Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com ĐIỆN PHÂN I – KHÁI NIỆM Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học. Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation di chuyển về cực âm (catot) còn các anion di chuyển về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện). Tại catot xảy ra quá trình khử cation (M n+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (X n- → X + ne). Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan. II – SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI 1. Điện phân chất điện li nóng chảy Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al a) Điện phân nóng chảy muối clorua (Chỉ áp dụng để điều chế kim loại kiềm và kiềm thổ) Tổng quát: dpnc x 2 2MCl 2M+xCl (x=1,2)→ Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) 2| Na + + e → Na 2Cl - → Cl 2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl 2Na + Cl 2 (đpnc) Cần có màng ngăn không cho Cl 2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân. Một số chất phụ gia như NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ… b) Điện phân nóng chảy hiđroxit (Chỉ áp dụng để điều chế các kim loại kiềm: Na, K) Tổng quát: dpnc 2 2 1 2MOH 2M+ O +H O (M=Na, K, ) 2 → ↑ ↑ Catot (-): 2M + +2e → 2M Anot (+): 2OH - -2e → 2 2 1 O +H O 2 ↑ ↑ Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) NaOH Anot ( + ) 4| Na + + 1e → Na 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e Phương trình điện phân là: 4NaOH dpnc → 4Na + O 2 + 2H 2 O E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 1 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com c) Điện phân nóng chảy oxit: (Chỉ dụng điều chế Al) Ví dụ 3: Điện phân Al 2 O 3 nóng chảy pha thêm criolit (Na 3 AlF 6 ) có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Catot ( – ) Al 2 O 3 Anot ( + ) 4| Al 3+ + 3e → Al 3/2 O 2- → O 2 + 4e Phương trình điện phân là: 2Al 2 O 3 4Al + 3O 2 * Vai trò của criolit (Na 3 AlF 6 ): + Criolit (Na 3 AlF 6 ) có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al 2 O 3 từ 2050 o C xuống khoảng 900 o C. + Làm tăng độ dẫn điện của hệ. + Tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài. * Chú ý nếu anot làm bằng than chì: Nếu điện cùc làm bằng graphit (than chì) thì sẽ bị khí sinh ra ở anot ăn mòn. 2- 2 2 2 2 6O -6e 3O 2C+O 2CO 2CO+O 2CO → ↑ → ↑ → ↑ Phương trình phản ứng điện phân cho cả 2 cực là: dpnc 2 3 2 dpnc 2 3 dpnc 2 3 2 2Al O 4Al+3O Al O +3C 2Al+3CO 2Al O +3C 4Al+3CO → ↑ → ↑ → ↑ Khí ở anot sinh ra thường là hỗn hợp khí CO, CO 2 và O 2 . Để đơn giản người ta thường chỉ xét phương trình: 6 NaAlF 2 3 2 2Al O 4Al+3O→ 2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn có các ion H + và OH - của nước. Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phân phức tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau. Ví dụ khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na + , H + (H 2 O) di chuyển về catot còn các ion Cl - , OH - (H 2 O) di chuyển về anot. Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở các điện cực. Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử của các cặp. Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử. Vì vậy khi có nhiều dạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị khử trước. Ngược lại trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế oxi hóa – khử nhỏ nhất trước. E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 2 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com a) Khả năng phóng điện của các cation ở catot: Ở catot có thể xảy ra các quá trình khử sau đây: M n+ + ne → M 2H + (axit) + 2e → H 2 Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - Dạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau: + Các cation từ Zn 2+ đến cuối dãy Hg 2+ , Cu 2+ , Fe 3+ , Ag + … dễ bị khử nhất và thứ tự tăng dần + Từ Al 3+ đến các ion đầu dãy Na + , Ca 2+ , K + … không bị khử trong dung dịch + Các ion H + của axit dễ bị khử hơn các ion H + của nước b) Khả năng phóng điện của các anion ở anot: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl - , S 2- …hoặc ion OH - của bazơ kiềm hoặc nước 2Cl - → Cl 2 + 2e 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e Hoặc ion OH - của nước bị oxi hóa: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxi hóa. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau: + Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự: RCOO - < Cl - <Br - <I - <S 2- + Các anion gốc axit như NO 3- , SO 4 2- , PO 4 3- , CO 3 2- , ClO 4 - …không bị oxi hóa + Riêng các ion OH - của kiềm hoặc của nước khó bị oxi hóa hơn các ion S 2- , I - , Br - , Cl - … + Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng các kim loại như Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan) c) Một số ví dụ: Ví dụ 1: Điện phân dung dịch CuCl 2 với anot trơ Catot ( – ) CuCl 2 Anot ( + ) Cu 2+ + 2e Cu 2Cl - Cl 2 + 2e Phương trình điện phân là: CuCl 2 Cu + Cl 2 Ví dụ 2: Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) H 2 O, Na + (H 2 O) Cl - , H 2 O 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH - 2Cl - Cl 2 + 2e Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H 2 O 2NaOH + H 2 + Cl 2 Nếu không có màng ngăn thì: Cl 2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H 2 O nên phương trình điện phân là: NaCl + H 2 O NaClO + H 2 Ví dụ 3: Điện phân dung dịch NiSO 4 với anot trơ Catot ( – ) NiSO 4 Anot ( + ) Ni 2+ , H 2 O (H 2 O) H 2 O, SO 4 2- Ni 2+ + 2e Ni 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e Phương trình điện phân là: 2NiSO 4 + 2H 2 O 2Ni + 2H 2 SO 4 + O 2 E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 3 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Ví dụ 4: Điện phân dung dịch NiSO 4 với anot bằng Cu Catot ( – ) NiSO 4 Cu ( + ) Ni 2+ , H 2 O (H 2 O) H 2 O, SO 4 2- Ni 2+ + 2e Ni Cu Cu 2+ + 2e Phương trình điện phân là: NiSO 4 + Cu CuSO 4 + Ni Ví dụ 5: Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl 3 , CuCl 2 và HCl với anot trơ Catot ( – ) FeCl 3 , CuCl 2 , HCl Anot ( + ) Fe 3+ + 1e Fe 2+ Cu 2+ + 2e Cu 2Cl - Cl 2 + 2e 2H + + 2e H 2 Fe 2+ + 2e Fe Quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực là: 2FeCl 3 2FeCl 2 + Cl 2 CuCl 2 Cu + Cl 2 2HCl H 2 + Cl 2 FeCl 2 Fe + Cl 2 III. ĐỊNH LUẬT FARADAY Khối lượng đơn chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của đơn chất A It m = . n F Trong đó: + m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam) + A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực + n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận + I: cường độ dòng điện (A) + t: thời gian điện phân (s) + F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10 -19 .6,022.10 23 ≈ 96500 C.mol -1 ) + A n : đương lượng gam hóa học Ví dụ: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng điện I = 1,93A. Dung dịch thu được sau khi điện phân có pH = 12. Biết thể tích dung dịch