luyện thi đại học môn hóa chuyên đề điên phân
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (428.42 KB, 16 trang )
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
1
BÀI 3 : SỰ ĐIỆN PHÂN
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
I. Định nghĩa
Điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua
dung dịch chất điện li hoặc chất điện li ở trạng thái nóng chảy.
Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học.
Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy điều chế Na.
2NaCl
ñpnc
→
2Na + Cl
2
↑
● Điện cực: Là thanh kim loại hoặc các vật dẫn điện khác như cacbon (graphit), nhờ nó các electron
chuyển từ dung dịch trong bình điện phân vào mạch điện hoặc ngược lại, chuyển từ mạch điện vào dung
dịch.
+ Điện cực nối với cực âm (−) của nguồn điện được gọi là catot - cực âm.
+ Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là anot - cực dương.
● Điện cực trơ : Là điện cực chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, không tham gia cho nhận electron (oxi hoá -
khử) trong quá trình điện phân. Đó là điện cực platin (Pt), cacbon (graphit).
● Trên bề mặt catot, cation của chất điện li đến nhận electron.
(tổng quát: Chất oxi hoá đến nhận electron).
Xét ví dụ trên: Na
+
+ 1e
→
Na
Vậy trên catot xảy ra sự khử, có sự chuyển electron từ điện cực đến cation chất điện li.
● Trên bề mặt anot, anion của chất điện li đến nhường electron.
(tổng quát: Chất khử nhường electron).
Cũng xét ví dụ trên : 2Cl
−
→
Cl
2
+ 2e
Vậy trên anot xảy ra sự oxi hoá, có sự chuyển electron từ anion của chất điện li tới bề mặt điện cực.
II. Sự điện phân chất điện li
1. Điện phân nóng chảy
Điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm,
kiềm thổ, nhôm và một số phi kim như F
2
.
Ví dụ 1 : Điện phân Al
2
O
3
nóng chảy để điều chế Al.
Al
2
O
3
o
t
→
2Al
3+
+ 3O
2-
Ở catot (cực âm) : 4Al
3+
+ 12e → 4Al (1)
Ở anot (cực dương) : 6O
2-
→ 3O
2
+ 12e (2)
2Al
2
O
3
ñpnc
→
4Al + 3O
2
(3)
(1), (2) là các phản ứng xảy ra trên bề mặt các điện cực, (3) là phản ứng điện phân tổng quát.
Không thể điện phân nóng chảy AlCl
3
vì đó là hợp chất cộng hóa trị, ở nhiệt độ cao nó không nóng chảy
thành ion mà thăng hoa.
Ví dụ 2 : Điện phân MgCl
2
nóng chảy để điều chế Mg.
MgCl
2
o
t
→
Mg
2+
+ 2Cl
-
Ở catot : Mg
2+
+ 2e → Mg
Ở anot : 2Cl
-
→ Cl
2
↑ + 2e
MgCl
2
ñpnc
→
Mg + Cl
2
Ví dụ 3 : Điện phân nóng chảy NaOH
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
2
NaOH
→
Na
+
+ OH
-
Ở catot : 2Na
+
+ 2e
→
2Na
Ở anot : 2OH
-
→
1
2
O
2
↑ + H
2
O + 2e
2NaOH
ñpnc
→
Na +
1
2
O
2
+ H
2
O
2. Điện phân dung dịch chất điện li
a. Nguyên tắc: Khi điện phân dung dịch nước, ngoài các ion của chất điện li còn có thể có các ion H
+
và ion
OH
−
của nước và bản thân kim loại làm điện cực tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực. Khi đó quá
trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào tính oxi hoá - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình
điện phân. Ta xét trường hợp điện phân dung dịch với điện cực trơ.
● Thứ tự khử ở catot :
Nói chung, nếu kim loại có tính khử càng yếu thì cation kim loại có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị
khử.
+ Khi điện phân dung dịch nước, thường những kim loại nào đứng sau nhôm sẽ thoát ra tr
ên catot:
M
n+
+ ne
→
M
+ Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có cation của kim loại có tính khử mạnh (từ K
+
đến Al
3+
),
những cation này là những chất oxi hoá yếu, chúng khó bị khử hơn các phân tử nước. Khi đó, ở catot xảy ra
sự khử các phân tử nước thành khí hiđro và ion OH
−
:
2H
2
O
€
2H
+
+ 2OH
−
2H
+
+ 2e
→
H
2
↑
2H
2
O + 2e
→
H
2
↑ + 2OH
−
- Thứ tự khử tại catot (cực âm) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ phải qua trái :
Xét các cation
● Thứ tự oxi hoá ở anot:
Nói chung, những phi kim có tính oxi hoá càng yếu thì anion của nó có tính khử càng mạnh và càng dễ bị
oxi hoá.
