Tài liệu Một số bài tập phân tích điện phân docx

Một số bài tập phân tích điện phân
Câu 1: Điện phân dung dịch NaCl dùng điện cực catot là hỗn hống Hg
dòng chảy đều và dùng cực titan (Ti) bọc ruteni (Ru) và rodi (Rd) làm
anot. Khoảng cách giữa catot và anot khoảng vài milimet
1. Viết các phương trình phản ứng xảy ra tại các điện cực khi mới bắt
đầu điện phân (pH =7). Tín các giá trị thế điện cực và thế phân giải.
2. Sau một thời gian pH tăng lên 11. Giải thích tại sao? Viết các phương
trình phản ứng tại pH đó?
3. Tính thế điện cực và thế phân giải
Cho:
 


 
  
   
     
  
  
    
   
  !"#"$%$&
 '($)($!"*+$& ,-
 
+ +
+
−
= − = =
= −
=
η = η = 

(Theo đề thi Olympic Hoá học tại Áo 1996)
Giải:
1. Trong dung dịch NaCl có
NaCl → Na
+
+ Cl
-
.
H
2
O
ƒ
H
+
+ OH
-
.
Khi điện phân:
Ở catot:
Na
+
+ Hg + e
ƒ
Na(Hg) (1)
H
2
O
ƒ
H
+

+ OH
-
. | x2
2H
+
+ 2e → H
2

2H
2
O + 2e
ƒ
H
2
 + 2OH
-
. (2)
Ở anot:
2H
2
O
ƒ
O
2
 + 4H
+
+ 4e (3)
2Cl
-

ƒ
Cl
2
 + 2e (4)
  
 
+
= −


  
  !. '
+
−
= + = −

 
/

     
  '  
+ +
= + η = − − = −
0

/ 
        
        
+ +
⇒ = − > = − > = −

vì
vậy khi mới bắt đầu điện phân ở catot quá trình xảy ra sẽ là quá trình (2),
có H
2
giải phóng ra ở catot.
Ở anot: Từ (3) ta có:
2 2 2 2
0 + 7
O /H O O /H O
E = E + 0,059 .log[H ] 1,23 0,059log10 0,817V
−
= + =
2 2 2 2 2
'
O /H O O /H O O
E = E + 0,817 0,80 1,617Vη = + =
 

/
   
  
1234(45  '   6
−
= < =
nên ở anot xảy ra quá
trình (4), có Cl
2
thoát ra.
Vậy phản ứng điện phân xảy ra là
Ở catot: 2H

2
O +2e
ƒ
H
2
 + 2OH
-
.
Ở anot: 2Cl
-
ƒ
Cl
2
 + 2e
2Cl
-
+ 2H
2
O
ƒ
H
2
 + Cl
2
 + 2OH
-
.
Thế phân giải:
/ /
 (

   '  != − = + =
2. Sau thời gian điện phân, nồng độ OH
-
tăng lên nên pH tăng, đạt tới 11.
Ở pH = 11, phản ứng điện phân xảy ra:
Ở catot:pH = 11,
7 8
+
=10
-11
M


  
  !. 6'.
+
−
= + = −

 
/

     
  6'.  .'.
+ +
= + η = − − = −
0

/ 
        

     .'.   
+ +
⇒ = − > = − > −
vì
vậy nên ở catot có quá trình (1) xảy ra: Na
+
+ Hg + e
ƒ

Na(Hg)
Ở anot
2 2 2 2
0 + 11
O /H O O /H O
E = E + 0,059 .log[H ] 1,23 0,059log10 0,581V
−
= + =
2 2 2 2 2
'
O /H O O /H O O
E = E + 0,581 0,80 1,3811Vη = + =
 

/
   
  
1234(45  '   
−
= < =
nên ở anot vẫn có Cl

2

thoát ra:
Quá trình điện phân:
2x | Na
+
+Hg +e
ƒ
Na(Hg)
2Cl
-
ƒ
Cl
2
 + 2e
2Na
+
+ 2Cl
-
+ 2Hg
ƒ
Cl
2
 + 2Na(Hg)
Thế phân giải:
V = E
’
a
– E
’

c
= 1,34 + 1,78 = 3,12V
Câu 2: Điện phân dung dịch NiSO
4
0,100M có pH = 2,00 dùng điện cực Pt.
1. Tính thế catot cần thiết để có kết tủa Ni ở catot
2. Tính điện áp cần tác dụng để có quá trình điện phân đầu tiên
3. Tính điện áp phải tác dụng để [Ni
2+
] còn lại bằng 1,0.10
-4
M.

