Đang tải... (xem toàn văn)
Ba phương pháp để điều chế kim loại gồm nhiệt luyện, thủy luyện và điện phân nóng chảy, điện phân dung dịch. Phân loại và hướng giải quyết các dạng bài tập trong đó chủ yếu là dạng bài tập điện phân. Bài tập có giải chi tiết và luyện tập.
Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI I – NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI Khử ion kim loại thành nguyên tử Mn+ + ne => M PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN (điều chế kim loại có tính khử trung bình, yếu (Zn, Fe, Sn, Pb,…) Khử ion kim loại hợp chất nhiệt độ cao chất khử C, CO, H2 kim loại hoạt động Al Thí dụ: PbO + CO => Pb + CO2 3Fe3O4 + 8Al => 9Fe + 4Al2O3 Fe2O3 + 3H2 => 2Fe + 3H2O PHƯƠNG PHÁP THUỶ LUYỆN (điều chế kim loại có tính khử yếu) Cu, Hg, Ag, Au Dùng kim loại có tính khử mạnh để khử ion kim loại yếu dd muối Thí dụ: Fe + CuSO4 => FeSO4 + Cu Fe + Cu2+ => Fe2+ + Cu PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ ĐIỆN PHÂN B Các trường hợp điện phân Điện phân nóng chảy Phương pháp điện phân nóng chảy áp dụng điều chế kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al a) Điện phân nóng chảy oxit: áp dụng điều chế Al + Catot (-): Al3+ + 3e → Al + Anot (+): 2O2- + 4e → O2 Pt điện phân: 2Al2O3 > 4Al+3O2 (phương pháp điều chế Al công nghiệp điện phan nóng chảy quặng boxit Al2O3 2H2O) b) Điện phân nóng chảy hiđroxit Điện phân nóng chảy hiđroxit kim loại nhóm IA , , để điều chế kim loại tương ứng 2M(OH)n >2M+n/2O2+nH2O c) Điện phân nóng chảy muối clorua Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) Điện phân nóng chảy muối clorua kim loại kiềm kim loại kiềm thổ để điều chế kim loại tương ứng MCln ->M+n/2Cl2 Điện phân dung dịch - Áp dụng để điều chế kim loại trung bình, yếu - Trong điện phân dung dịch nước giữ vai trò quan trọng: + Là môi trường để cation anion di chuyển cực + Có thể tham gia vào trình điện phân: Tại catot (-) H2O bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH– Tại anot (+) H2O bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Về chất nước nguyên chất không bị điện phân điện trở lớn (I=0) Do muốn điện phân nước cần hoà thêm chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh - Tại catot (cực âm) xảy trình khử M+, H+ (axit), H2O theo quy tắc theo thứ tự: Dễ nhận e ion (+) KL yếu Mg trở Dễ nhận thứ ion H+ axit 2H+ + 2e > H2 Khó nhận e ion KL mạnh Na+, K+ ( coi không điện phân) + Ví dụ điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 HCl thứ tự ion bị khử là: Fe3+ + 1e → Fe2+ ; Cu2+ + 2e → Cu ; 2H+ + 2e → H2 ; Fe2+ + 2e → Fe- Tại catot (cực âm): Dễ nhường e ion (-) gốc axit Oxi: Cl-, Br-, Bị oxi hóa theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O Các anion gốc axit có oxi NO3–, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–…không bị oxi hóa C Công thức Faraday Dựa vào công thức biểu diễn định luật Faraday ta xác định khối lượng chất thu điện cực: m=AIt/nF A: khối