Thường khi điện phân dung dịch nước, thứ tự phóng điện (điện phân) của các anion như sau :
+ Nếu trong dung dịch chất điện li có anion gốc axit không có oxi (S
2−
, I
−
, Br
−
, Cl
−
). Những ion
này dễ bị oxi hoá hơn so với phân tử nước. Thực tế trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các ion này thành nguyên
tử (phân tử) tự do: S
2−
→
S + 2e
2X
−
→
X
2
+ 2e
+ Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có anion gốc axit có oxi (SO
4
2−
, NO
3
−
, ClO
4
−
), những anion
này khó bị oxi hoá hơn các phân tử nước. Do vậy trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các phân tử nước tạo ra khí
oxi và ion H
+
: 4H
2
O
€
4H
+
+ 4OH
−
4OH
−
→
O
2
↑ + 2H
2
O + 4e
2H
2
O
→
O
2
↑ + 4H
+
+ 4e
K
+
Na
+
Mg
2
+
Al
3+
Zn
2+
Fe
2+
Ni
2+
H
+
Cu
2+
Fe
3+
Ag
+
…
Các ion không bị điện phân
trong dung dịch
Các ion bị điện phân trong dung dịch
H
2
O
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
3
- Thứ tự oxi hóa tại anot (cực dương) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải :
Xét các anion
- Các ion tiêu biểu: Cation Na
+
Cu
2+
H
+
Anion OH
−
Cl
−
SO
4
2−
- Các chất tiêu biểu : CuCl
2
, CuSO
4
, NaCl , NaOH , H
2
SO
4
, Na
2
SO
4
.
b. Các trường hợp cụ thể:
● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr ) với các kim loại từ sau nhôm.
Ví dụ: + Điện phân dung dịch CuCl
2
.
CuCl
2
→
Cu
2+
+ 2Cl
−
H
2
O
€
H
+
+ OH
−
Tại catot (−): 1
×
Cu
2+
+ 2e
→
Cu↓
Tại anot (+): 1
×
2Cl
−
→
Cl
2
↑ + 2e
Phương trình ion: Cu
2+
+ 2Cl
−
ñpdd
→
Cu↓ + Cl
2
↑
(catot) (anot)
Phương trình phân tử : CuCl
2
ñpdd
→
Cu↓ + Cl
2
↑
● Điện phân dung dịch muối của axit có oxi (H
2
SO
4
, HNO
3
) với các kim loại từ sau nhôm.
Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO
4
, điện cực trơ.
CuCl
2
→
Cu
2+
+ 2Cl
−
H
2
O
€
H
+
+ OH
−
Tại catot (−): 2
×
Cu
2+
+ 2e
→
Cu↓
Tại anot (+): 1
×
2H
2
O
→
O
2
↑ + 4H
+
+ 4e
Phương trình ion : 2Cu
2+
+ 2H
2
O
ñpdd
→
2Cu↓ + O
2
↑ + 4H
+
(catot) (anot)
Phương trình phân tử: 2CuSO
4
+ 2H
2
O
ñpdd
→
2Cu↓ + O
2
↑ + 2H
2
SO
4
● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr ) với các kim loại từ nhôm trở về trước
(Al
3+
, Mg
2+
, Na
+
, Ca
2+
, K
+
).
Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.
NaCl
→
Na
+
+ Cl
−
H
2
O
€
H
+
+ OH
−
Tại catot (−): 1
×
2H
2
O + 2e
→
H
2
↑ + 2OH
−
Tại anot (+): 1
×
2Cl
−
→
Cl
2
↑ + 2e
Phương trình ion : 2Cl
−
+ 2H
2
O
ñpdd
→
2OH
−
+ H
2
↑ + Cl
2
↑
M
S
2
−
I
−
Br
−
Cl
−
OH
−
SO
4
2
−
, NO
3
−
, ClO
4
−
Các ion bị điện phân
trong dung dịch
S
2-
→
S + 2e
2X
−
→
X
2
+ 2e
Các ion không bị điện
phân trong dung dịch
2H
2
O → O
2
↑ + 4H
+
+ 4e
(Anot tan)
4OH
−
→ O
2
↑+ 2H
2
O + 4e
M
→
M
n+
+ ne
Biờn son : Thy giỏo Tng Vn Y THPT Lc Nam v Thy giỏo Nguyn Minh Tun THPT Chuyờn Hựng Vng
Tt c vỡ hc sinh thõn yờu!