  
 
    
  
$   9
+
= − = η =

Điện trở bình điện phân: R = 3,15
Ω
; I =1,10A
Giải:
1. Để có kết tủa Ni ở catot thì thế catot E
c
<

  


+
(Ni
2+
+2e
ƒ
Ni)
Mà

  

+
=


  

+
+
!.


[Ni
2+
]
= ─ 0,230+
!.


10

-1
= ─0,2595V
Vậy để có kết tủa Ni xuất hiện ở catot thì thế catot E
c
< ─0,2595V
2. Các quá trình phản ứng điện cực:
Ở catot: có các quá trình:
Ni
2+
+ 2e
ƒ
Ni (1)

  

+
= ─0,2595V
2H
+
+ 2e
ƒ
H
2
 (2)

  

+
=



  

+
+ 0,059log
7 8
+
= 0,00 + 0,059log 10
-2
= ─0,118V >

  

+
⇒
Khi bắt đầu điện phân sẽ xảy ra quá trình (2)
Ở anot:
2H
2
O
ƒ
O
2
+ 4H
+
+ 4e
2 2 2 2
0 + 2
O /H O O /H O
E = E + 0,059 .log[H ] 1,23 0,059log10 1,112V

−
= + =
Ta có: Điện áp tối thiểu cần đặt vào để quá trình điện phân bắt đầu
xảy ra là:
V = (E
a
+
η
a
) – (E
c
+
η
c
) + IR
⇒
V = (1,112 + 0,80) –(─ 0,118+0,00) + 1,10 .3,15 = 5,495V
Vậy khi đặt vào một điện áp tối thiểu là 5,495V thì quá trình điện
phân bắt đầu xảy ra.
3. Để [Ni
2+
] còn 1,0.10
- 4
M thì lúc đó thế catot:
E
c
=

  


+
= ─0,230 +
!.


10
-4
= ─0,348V
Khi đó điện áp phải tác dụng là:
V = (E
a
+
η
a
) – (E
c
+
η
c
) + IR
⇒
V = (1,112 + 0,80) –(─ 0,348+0,00) + 1,10 .3,15 = 5,725V
Vậy phải đặt vào một điện áp bằng 5,725 để nồng độ Ni
2+
còn lại sau
quá trình điện phân là 1,0.10
-4
M
Câu 3: Điện phân dung dịch Co
2+

0,100M và Cd
2+
0,0500M.
1. Tính nồng độ Co
2+
khi Cd
2+
bắt đầu bị điện phân.
2. Tính thế catot cần để làm giảm nồng độ ion Co
2+
xuống còn 1,0.10
-6

M.
Để Cd
2+
bắt đầu điện phân: Cd
2+
+ 2e
ƒ
Cd
0 0
 
     
$  '= − = −
Giải:
1. Tính nồng độ Co để Cd
2+
bắt đầu bị điện phân.
Các phản ứng điện cực ở catot:

Co
2+
+ 2e
ƒ
Co
Cd
2+
+ 2e
ƒ
Cd
Để Cd bắt đầu bị điện phân thì thế catot
2+ 2+
0 2+
c
Cd /Cd Cd /Cd
0,059
E =E E log[Cd ]
2
= +
⇒
E
c
= ─ 0,402 +
!.


0,0500= ─ 0,440V
Khi đó:
2+ 2+
0 2+

c
Co /Co Co /Co
0,059
E E =E log[Co ]
2
= +
0
c 2
Co / Co
2*(E E )
2
0,059
[Co ] = 10
+
−
+
⇒
=
2*(-0,44 0,28)
3
0,059
10 1,94.10 M
+
−
=
Như vậy ta không thể tách hoàn toàn Co ra khỏi Cd
2. Tính thế catot để nồng độ Co
2+
giảm xuống còn 1,0.10
-6

M
Ta có:
2+ 2+
0 2+
c
Co /Co Co /Co
0,059
E =E E log[Co ]
2
= +
= ─ 0,280 +
!.