lượng mol n: số e mà nguyên tử ion cho nhận I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian điện phân (giây) F: số Faraday: F=96500 Công thức tính nhanh số mol e trao đổi :n(e trao đổi)=It/F II – MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA Ví dụ 1: Điện phân hòa toàn 2,22 gam muối clorua kim loại trạng thái nóng chảy thu 448 ml khí (ở đktc) anot Kim loại muối là: A Na B Ca C K D Mg Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) Hướng dẫn: nCl2 = 0,02 Tại catot: Mn+ + ne → M Theo đlbt khối lượng mM = m(muối) – m(Cl2) = 2,22 – 0,02.71 = 0,8 gam Tại anot: 2Cl– → Cl2 + 2e Theo đlbt mol electron ta có nM = → M = 20.n → n = M Ca (hoặc viết phương trình điện phân MCln M + n/2Cl2 để tính) → đáp án B Ví dụ 2: Tiến hành điện phân (với điện cực Pt) 200 gam dung dịch NaOH 10 % đến dung dịch NaOH bình có nồng độ 25 % ngừng điện phân Thể tích khí (ở đktc) thoát anot catot là: A 149,3 lít 74,7 lít B 156,8 lít 78,4 lít C 78,4 lít 156,8 lít D 74,7 lít 149,3 lít Hướng dẫn: mNaOH (trước điện phân) = 20 gam Điện phân dung dịch NaOH thực chất điện phân nước: H2O → 1/2 O2 (anot) + H2 (catot) → NaOH không đổi → m (dung dịch sau điện phân) = 80 gam → m (H2O bị điện phân) = 200 – 80 = 120 gam → nH2O = 20/3 mol → VO = 74,7 lít VH= 149,3 lít → đáp án D Ví dụ 3: Sau thời gian điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 ( d = 1,25 g/ml) với điện cực graphit (than chì) thấy khối lượng dung dịch giảm gam Để làm kết tủa hết ion Cu2+ lại dung dịch sau điện phân cần dùng 100 ml dung dịch H2S 0,5 M Nồng độ phần trăm dung dịch CuSO4 ban đầu là: A 12,8 % B 9,6 % C 10,6 % D 11,8 % Hướng dẫn: nH2S = 0,05 mol - Gọi x số mol CuSO4 tham gia trình điện phân: CuSO4 + H2O → Cu + 1/2O2 + H2SO4 (1) → m (dung dịch giảm) = m Cu(catot) + m O2(anot) = 64x + 16x = → x = 0,1 mol - CuSO4 + H2S → CuS + H2SO4 (2) → nH2S = nCuSO4 = 0,05 mol - Từ (1) (2) → nCuSO4 (ban đầu) = 0,1 + 0,05 = 0,15 (mol) → C% = → đáp án B Ví dụ 4: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2 M với cường độ dòng điện 9,65A Tính khối lượng Cu bám vào catot thời gian điện phân t1 = 200 s t2 = 500 s Biết hiệu suất điện phân 100 % A 0,32 gam 0,64 gam B 0,64 gam 1,28 gam C 0,64 gam 1,60 gam D 0,64 gam 1,32 gam Hướng dẫn: nCuSO4 = 0,02 = nCu2+ Thời gian cần thiết để điện phân hết Cu2+ t = s → t1 < t < t2 → Tại t1 có 1/2 số mol Cu2+ bị điện phân → m1 = 0,01.64 = 0,64 gam t2 Cu2+ bị điện phân hết → m2 = 1,28 gam → đáp án B Ví dụ 5: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ cường độ dòng điện 1A Khi thấy catot bắt đầu có bọt khí thoát dừng điện phân Để trung hòa dung dịch thu sau điện phân cần dùng 100 ml dung dịch NaOH 0,1M Thời gian điện phân nồng độ mol dung dịch CuSO4 ban đầu là: A 965 s 0,025 M B 1930 s 0,05 M C 965 s 0,05 M D 1930 s 0,025 M Hướng dẫn: nNaOH = 0,01 mol - Khi catot bắt đầu có bọt khí (H2) thoát chứng tỏ CuSO4 bị điện phân hết theo phương trình:CuSO4 + H2O → Cu + 