không đổi, clo không hòa tan trong nước và hiệu suất điện phân 100%. Thời gian tiến hành điện phân là: A. 50 s B. 60 s C. 100 s D. 200 s Giải: Ta có: pH = 12 [OH-] = 10 -2 → - -2 -3 OH n = 10 .0,1= 10 (mol) Tại catot (–) xảy ra phản ứng: 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH - - 2 2 -3 H OH -3 H 1 1 n = n = .10 2 2 1 2 1,93.t m = .10 .2 = . t = 50(s) 2 2 96500 ⇒ ⇒ E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 4 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN PHÂN Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp 1. Điều chế các kim loại 2. Điều chế một số phi kim như: H 2, O 2 , F 2 , Cl 2 3. Điều chế một số hợp chất như: NaOH, H 2 O 2 , nước Gia – ven 4. Tinh chế một số kim loại như: Cu, Pb, Zn. Fe. Ag, Au… 5. Mạ điện Điện phân với anot tan cũng được dùng trong mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. Anot là kim loại dùng để mạ (như hình vẽ là vàng) còn catot là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ 5.10 -5 ÷ 1.10 -3 cm. V. MỘT SỐ CƠ SỞ ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VỀ ĐIỆN PHÂN 1. Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: + Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào. + m (dung dịch sau điện phân) = m (dung dịch trước điện phân) – (m kết tủa + m khí ) + Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (m kết tủa + m khí ) 2. Khi điện phân các dung dịch: + Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học mạnh (KOH, NaOH, Ba(OH) 2 ,…) + Axit có oxi (HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 ,…) + Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm (KNO 3 , Na 2 SO 4 ,…) → Thực tế là điện phân H 2 O để cho H 2 (ở catot) và O 2 (ở anot) 3. Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải Pt hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực 4. Khi điện phân có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực. Ví dụ: + Điện phân nóng chảy Al 2 O 3 (có Na 3 AlF 6 ) với anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh. + Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H 2 thoát ra ở catot. + Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot 5. Viết phương trình điện phân tổng quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết (thường trong những bài toán không liên quan tới I, t) 6. Có thể tính toán hay biện luận theo số mol e trao đổi: Bài toán điện phân thường xoay quanh 3 yếu tố: cường độ dòng điện I, thời gian điện phân t và lượng đơn chất thoát ra ở điện cực. Đề sẽ cho 2 trong 3 dữ kiện và yêu cầu xác định dữ kiện còn lại. Trong các bài toán này, có thể chỉ cần tính số mol e trao đổi mà không cần viết phương trình phản ứng điện phân. Từ công thức Faraday: e A It m It It m = . .n = Hay : n = n F A F F ⇒ (*) + n e chính là số mol e trao đổi giữa các chất điện phân ở hai điện cực. + F = 96500 nếu t tính theo giây và 26,8 nếu t tính theo giờ. Sau đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số mol electron nhường hoặc nhận với n e để biết mức độ điện phân xảy ra. Ví dụ để dự đoán xem cation kim loại có bị khử hết không hay nước có bị điện phân không và H 2 O có bị điện phân thì ở điện cực nào… E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 5 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com - Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức (*) để tính I hoặc t. 7. Nếu đề bài yêu cầu tính điện lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng công thức: Q=I.t=n e .F 8. Bài toán điện phân hỗn hợp nhiều ion: Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi so sánh với thời gian t trong đề bài. Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết 9. Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau. VI. MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: Điện phân hòa toàn 2,22g muối clorua kim loại ở trạng thái nóng chảy thu được 448 ml khí (ở đktc) ở anot. Kim loại trong muối là: A. Na B. Ca C. K D. Mg Hướng dẫn: Ta có 2 Cl 448 n = = 0,02(mol) 1000.22,4 ; và m KL = 2,22 – 0,02.71 = 0,8 (g) Phương trình phản ứng điện phân: dpnc n 2 2MCl 2M+nCl → Nên: 0,8 .n = 0,02.2 M = 20n M ⇒ → n = 2 và M là Ca → đáp án B Ví dụ 2: Tiến hành điện phân (với điện cực Pt) 200 gam dung dịch NaOH 10 % đến khi dung dịch NaOH trong bình có nồng độ 25 % thì ngừng điện phân. Thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot và catot lần lượt là: A. 149,3 lít và 74,7 lít B. 156,8 lít và 78,4 lít C. 78,4 lít và 156,8 lít D. 74,7 lít và 149,3 lít Hướng dẫn: m NaOH (trước điện phân) = 20 gam Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước: H 2 O → 1/2 O 2 (anot) + H 2 (catot) (*) → NaOH không đổi → m (dung dịch sau điện phân) 20.100 80 25 = gam → 2 H O dp m = 200 -80 = 120(g) 2 2 2 2 2 2 H H O H O H O O 120 120 n = n = V = .22,4 =149,3(lit) 80 80 1 1 120 1 120 n = n = . V = . .22,4 = 74,7(lit) 2 2 80 2 80 ⇒ ⇒ Ví dụ 3: Sau một thời gian điện phân 200 ml dung dịch CuSO 4 (d = 1,25 g/ml) với điện cực graphit (than chì) thấy khối lượng dung dịch giảm 8 gam. Để làm kết tủa hết ion Cu 2+ còn lại trong dung dịch sau điện phân cần dùng 100 ml dung dịch H 2 S 0,5 M. Nồng độ phần trăm của dung dịch CuSO 4 ban đầu là: A. 12,8 % B. 9,6 % C. 10,6 % D. 11,8 % Hướng dẫn: Ta có: 2 H S 100 n = .0,5 = 0,05(mol) 1000 . Gọi x là số mol CuSO 4 tham gia quá trình điện phân: CuSO 4 + H 2 O → Cu + 1/2O 2 + H 2 SO 4 (1) 2 dd Cu(catot) O (anot) Δm = m + m = 64x +16x = 8 x = 0,1(mol)⇒ CuSO 4 + H 2 S → CuS + H 2 SO 4 (2) 4 2 CuSO chua dp H S n = n = 0,05(mol) 4 4 CuSO bd CuSO 0,15.160 n = 0,1+ 0,05 = 0,15 C = .100% = 9,6% 200.1,25 ⇒ ⇒ E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 6 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Ví dụ 4: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO 4 0,2 M với cường độ dòng điện 9,65A. Tính khối lượng Cu bám vào catot khi thời gian điện phân t 1 = 200 s và t 2 = 500 s. Biết hiệu suất điện phân là 100 % A. 0,32 gam và 0,64 gam B. 0,64 gam và 1,28 gam C. 0,64 gam và 1,60 gam D. 0,64 gam và 1,32 gam Hướng dẫn: Ta có 2+ 4 CuSO Cu n = n = 0,02(mol) Thời gian cần thiết để điện phân hết Cu 2+ là: 0,02.2.96500 t = = 400(s) 9,65 Ta thấy: t 1 < t < t 2 → Tại t 2 Cu 2+ đã bị điện phân hết → m 2 = 1,28 gam → đáp án B Nếu các đáp án có hơn 1 đáp án với m 2 =1,28, có thể tính nhanh m 1 bằng cách nhận xét t 1 = ½ t nên tại t 1 có ½Cu 2+ bị điện phân, do đó m 1 = 0,01.64 = 0,64(g) Ví dụ 5: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO 4 với điện cực trơ và cường độ dòng điện 1A. Khi thấy ở catot bắt đầu có bọt khí thoát ra thì dừng điện phân. Để trung hòa dung dịch thu được sau khi điện phân cần dùng 100 ml dung dịch NaOH 0,1M. Thời gian điện phân và nồng độ mol của dung dịch CuSO 4 ban đầu là: A. 965 s và 0,025M B. 1930 s và 0,05M C. 965 s và 0,05M D. 1930 s và 0,025M Hướng dẫn: Ta có n NaOH = 0,01 (mol) Khi ở catot bắt đầu có bọt khí (H 2 ) thoát ra chứng