10
-6
= ─ 0,457V
Vậy khi thế catot còn ─ 0,457V thì nồng độ Co
2+
chỉ còn 1,0.10
-6
M
(Co
2+
xem như đã tách hoàn toàn ra khỏi dung dịch điện phân)
Câu 4: Tính thời gian cần thiết khi điện phân dung dịch Co(II) để làm kết
tủa được
1. 0,500 gam Co kim loại lên catot
2. 0,602 gam Co
3

O
4
lên anot
Biết cường độ dòng điện phân là 1,00A;
0

  
 = −
Giải:
1. Tính thời gian điện phân để kết tủa được 0,500 gam Co kim loại lên catot
Phản ứng điện cực ở catot: Co
2+
+ 2e
ƒ
Co
Áp dụng định luật Micheal Faraday ta có:
1 A n.F.m 2.96500.5,00
m . . It t 16355,93s 4,54gi
F n A.I 59.1
= ⇒ = = = = :
Như vậy, để kết tủa được 0,500 gam Co thì phải tiến hành điện phân với
cường độ dòng điện 1A trong thời gian là 4,54 giờ.
2. Tính thời gian điện phân để kết tủa được 0,602 gam Co
3
O
4
lên catot
Ở catot: 3Co
2+
+ 4H

2
O + 6e
ƒ
Co
3
O
4
 + 4H
2

n.F.m 6.96500.0,602
t 14463s 4gi
A.I 241.1
:= = = ≈
Như vậy, để kết tủa được 0,602g Co
3
O
4
thì phải tiến hành điện phân với
cường độ dòng điện 1A trong thời gian là 4 giờ.
Câu 5: Tiến hành điện phân một muối clorua kim loại nóng chảy, thu được
7,8 gam kim loại ở anot và 2,24 lít khí (đktc) ở anot. Xác định muối đem
điện phân.
Giải:
Các phản ứng điện cực:
Ở catot: M
n+
+ ne
ƒ
M

Ở anot: 2Cl
-

ƒ
Cl
2
+ 2e
Phản ứng: 2MCl
n

3;(
→
2M + nCl
2

2
Cl
2 2.2,24 0,2
Theo ph n (mol)
n n.22,4 n
<
 =>5 = = =
7,8.n
39n
0,2
?
<@

= =
n 1 2 3

M
39
(K)
78
(loại)
117
(loại)
Vậy muối đã cho là K
Câu 6: Tiến hành điện phân 100 ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO
3
)
2
0,15 M và
AgNO
3
0,1 M (điện cực trơ) với cường độ dòng điện là 1A. Tính khối lượng
các chất thu được ở anot và catot khi thời gian điện phân là:
a) 16 phút 5 giây; b) 32 phút 10 giây; c) 64 phút 20 giây.
Giải:
Theo bài ra ta có:
2
Cu
n 0,1.0,1 0,01mol; 0,15.0,1 0,015mol
0
A

+
= = = =
Các phản ứng điện cực:
Ở catot:

Ag
+
+ e → Ag
2
Cu
+
+ 2e → Cu
Ở anot: 2H
2
O
ƒ
O
2
 + 4H
+
+ 4e
Thời gian điện phân hết
Ag
+
là:
Ag
1 A n.F.m F 96500
m . . It t n . 0,01. 965s 16ph
F n A.I I 1
 B! CD
+
= ⇒ = = = = =
Thời gian để điện phân hết
2
Cu

+
:
2
Cu
2.F 2.96500
t n . 0,015. 2895s 48ph
I 1
B! CD
+
= = = =
Như vậy, sau 16phút 5giây + 48 phút 15giây = 64phút 20giây thì cả Cu
2+
và
Ag
+
đều bị điện phân hết
a) Sau 16phút 5 giây
Ở catot: Cu
2+
chưa bị điện phân; Ag
+
điện phân hết
Lúc đó:
Ag
Ag
n n 0,01mol
+
= =
⇒
m

Ag
= 0,01.108 = 1,08g
Ở anot:
2
O
1 A 1 32
m . I.t . .1.(16.60 5) 0,08g
F n 96500 4
= = + =
b) Sau 32phút 10giây:
Ở catot: Ag
+
đã bị điện phân hết:
⇒
m
Ag
= 1,08g
Thời gian điện phân Cu
2+
là: t = 32phút 10giây – 16phút 5giây = 16phút 5
giây
Cu
1 A 1 64
m . I.t . .1.(16.60 5) 0,32g
F n 96500 2
= = + =
Ở catot:
2
O
1 A 1 32

m . I.t . .1.(32.60 10) 0,16g
F n 96500 4
= = + =
c) Sau 64phút 20 giây:
Ở catot: Ag
+
và Cu
2+
đều bị điện phân hết vừa hết
⇒
m
Ag
= 1,08g
2
Cu
Cu
n n 0,015mol 0,015.64 0,96g