1/2O2 + H2SO4 nNaOH = nOH– = 0,01 mol → nH2SO4 = 0,5.nH+ = 0,5.nOH– = 0,005 (mol) → nCu = nCuSO4 = 0,005 (mol) → = 0,005 → t = 965 s CM(CuSO) = M (hoặc dựa vào phản ứng thu nhường electron điện cực để tính) → đáp án A Ví dụ 6: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp AgNO3 0,1 M Cu(NO3)2 0,2 M với điện cực trơ cường độ dòng điện 5A Sau 19 phút 18 giây dừng điện phân, lấy Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) catot sấy khô thấy tăng m gam Giá trị m là: A 5,16 gam B 1,72 gam C 2,58 gam D 3,44 gam Hướng dẫn: nAg+ = 0,02 mol ; nCu2+ = 0,04 mol - Ta có ne = mol - Thứ tự ion bị khử catot: Ag+ + 1e → Ag (1) → sau (1) 0,06 – 0,02 = 0,04 mol electron 0,02 0,02 0,02 Cu2+ + 2e → Cu (2) → sau (2) dư 0,02 mol Cu2+ 0,02 0,04 0,02 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 CuSO4.5H2O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6 M thu dung dịch X Đem điện phân dung dịch X (các điện cực trơ) với cường độ dòng điện 1,34A Khối lượng kim loại thoát catot thể tích khí thoát anot (ở đktc) (Biết hiệu suất điện phân 100 %): A 6,4 gam 1,792 lít B 10,8 gam 1,344 lít C 6,4 gam 2,016 lít D 9,6 gam 1,792 lít Hướng dẫn: nCuSO4.5H2O = nCuSO4 = 0,2 mol ; nHCl = 0,12 mol - Ta có ne = mol Thứ tự điện phân catot anot là: Tại catot: Cu2+ + 2e → Cu → Cu2+ chưa bị điện phân hết → m (kim loại catot) = 0,1.64 = 6,4 gam 0,1 0,2 0,1 Tại anot: 2Cl– → Cl2 + 2e → ne (do Cl– nhường) = 0,12 < 0,2 mol → anot Cl– bị điện phân hết 0,12 0,06 0,12 đến nước bị điện phân → ne (do H2O nhường) = 0,2 – 0,12 = 0,08 mol2H2O → O2 + 4H+ + 4e 0,02 0,08 V (khí thoát anot) = (0,06 + 0,02).22,4 = 1,792 lít → đáp án A Ví dụ 8: Có 200 ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO3)2 AgNO3, để điện phân hết ion kim loại dung dịch cần dùng cường độ dòng điện 0,402A Sau điện phân xong thấy có 3,44 gam kim loại bám catot Nồng độ mol Cu(NO3)2 AgNO3 hỗn hợp đầu là: A 0,2 M 0,1 M B 0,1 M 0,2 M C 0,2 M 0,2 M D 0,1 M 0,1 M Hướng dẫn: - Ta có ne = mol - Tại catot: Ag+ + 1e → Ag Ta có hệ phương trình: x x (mol) Cu2+ + 2e → Cu → CM Cu(NO3)2 = CM AgNO3 = 0,1 M → đáp án D y y (mol) Ví dụ 9: Hòa tan 4,5 gam tinh thể MSO4.5H2O vào nước dung dịch X Điện phân dung dịch X với điện cực trơ cường độ dòng điện 1,93A Nếu thời gian điện phân t (s) thu kim loại M catot 156,8 ml khí anot Nếu thời gian điện phân 2t (s) thu 537,6 ml khí Biết thể tích khí đo đktc Kim loại M thời gian t là: A Ni 1400 s B Cu 2800 s C Ni 2800 s D Cu 1400 s Hướng dẫn: Gọi nMSO4 = nM2+ = x mol Ví dụ 10: Mắc nối tiếp hai bình điện phân: bình (1) chứa dung dịch MCl2 bình (2) chứa dung dịch AgNO3 Sau phút 13 giây catot bình (1) thu 1,6 gam kim loại catot bình (2) thu 5,4 gam kim loại Cả hai bình không thấy khí catot thoát Kim loại M là: A Zn B Cu C Ni D Pb Hướng dẫn: - Do hai bình mắc nối tiếp nên ta có: Q = I.t = → M = 64 → Cu → đáp án B Ví dụ 11: Điện phân nóng chảy Al2O3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100 %) thu m kg Al catot 67,2 m3 (ở đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro 16 Lấy 2,24 lít (ở đktc) hỗn hợp khí X sục vào dung dịch nước vôi (dư) thu gam kết tủa Giá trị m là: A 54,0 kg B 75,6 kg C 67,5 kg D 108,0 kg Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) Hướng dẫn: 2Al2O3 4Al + 3O2 (1) ; C + O2 CO2 (2) ; 2C + O2 2CO (3) - Do X = 32 → hỗn hợp X có CO2 ; CO (x mol) O2 dư (y mol) - 2,24 lít X + Ca(OH)2 dư → 0,02 mol kết tủa = nCO2 → 67,2 m3 X có 0,6 CO2 - Ta có hệ phương trình: 0,6 + x + y = → x = 1,8 y = 0,6 Từ (1) ; (2) ; (3) → mAl = kg → đáp án B III Bài tập luyện thêm Câu 1: Cho dòng điện có cường độ không đổi qua bình điện phân mắc nối tiếp, bình chứa 100ml dd CuSO4 0,01M, bình chứa 100ml AgNO3 0,01M Biết sau thời gian điện phân 500s bên bình xuất khí bên catot Cường độ dòng điện, khối lượng Cu bám catôt thể tích khí (đktc) xuất bên anot bình là: A 0,193A; 0,032g Cu; 11,2ml O2 B 0,386A; 0,064g Cu; 22,4ml O2 C 0,193A; 0,032g Cu; 22,4ml O2 D 0,193A; 0,032g Cu; 5,6ml O2 Câu 2: Điện phân 400ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ dòng điện I=10A thời gian t, ta thấy có 224ml khí (đktc) thoát anot Giả thiết điện cực trơ hiệu suất 100% Thời gian điện phân là: A phút 26 giây B phút 10 giây C phút 20 giây D phút 12 giây Câu : Khi điện phân dung dịch muối, giá trị pH gần điện cực tăng lên Dung dịch muối là: A KCl B CuSO4 C AgNO3 D K2SO4 Câu 4: Điện phân (điện cực trơ, có vách ngăn) dung dịch có chứa ion: Fe2+, Fe3+, Cu2+ Thứ tự xảy khử catot là: A Fe3+, Cu2+, Fe2+ B Cu2+, Fe3+, Fe2+ C Fe3+, Fe2+, Cu2+ D Fe2+, Fe3+, Cu2+ Câu 5: Điện phân 400ml dung dịch AgNO3 0,2M Cu(NO3)2 0,1M với cường độ dòng điện I=10A, anot bạch kim Sau thời gian t, ta ngắt dòng điện, thấy khối lượng catot tăng thêm m gam có 1,28g Cu Thời gian điện phân t là: (hiệu suất điện phân 100% ) A 19,3s B 1158s C 772s D 193s Câu 7: Điện phân 200ml dung dịch CuSO4 0,1M MgSO4 bắt đầu xuất khí bên catot ngừng điện phân Tính khối lượng kim loại bám catot thể tích khí thu bên anot A 1,28g; 1,12 lít B 0,64g; 1,12 lít C 0,64g; 2,24 lít D 1,28g; 2,24 lít Câu 8: Điện phân dung dịch CuSO4 NaCl với số mol , dung dịch có chứa vài giọt quỳ tím Điện phân với điện cực trơ Màu quỳ tím biến đổi trình điện phân? A đỏ sang xanh B tím sang đỏ C xanh sang đỏ D tím sang xanh Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) Câu 9: Điện phân bình điện phân mắc nối tiếp Bình chứa 100ml dung dịch CuSO4 0,1M, bình chứa 100ml dung dịch NaCl 0,1M Ngừng điện phân dung dịch thu bình có pH=13 Nồng độ ion Cu2+ lại bình (thể tích dung dịch coi không đổi) là: A 0,04M B 0,1M C 0,08M D 0,05M Câu 10: Thực phản ứng điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp CuSO4 NaCl với cường độ dòng điện 5A Đến thời điểm t, điện cực nước bắt đầu điện phân ngắt dòng điện Dung dịch sau điện phân hoà tan vừa đủ 1,6g CuO anot bình điện phân có 448ml khí bay (đktc) Khối lượng dung dịch