính lớn. Loại lỗ này khó hoặc không thể gia công bằng khoan thông thường
cũng không gia công điện hóa thông thường được vì phương pháp điện hóa
thông thường tạo ra chất kết tủa không tan làm ngăn cản quá trình gia công. Để
giải quyết khó khăn đó, phương pháp gia công điện phân qua ống hình sử dụng
chất điện phân axit do đó hòa tan kim loại thành dung dịch thay cho việc tạo ra
chất kết tủa.
VI.2. Đặc điểm.
Tương tự như hệ thống gia công điện phân thông thường, hệ thống này

dùng điện áp một chiều có điện áp thấp để tạo ra phản ứng điện phân giữa anot
(phôi) và catot dụng cụ. Hệ thống gia công này có những đặc biệt sau:
- Độ cứng vững của hệ thống thấp hơn hệ thống gia công điện phân thông
thường.
- Hệ thống phải chịu được axit.

21


TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

- Cần phải đảo chiều dòng điện định kỳ vì chất điện phân làm tăng xu
hướng mạ trên catot (dụng cụ) kim loại gia công.

Hình 14. Sơ đồ hệ thống gia công điện phân qua ống hình.

Máy dùng cho điện phân qua ống hình phải có một hệ thống che kín để
tránh bắn tóe chất điện phân. Thêm vào đó, máy cũng có hệ thống thông khí để
thông khí H2 sinh ra trong quá trình điện phân. Ngoài ra, máy phải có dụng cụ để
đo nồng độ chất điện phân.
Catot trong gia công điện phân qua ống hình có vai trò tương tự như mũi
khoan và được làm bằng titan nguyên chất. Để đảm bảo độ chính xác gia công
định kỳ cần nắn thẳng và mài lại catot. Đồ gá kẹp chi tiết và dẫn hướng catot
thường làm bằng titan nguyên chất để khi tiếp xúc với axit sẽ tạo ra một lớp bảo
vệ trên bề mặt. Kẹp catot được làm bẳng thép không gỉ và phải đảm bảo dẫn điện
vào catot. Các ống dẫn axit vào trong catot lằm bằng nhựa lexan hay acrylic.

22

TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

VI.3. Ưu điểm.
- Có thể gia công đồng thời nhiều lỗ rất sâu.
- Có thể gia công với vật liệu rất cứng với lỗ có hình dạng bất kỳ.
- Không cần phải có người điều khiển vì quá trình điện phân tự xảy ra bên trong.
- Không làm cháy hay hỏng tổ chức tế vi lớp bề mặt.
VI.4. Nhược điểm.
- Hệ thống, dụng cụ gia công phức tạp và thải ra nhiều chất độc hại cho môi
trường.
- Quá trình điện phân sử dụng dung dịch điện phân axit nên đòi hỏi thiết bị phải chịu
được axit.
- Không thể gia công titan nguyên chất và kim loại chịu nhiệt.
VI.5. Ứng dụng.
- Gia công các lỗ làm mát ở cánh quạt tuốc bin, van tuốc bin.
- Gia công các đường dầu, các lỗ vòi phun nhiên liệu.

Hình 15 . Vòi phun nhiên liệu.

- Gia công các lỗ không cho phép gia công xung điện vì có hiện tượng cháy.
- Gia công các dãy lỗ làm bằng kim loại chống ăn mòn có tính gia công thấp
hoặc bằng kim loại có độ bền cao.

23


TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

VII. MẠ ĐIỆN.
VII.1. Định nghĩa.

Mạ điện dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại hoặc
hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, trang trí bề mặt, tăng tính dẫn điện, tăng
kích thước, tăng độ cứng bề mặt.
Trong mạ điện, yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiệm năng lượng,
tăng hiệu suất mà là chất lượng mạ. Vì vậy, phải tìm thành phần dung dịch, điều
kiện điện phân, để đảm bảo lớp mạ có những tính chất sau:
- Bám chắc vào kim loại nền, không bong.
- Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ, độ bóng, dẻo, cứng phải cao.
- Lớp mạ có đủ độ dày nhất định.
Cấu tạo tinh thể giữ vai trò quyết định đến chất lượng lớp mạ. Tinh thể càng nhỏ
mịn thì lớp mạ càng tốt.
VII.2. Lịch sử ra đời.
Ngành mạ điện được nhà bác học người Ý Luigi.V.Brugnatelli khai sinh
vào năm 1805. Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro
Volta- pin Volta, để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên. Phát minh của ông có ứng
dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chỉ được nghiên cứu trong các
phòng thí nghiệm.

Hình 17. Alessandro Volta
( 1745- 1827).

24


TRƯỜNG THPT VÕ VĂN KIỆT

Hình 16: Luigi.V.Brugnatelli.

Năm 1839, hai nhà bác học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình
mạ kim loại đồng cho những nút bản in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham

(người Anh) sử dụng KCN cho dung dịch mạ vàng, bạc. Tiếp bước
Wright, George Richard Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng
chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện
tại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới.

Hình 18. George Richard Elkington
(1801- 1865).

VII.3. Quá trình xử lý bề mặt.
Trước khi nhúng chi tiết vào bể điện phân, bề
mặt chi tiết cần phải thật bằng phẳng, sắc nét, bóng, tuyệt đối sạch các chất dầu
mỡ, các màng oxit có thể có. Trong điều kiện như vậy, lớp mạ thu được mới có độ
bám tốt, không xước, không sần sùi, bóng sáng đều, toàn lớp mạ được đồng nhất .
Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ bao gồm hai phương pháp sau:
- Phương pháp gia công cơ khí: mài thô, mài tinh, đánh bóng, quay bóng
hay xóc bóng trong thùng quay, chải, phun cát,…
- Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa học: tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy
lại làm bóng bề mặt, rửa sạch.

25