 ?
+
= = ⇒ = =
Ở anot:
2
O
1 A 1 32
m . I.t . .1.(64.60 20) 0,32g
F n 96500 4
= = + =
Câu 7: Tiến hành điện phân 3 bình điện phân mắc nối tiếp (điện cực trơ):
bình 1 đựng dung dịch CuSO

4
; bình 2 đựng dung dịch NaCl (có màng ngăn
giữa 2 điện cực); bình 3 đựng dung dịch AgNO
3
. Hỏi khi ở catot bình 1 thoát
ra 1,6 gam kim loại thì ở các điện cực còn lại thoát ra những chất gì? bao
nhiêu gam? Biết các chất ban đầu trong các bình điện phân chưa hết.
(Hoá Lí tập IV - Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế)
Giải:
Các phản ứng điện phân ở điện cực catot trong các bình điện phân:
Bình 1: Cu
2+
+ 2e
ƒ
Cu
Bình 2: H
2
O + 2e
ƒ
H
2
 + OH
-
.
Bình 3: Ag
+
+ e
ƒ
Ag
Cách 1: Ở catot bình 1 thoát ra 1,6g kim loại

⇒
số đương lương đồng thoát
ra ở catot là:
Cu
1,6
n .2 0,05
64
∋
= =
Theo định luật bảo toàn đương lượng ta có
2
H
Ag Cu
n n n 0,05
∋ ∋ ∋
= = =

⇒
Ở bình 2:
0,05.2
0,05g
2


? = =
Ở bình 3:
0,05.108
5,4g
1
A

? = =
Cách 2: Áp dụng công thức Fraday:
1 A I.t m.n 1,6.2
m . . It 0,05
F n F A 64
= ⇒ = = =
Do đó ta có:
Ở bình 2:
2
2
H
H
A
1 2
m . . It 0,05. 0,05g
F n 2
= = =
Ở bình 3:
Ag
Ag
A
1 108
m . . It 0,05. 5,4g
F n 1
= = =
Câu 8: Người ta mạ niken lên mẫu vật kim loại bằng phương pháp mạ điện
trong bể mạ chứa dung dịch niken sunfat. Điện áp được đặt lên điện cực của
bể mạ là 2,5 V. Cần mạ 10 mẫu vật kim loại hình trụ; mỗi mẫu có bán kính
2,5cm, cao 20cm. Người ta phủ lên mỗi mẫu một lớp niken dày 0,4 mm.
Hãy:

1. Viết phương trình các phản ứng xảy ra trên các điện cực của bể mạ
điện.
2. Tính điện năng (theo kWh) phải tiêu thụ.
Cho biết: Niken có khối lượng riêng D = 8,9 g/cm
3
; khối lượng mol
nguyên tử là 58,7(g/mol); hiệu suất dòng bằng 90% ; 1 kWh = 3,6.10
6
J.
(Đề thi HSG QG 2005-2006)
Giải:
1. Phản ứng điện cực:
Ở catot: Ni
2+
+ 2e
ƒ
Ni
Ở anot: 2H
2
O
ƒ
4H
+
+ O
2
 + 4e
2. Tính P
- Diện tích bề mặt ống trụ là:
S = 2
π

rh = 2.3,14.2,5.20 = 314cm
2
.
- Thể tích Ni cần phải mạ cho mỗi ống là:
V = S.d = 314.0,04 = 12,56cm
3
.
- Khối lượng Ni cần mạ ở 10 ống trụ là:
m = V.D = 12,56.8,9.10 = 1117,84g
- Từ công thức Faraday:
1 A
m . .
F n
E=
ta có: Nếu hiệu suất dòng 100%
thì điện lượng cần phải tiêu thụ để mạ 10 ống trụ là:
1117,84.2.96500
3675351,3C
58,7
?99F
E@
A
= ≈
Vì hiệu suất dòng chỉ đạt 90% nên điện lượng cần dùng là:

E@6!!9
.
≈
4,084.10
6

C
Vậy điện năng tiêu thụ khi mạ điện là:
P = V.I.t = Q.V = 4,084.10
6
.2,5 ≈ 10,21.10
6
(J) ≈ 2,8kWh
Vậy để mạ được 6 ống trụ trên thì phải tiêu thụ một điện năng là
2,8kWh.
Câu 9: Một mẫu đồng thau chứa Cu và Pb. Hoà tan 1,581 gam mẫu trong
axit và tiến hành điện phân ở điều kiện thích hợp thì thu được 1,003 gam Cu
ở catot và 0,0750 gam PbO
2
ở anot. Viết các phương trình phản ứng điện
phân.
Tính hàm lượng % Cu và Pb trong mẫu.
Giải:
Quá trình điện phân:
Ở catot: Cu
2+
+ 2e
ƒ
Cu
2H
+
+ 2e
ƒ
H
2


Pb
2+
+O
2
+ 2e
ƒ
PbO
2
.
Ở anot: 2H
2
O
ƒ
4H
+
+ O
2
 + 4e
Theo định luật bảo toàn nguyên tố ta có:
m
Cu trong mẫu
=

m
Cu sau điện phân
= 1,003g
⇒

" 6''"
!

= =
GHI3 J;$C
GH?K
9!
? @? @  6!
.
=
⇒

"GH '"
!
= =
Câu 10: Để định lượng H
2
S trong nước người ta lấy 100,0 ml nước cho vào
bình điện phân, thêm KI dư. Ở đây I
-
bị oxi hoá ở anot, I
3
-
tạo ra sẽ oxi hoá
H
2
S. Điểm kết thúc điện phân xác định dựa vào sự tạo thành màu xanh của
iot - hồ tinh bột. Hãy tính số ppm H
2
S trong nước nếu điện phân với cường
độ dòng không đổi là 36,12mA trong 10phút 25giây.
Giải:
Các phản ứng ở điện cực anot:


L L M
− −
+
ˆ ˆ †
‡ ˆ ˆ
(1)


L N N L
− − −
+ +
ˆ ˆ †
‡ ˆ ˆ
(2)
Khi hết S
2-
thì
 
L L L
− −
+
ˆ ˆ †
‡ ˆ ˆ
. I
2
sinh ra sẽ làm xanh hồ tinh bột.
Áp dụng công thức Faraday ta có:





L
'
L
L
?
 L9  69 996 !
 9 9 9 ?
A F  .6! 
−
−
−
−
−
+
= = = =
Theo (2)


'
 N
L
  9 ?
−
−
= =
⇒

'  

 N
? 9 9' '9  '9 
− −
= = = µ

 6
 N
'9 9
;;? '

−
⇒ = =
Vậy hàm lượng H
2
S trong nước là 40ppm
Câu 11: Cho dòng điện 0,5A đi qua dung dịch muối của một axit hữu cơ
trong 2 giờ. Kết quả sau quá trình điện phân là trên catot tạo ra m gam một
kim loại và trên anot có khí etan và khí cacbonic thoát ra. (Biết rằng ở catot
chưa có khí thoát ra)
1. Cho biết muối của kim loại nào bị điện phân? Giá trị của m là bao
nhiêu? Biết rằng 5,18 gam của kim loại đó đẩy được 1,59 gam Cu từ
dung dịch đồng sunfat.
2. Cho biết muối của axit hữu cơ nào bị điện phân? Viết các phương
trình phản ứng xảy ra trên các điện cực.
(Đề thi HSG QG 2001-2002)
Giải:
1. Phương trình phản ứng xảy ra khi nhúng thanh kim loại vào dung dịch
CuSO
4
:

2M + nCu
2+
→ 2M
n+
+ nCu
⇒
2 1,59 0,05
mol
n 63,5 n
< 

 @ 

= =
5,18
M n 103,6n
0,05
⇒ = =
n 1 2 3
M
103,6
(loại)
207,2
(Pb)
310,8
(loại)
Vậy muối đã cho là muối của Pb
2+
.
Áp dụng công thức Faraday:

1 A 1 207
m . . It 0,5.2 3,86g
F n 26,8 2
= = =
2. Muối hữu cơ điện phân được etan khí cacbonic và Pb:
⇒
Muối đó là (CH
3
– CH
2
– COO)
2
Pb (Chì propionat)
Quá trình điện phân:
Ở catot: Pb
2+
+2e
ƒ
Pb
Ở anot:
 

   
       M
+
−
− − − + ↑ +
ˆ ˆ †
‡ ˆ ˆ
 


   
      
+
−
− + − +
ˆ ˆ †
‡ ˆ ˆ
2H
2
O
ƒ
4H
+
+ O
2
 + 4e