tỏ CuSO 4 đã bị điện phân hết: CuSO 4 + H 2 O → Cu + ½ O 2 + H 2 SO 4 (1) 2NaOH + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2H 2 O (2) Theo (1), (2): 2 4 Cu H SO NaOH 1 1 n = n = n = 0,01 = 0,005(mol) 2 2 4 CuSO 0,005 0,005.2.96500 C = = 0,025M; t = = 965(s) 0,2 1 ⇒ → đáp án A Cũng có thể không viết phương trình phản ứng điện phân mà dựa vào số e trao đổi để tính: + - - etd Cu Cu H OH OH 1 n = n .2 = n = n n = n 2 ⇒ Ví dụ 6: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp AgNO 3 0,1 M và Cu(NO 3 ) 2 0,2 M với điện cực trơ và cường độ dòng điện bằng 5A. Sau 19 phút 18 giây dừng điện phân, lấy catot sấy khô thấy tăng m gam. Giá trị của m là: A. 5,16 gam B. 1,72 gam C. 2,58 gam D. 3,44 gam Hướng dẫn: Ta có + 2+ Ag Cu n = 0,02mol;n = 0,04mol Sau 19’18s số e trao đổi là: e It 5(19.60 +18) n = = = 0,06(mol) F 96500 Thứ tự các ion bị khử tại catot: Ag + + 1e → Ag (1) 0,02 0,02 0,02 → sau (1) còn 0,06 – 0,02 = 0,04 mol electron Cu 2+ + 2e → Cu (2) 0,02 0,04 0,02 → sau (2) còn dư 0,02 mol Cu 2+ m (catot tăng) = m (kim loại bám vào) = 0,02.(108 + 64) = 3,44 gam → đáp án D Ví dụ 7: Hòa tan 50 gam tinh thể CuSO 4 .5H 2 O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6 M thu được dung dịch X. Đem điện phân dung dịch X (các điện cực trơ) với cường độ dòng điện 1,34A trong 4 giờ. Khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc) lần lượt là (Biết hiệu suất điện phân là 100 %): A. 6,4 gam và 1,792 lít B. 10,8 gam và 1,344 lít C. 6,4 gam và 2,016 lít D. 9,6 gam và 1,792 lít E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 7 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Hướng dẫn: Ta có 4 4 2 CuSO CuSO .5H O HCl n = n = 0,2mol; n = 0,12mol Số e trao đổi: e It 1,43.4 n = = = 0,2(mol) F 26,8 Thứ tự điện phân tại catot và anot là: Tại catot: Cu 2+ + 2e → Cu 0,1 0,2 0,1 →Cu 2+ chưa bị điện phân hết → m (kim loại ở catot) = 0,1.64 = 6,4 gam Tại anot: 2Cl – → Cl 2 + 2e 0,12 0,06 0,12 → n e(do Cl– nhường) = 0,12 < 0,2 mol → tại anot Cl – đã bị điện phân hết và đến nước bị điện phân → n e (do H2O nhường) = 0,2 – 0,12 = 0,08 mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e 0,02 0,08 → V (khí thoát ra ở anot) = (0,06 + 0,02).22,4 = 1,792 lít → đáp án A Ví dụ 8: Có 200 ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO 3 ) 2 và AgNO 3 , để điện phân hết ion kim loại trong dung dịch cần dùng cường độ dòng điện 0,402A trong 4 giờ. Sau khi điện phân xong thấy có 3,44 gam kim loại bám ở catot. Nồng độ mol của Cu(NO 3 ) 2 và AgNO 3 trong hỗn hợp đầu lần lượt là: A. 0,2 M và 0,1 M B. 0,1 M và 0,2 M C. 0,2 M và 0,2 D. 0,1 M và 0,1 M Hướng dẫn: Ta có: e It 0,402.4 n = = = 0,06(mol) F 26,8 Tại catot: Ag + + 1e → Ag x x Cu 2+ + 2e → Cu y y → C M Cu(NO 3 ) 2 = C M AgNO 3 = 0,1 M → đáp án D Ví dụ 9: Hòa tan 4,5 gam tinh thể MSO 4 .5H 2 O vào nước được dung dịch X. Điện phân dung dịch X với điện cực trơ và cường độ dòng điện 1,93A. Nếu thời gian điện phân là t (s) thì thu được kim loại M ở catot và 156,8 ml khí tại anot. Nếu thời gian điện phân là 2t (s) thì thu được 537,6 ml khí. Biết thể tích các khí đo ở đktc. Kim loại M và thời gian t lần lượt là: A. Ni và 1400 s B. Cu và 2800 s C. Ni và 2800 s D. Cu và 1400 s Hướng dẫn: Các quá trình xảy ra ở các điện cực: Tại catot: M 2+ , H 2 O Tại anot: SO 4 2- , H 2 O M 2+ + 2e → M 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - Sau t giây, mới chỉ có anot có khí chứng tỏ H 2 O chưa nhận