giảm phản ứng điện phân là: A 3,59g B 3,15g C 1,295g D 2,95g Câu 11: Thực phản ứng điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp CuSO4 NaCl với cường độ dòng điện 5A Đến thời điểm t, điện cực nước bắt đầu điện phân ngắt dòng điện Dung dịch sau điện phân hoà tan vừa đủ 1,6g CuO anot bình điện phân có 448ml khí bay (đktc) Nếu thể tích dung dịch không thay đổi V= 500ml nồng độ mol chất dung dịch là: A 0,04M; 0,08M B 0,12M; 0,04M C 0,3M; 0,05M D 0,02M; 0,12M Câu 12: Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ dòng điện I= 9,65A Khối lượng Cu bám catot thời gian diện phân t1= 200s t2= 500s (hiệu suất điện phân 100%) A 0,32g; 0,64g B 0,32g; 1,28g C 0,64g; 1,28g D 0,64g; 1,32g Câu 13: Điện phân 400ml dung dịch AgNO3 0,2M Cu(NO3)2 0,1M với cường độ dòng điện I=10A, anot bạch kim Sau thời gian t, ta ngắt dòng điện, thấy khối lượng catot tăng thêm m gam có 1,28g Cu Giá trị m là: A 11,2g B 1,28g C 9,92g D 2,28g Câu 14: Điện phân (có màng ngăn, điện cực trơ) dung dịch chứa hỗn hợp CuSO4 NaCl Dung dịch sau điện phân hoà tan bột Al2O3 Dung dịch sau điện phân chứa: A H2SO4 NaOH B NaOH C H2SO4 D H2O Câu 15: Điện phân 400ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ dòng điện I=10A thời gian t, ta thấy có 224ml khí (đktc) thoát anot Giả thiết điện cực trơ hiệu suất 100% Khối lượng catot tăng lên là: A 1,28g B 0,75g C 2,5g D 3,1g Câu 16: Điện phân 100ml dung dịch chứa CuSO4 0,2M AgNO3 0,1M, với cường độ dòng điện I=1,93A Tính thời gian điện phân để khối lượng kim loại bám catot 1,72g Trần Thị Yến (sđt: 01288454590, gmail: tranthiyen.hk@gmail.com) A 500s B 1000s C 750s D 250s Câu 17: Điện phân dung dịch NaOH với cường độ dòng điện 10A thời gian 268 Sau điện phân lại 100g dung dịch NaOH có nồng độ 24% Nồng độ % dd NaOH trước điện phân là: A 4,2% B 2,4% C 1,4% D 4,8% Câu 18: Điện phân 400ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ dòng điện I=10A thời gian t, ta thấy có 224ml khí (đktc) thoát anot Giả thiết điện cực trơ hiệu suất 100% Nếu thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể nồng độ ion H+ dung dịch sau điện phân là: A 0,1M B 0,3M C 0,4M D 0,02M Câu 19: Cho dung dịch sau: KCl, Na2SO4, KNO3, AgNO3, ZnSO4, NaCl, NaOH, CaCl2, H2SO4 Dung dịch điện phân thực chất điện phân nước? A KCl, Na2SO4, KNO3 B Na2SO4, KNO3, H2SO4, NaOH C Na2SO4, KNO3, CaCl2, H2SO4, NaOH D KNO3, AgNO3, ZnSO4, NaCl, NaOH Câu 20: Điện phân 500ml dung dịch AgNO3 0,1M Cu(NO3)2 0,2M với cường độ dòng điện I = 10A điện cực trơ Sau thời gian t ta ngắt dòng điện Dung dịch sau điện phân lấy để đo nồng độ chất Nếu hiệu suất điện phân 100% thể tích dung dịch coi không thay đổi, nồng độ mol ion H+ 0,16M Nồng độ mol/l muối nitrat dd sau điện phân là: A 0,2M B 0,17M C 0,15M D 0,3M ... dịch - Áp dụng để điều chế kim loại trung bình, yếu - Trong điện phân dung dịch nước giữ vai trò quan trọng: + Là môi trường để cation anion di chuyển cực + Có thể tham gia vào trình điện