e ở catot. Sau 2t giây, thể tích O 2 thoát ra ở anot là: 2.156,8 = 313,6 (ml). Do đó thể tích H 2 thoát ra ở catot sau 2t giây là: V khí catot = 527,6-313,6 = 224 (ml) Và do catot đã có khí nên M 2+ đã bị điện phân hết, theo định luật bảo toàn e cho quá trình điện phân 2t giây ta có: 4,5 0, 224 0,3136 .2 + .2 = .4 M = 64 M :Cu M +96 + 5.18 22,4 22,4 ⇒ ⇒ Thời gian điện phân: 0,1568 .4.96500 22,4 t = = 1400(s) 1,93 E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 8 → Ta có hệ phương trình: Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Ví dụ 10: Mắc nối tiếp hai bình điện phân: bình (1) chứa dung dịch MCl 2 và bình (2) chứa dung dịch AgNO 3 . Sau 3 phút 13 giây thì ở catot bình (1) thu được 1,6 gam kim loại còn ở catot bình (2) thu được 5,4 gam kim loại. Cả hai bình đều không thấy khí ở catot thoát ra. Kim loại M là: A. Zn B. Cu C. Ni D. Pb Hướng dẫn: Hai bình mắc nối tiếp nên số mol e trao đổi ở hai bình là bằng nhau, do đó: 1,6 5,4 .2 = .1 M = 64 M :Cu M 108 ⇒ ⇒ Ví dụ 11: Điện phân nóng chảy Al 2 O 3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100 %) thu được m kg Al ở catot và 67,2 dm 3 (ở đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16. Lấy 2,24 lít (ở đktc) hỗn hợp khí X sục vào dung dịch nước vôi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa. Giá trị của m là: A. 54,0 kg B. 75,6 kg C. 67,5 kg D. 108,0 kg Hướng dẫn: Các phương trình xảy ra khi điện phân 2Al 2 O 3 4Al + 3O 2 (1) C + O 2 CO 2 (2) 2C + O 2 2CO (3) X + Ca(OH) 2 dư → 2 gam kết tủa nên 2 CO n = 0,02mol + Nếu X chỉ có CO và CO 2 : 2 CO 28 12 32 CO 44 4 2 2 CO CO CO CO n = 3n = 3.0,02 = 0,06(mol) V + V = (0,02 + 0,06).22,4 =1,792(lit) < 2,24(lit) ⇒ ⇒ Do đó X phải chứa: CO 2 , CO, O 2 (X không thể chỉ chứa CO 2 và O 2 vì M = 32 ) Và vì 2 X O M = M Nên 2 2 2 CO ,CO CO CO O M = 32 n = 3n = 0,06 n = 0,1- 0,02 - 0,06 = 0,02⇒ ⇒ → Số mol CO 2 , CO, O 2 trong 67,2 dm 3 X là: 2 2 2 CO CO O O (1) Al 67,2 67,2 67,2 n = 0,02. = 0,6(mol); n = 0,06. = 1,8(mol); n = 0,02. = 0,6(mol) 2,24 2,24 2,24 1 2,1.4 n = 0,6 + 1,8 + 0,6 = 2,1(mol) m = .27 = 75,6(kg) 2 3 ⇒ ⇒ VII. CÁC DẠNG BÀI TẬP 1. BÀI TẬP LÝ THUYẾT Loại 1.1: Bài tập tự luận Bài 1: Viết sơ đồ điện phân đến khi H 2 O bị điện phân ở cả hai điện cực, hoặc quá trình điện phân không xảy ra nữa, khi điện phân các dung dịch sau: CuCl 2 ; NaCl (Có màng ngăn và không có màng ngăn); CuSO 4 ; Na 2 SO 4 ; HCl; HNO 3 ; KOH 1. Dấu hiệu nào cho thấy các chất tan trong dung dịch ban đầu đã điện phân hết? 2. Hãy cho biết khi điện phân dung dịch nào thì thực chất chỉ điện phân H 2 O. 3. Muốn sau phản ứng điện phân thu được dung dịch axit (axit có oxy) hoặc dung dịch bazo thì phải điện phân dung dịch muối loại nào? Bài 2: Thêm vài giọt quỳ tím vào dung dịch điện phân chứa HCl và NaCl. Cho biết màu của dung dịch thay đổi như thế nào trong suốt quá trình điện phân với điện cực trơ có màng ngăn. E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 9 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Bài 3 (Thủy lợi – 1997): Điện phân 100 ml dung dịch chứa Cu 2+ , Na + , H + , SO 4 2- có pH = 1, điện cực trơ. Sau một thời gian điện phân, rút điện cực ra khỏi dung dịch, thấy khối lượng dung dịch giảm 0.64 gam và dung dịch có màu xanh nhạt, thể tích dung dịch không thay đổi. a. Viết phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân. b. Tính nồng độ mol H + có trong dung dịch sau điện phân. Bài 4 (Y Hà Nội – 1995): a. Viết sơ đồ điện phân dung dịch AgNO 3 (điện cực Pt) b. Cho biết: Dung dịch sau điện phân có pH = 3, hiệu suất điện phân là 80%, thể tích dung dịch coi như không thay đổi (1 lít). Tính nồng độ mol/l các chất sau điện phân, khối lượng AgNO 3 trong dung dịch ban đầu. Loại 1.2: Bài tập trắc nghiệm Bài 1: Cho 4 dung dịch muối: CuSO 4 , K 2 SO 4 , NaCl, KNO 3 . Dung dịch nào sau khi điện phân cho ra một dung dịch axit (điện cực trơ). A. CuSO 4 B. K 2 SO 4 C. NaCl D. KNO 3 Bài 2: Cho 4 dung dịch muối: CuSO 4 , ZnCl 2 , NaCl, KNO 3 . Dung dịch nào sau khi điện phân cho ra một dung dịch bazo (điện cực trơ). A. CuSO 4 B. ZnCl 2 C. NaCl D. KNO 3 Bài 3: Điện phân dung dịch chứa H 2 SO 4 trong thời gian ngắn, pH của dung dịch biến đổi như thế nào khi ngừng điện phân. A. Giảm mạnh B. Tăng nhẹ C. Gần như không đổi D.Tăng mạnh. Bài 4: Điện phân dung dịch NaCl, điện cực trơ, không có vách ngăn. Sản phẩm thu được gồm A. H 2 , Cl 2 , NaOH B. H 2 , Cl 2 , NaOH, nước Javen C. H 2 , Cl 2 , nước Javen D. H 2 , nước Javen. Bài 5: Khi điện phân dung dịch muối A thì giá trị pH ở khu vực gần catot tăng lên. Muối A là: A. NaCl B. CuCl 2 C. ZnSO 4 D. NaNO 3 Bài 6: Ion nào sau đây bị điện phân ở trạng thái dung dịch: SO 4 2- , Cl - , NO 3 - , Cu 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , H + A. SO 4 2- , Cl - ; Ca 2+ , H + B. SO 4 2- , NO 3 - , Ca 2+ , H + C. SO 4 2- , NO 3 - , Cu 2+ , H + D. Cu 2+ , Fe 3+ , Cl - , H + Bài 7: Trong quá trình điện phân, các muối X - (X: Cl - , Br - ) di chuyển về: A. Cực dương và bị oxi hóa B. Cực âm và bị oxi hóa C. Cực dương và bị khử D. Cực âm và bị khử Bài 8: Cho dung dịch chứa các ion: Na + , K + , Cu + , Cl - , SO 4 2- , NO 3 2- . Các ion nào không bị điện phân khi ở trạng thái dung dịch: A. Na + , K + , Cl - , SO 4 2- B. K + , Cu + , Cl - , NO 3 2- C. Na + , Cu 2+ , Cl - , SO 4 2- D. Na + , K + , SO 4 2- , NO 3 2- 2. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH Dạng 2.1: Bài toán điện phân có H 2 O bị khử hoặc oxy hóa ở các điện cực Loại 2.1.1: Bài tập tự luận Bài 1 (Cần Thơ – 1999). Điện phân một dung dịch NaCl cho đến khi hết muối với dòng điện một chiều, cường độ dòng điện là 1.61A; thấy mất hết 60 phút. Tính khối lượng khí Cl 2 bay ra, biết bình điện phân có màng ngăn, điện cực trơ. E:\Mr He\CHUYEN DE\Điện phân.doc 10 [...]... Nội – 1997) Điện phân 200 ml dung dịch CuSO 4, dùng hai điện cực trơ và dòng điện một chiều cường độ 1A Kết thúc điện phân khi ở catot bắt đầu có bọt khí thoát ra Để trung hòa dung dịch sau điện phân đã dùng vừa đủ 50 ml dung dịch NaOH 0.2M Biết hiệu suất điện phân là 100% a Viết các phương trình phản ứng xảy ra trên các điện cực và phương trình biểu diễn sự điện phân b Tính thời gian điện phân và nồng... khi thu đượcr catot 14.75 gam kim loại thì ngừng điện phân a Tính thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc) b Tính thời gian thực hiện sự điện phân Biết rằng: Cường độ dòng điện một chiều I = 25A c Tính nồng độ phần trăm của các chất có trong dung dịch sau điện phân Cho biết sự điện phân thực hiện với điện cực trơ và có vách ngăn giữa các điện cực Bài 7: Điện phân một thời gian 250 gam dung dịch Cu(NO 3)2... trình điện phân trên dùng dòng điện một chiều có I = 5A, tính thời gian điện phân Bài 8: Cho 200 gam dung dịch X chứa AgNO3 Điện phân dung dịch X một thời gian thì dừng lại, thu được dung dịch Y Sau khi ngừng điện phân, thêm dung dịch NaCl vào dung dịch Y thì không thấy có kết tủa xuất hiện Sau khi điện phân kết thúc, khối lượng catot tăng 2.16 gam a Tính nồng độ % của dung dịch AgNO3 trước khi điện phân. .. chưa điện phân Tính nồng độ mol/l của dung dịch Cu(NO3)2 trước điện phân Loại 2.1.2: Bài tập trắc nghiệm Bài 1: Khối lượng Cu ở catot thu được khi điện phân dung dịch CuSO 4 (điện cực trơ) sau 30 phút với cường độ dòng điện là 0.5A A 0.3 gam B 0.45 gam C 1.29 gam D 0.4 gam Bài 2: Tiến hành điện phân 400 ml dung dịch CuSO 4 0.5M với cường độ dòng điện 1.34A trong vòng 24 phút Hiệu suất phản ứng điện phân. .. C 500s D 750s Loại 2.2.2: Điện phân chéo Loại 2.2.2.1: Bài tập tự luận Bài 1: Viết sơ đồ điện phân đến khi H2O bị điện phân ở cả hai điện cực, khi điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) dung dịch chứa a mol CuSO 4 và b mol NaCl trong 3 trường hợp: b =2a, b < 2a và b > 2a Bài 2: Điện phân 500 ml dung dịch hỗn hợp gồm MgCl 2 1M và CuSO4 0.8M trong 6 giờ với cường độ dòng điện một chiều I = 2.68A... điện phân trong bao lâu để có được nước bị điện phân ở cả hai điện cực c Tính pH dung dịch ngay khi ấy Nếu tiếp tục điện phân thì pH dung dịch sẽ thay đổi như thế nào? (tăng hay giảm) Giả sử thể tích của dung dịch không thay đổi trong suốt quá trình điện phân muối Bài 4: Tiến hành điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) một dung dịch chứa m gam hỗn hợp CuSO4 và NaCl cho đến khi H2O bắt đầu bị điện. .. pH của dung dịch sau điện phân là A 2,0 B 1,7 C 1,4 D 1,2 Câu 9: Cho dòng điện một chiều có cường độ 2A qua dung dịch NiSO 4 một thời gian, thấy khối lượng catot tăng 2,4 gam, hiệu suất điện phân là 80% Thời gian điện phân là A 1giờ 22 phút B 224 phút C 2 giờ D 1 giờ 45 phút Câu 10: Điện phân 100ml dung dịch AgNO 3 1M với điện cực trơ, hiệu suất điện phân 100% với cường độ dòng điện là 9,65A đến khi... lít O2 Bài 7: Điện phân 500 ml dung dịch AgNO3 với điện cực trơ cho đến khi catot bắt đầu có khí thoát ra thì ngừng điện phân Để trung hòa dung dịch sau điện phân cần 800 ml dung dịch NaOH 1M a Tính nồng độ mol/l của dung dịch AgNO3 ban đầu A 1.6M B 0.8M C 2.4M D 3.2M b Tính thời gian điện phân, biết cường độ dòng điện I=20A A 1930 giây B 3860 giây C 9650 giây D 7720 giây Bài 8: Điện phân 2 lít dung... 9: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ, màng ngăn xốp, cường độ dòng điện một chiều là 1.93A Tính thời gian điện phân để thu được dung dịch có pH = 12, thể tích dung dịch được xem như không đáng kể, hiệu suất phản ứng điện phân là 100% A 100 giây B 50 giây C 150 giây D 200 giây Bài 10: Cho dòng điện một chiều 10A qua 400 cm 3 dung dịch H2SO4 0.5M (điện cực trơ) Tính thời gian điện phân. .. dịch sau khi điện phân (dung dịch Y) có khối lượng 197.5 gam (giả thiết H 2O không bị hay hơi trong quá trình điện phân) Tính thể tích khí thoát ra ở anot khi ngừng điện phân (ở đktc) E:\Mr He\CHUYEN DE \Điện phân. doc 11 Hoàng Ngọc Hiền (Yên Phong 2 – Bắc Ninh) Email: ongdolang@gmail.com Bài 9 (Đại học Sư phạm II – 2000) Điện phân 200 ml dung dịch CuSO 4 với các điện cực trơ bằng dòng điện một chiều . phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan. II – SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI 1. Điện phân chất điện li nóng chảy Trong thực. bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết 9. Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân. ongdolang@gmail.com ĐIỆN PHÂN I – KHÁI NIỆM Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Sự điện phân