4
Phng trỡnh phõn t : 2NaCl + 2H
2
O
ủpdd coự maứng ngaờn
2NaOH + H
2
+ Cl
2
(catot) (anot)
Nu khụng cú mng ngn, Cl
2
sinh ra s tỏc dng vi NaOH to thnh nc Gia-ven :
2NaOH + Cl
2
NaCl + NaClO + H
2
O
in phõn nc:
+ in phõn dung dch kim (NaOH, KOH ):
NaOH
Na
+
+ OH
H
2
O
H
+
+ OH
Ti catot (): 2
ì
2H
2
O + 2e
H
2
+ 2OH
Ti anot (+): 1
ì
4OH
O
2
+ 2H
2
O + 4e
Phng trỡnh in phõn: 2H
2
O
ủpdd
2H
2
+ O
2
(catot) (anot)
+ in phõn dung dch cỏc axit cú oxi (vớ d H
2
SO
4
loóng ):
H
2
SO
4
2H
+
+ SO
4
2
H
2
O
H
+
+ OH
Ti catot (): 2
ì
2H
+
+ 2e
H
2
Ti anot (+): 1
ì
2H
2
O
O
2
+ 4H
+
+ 4e
Phng trỡnh in phõn: 2H
2
O
ủpdd
2H
2
+ O
2
(catot) (anot)
in phõn dung dch mui ca cỏc axit cú oxi (H
2
SO
4
, HClO
4
) vi cỏc kim loi t nhụm tr v trc
(K
+
, Na
+
, Ca
2+
):
Vớ d: in phõn dung dch Na
2
SO
4
:
Na
2
SO
4
2Na
+
+ SO
4
2
H
2
O
H
+
+ OH
Ti catot (): 2
ì
2H
2
O + 2e
H
2
+ 2OH
Ti anot (+): 1
ì
2H
2
O
O
2
+ 4H
+
+ 4e
Phng trỡnh ion: 2H
2
O
ủpdd
2H
2
+ O
2
(catot) (anot)
(Trong quỏ trỡnh in phõn, nng ion H
3
O
+
khu vc anot tng v nng OH
tng khu vc
catot. Do ú, khu vc anot cú phn ng axit cũn khu vc catot cú phn ng kim).
Nhn xột : Trong cỏc trng hp in phõn dung dch mui Na
2
SO
4
, axit H
2
SO
4
, baz kim NaOH bn
cht l s in phõn nc. Khi ú mui, axit, kim ch úng vai trũ cht dn in. Lng cht (s mol) cỏc
cht trong dung dch khụng thay i (nng cỏc cht tng dn do nc b in phõn, th tớch dung dch
gim).
(Chỳ ý:-Trong dung dch in li nu cú ion F
v nc thỡ H
2
O s b in phõn.
-Nu cú ion R-COO
khi b in phõn: 2R-COO
2e = R-R + 2CO
2
).
c. in phõn hn hp
+Nu trong dung dch cht in li cú cha nhiu ion ca nhng kim loi khỏc nhau (cú nng mol bng
nhau) thỡ catot s xy ra s kh nhng ion kim loi ny theo trỡnh t sau: Ion kim loi no cú tớnh oxi hoỏ
mnh hn (ng sau trong dóy th in hoỏ) s b kh trc.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
5
+ Nếu trong dung dịch chất điện li có những anion gốc axit khác nhau cùng không chứa oxi như: Br
−
,
Cl
−
, S
2−
, I
−
(có cùng nồng độ mol) thì anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước. Trên anot sẽ xảy
ra sự oxi hoá những anion trên theo trình tự:
S
2−
, I
−
, Br
−
, Cl
−
.
Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp các muối KBr, FeCl
3
, CuCl
2
, FeCl
2
. Hãy viết thứ tự các phản
ứng xảy ra tại các điện cực.
Phương trình phân li:
KBr → K
+
+ Br
−
FeCl
3
→ Fe
3+
+ 3Cl
−
CuCl
2
→ Cu
2+
+ 2Cl
−
FeCl
2
→ Fe
2+
+ 2Cl
−
H
2
O
€
H
+
+ OH
−
Thứ tự điện phân tại catot: (Cực âm) Thứ tự điện phân tại anot:
(Cực dương)
Fe
3+
+ 1e → Fe
2+
Cu
2+
+ 2e → Cu
Fe
2+
+ 2e → Fe
sự khử nước 2H
2
O + 2e → H
2
↑ + 2OH
−
2Br
−
→ Br
2
+ 2e
2Cl
−
→ Cl
2
↑ + 2e
sự oxi hoá nước 2H
2
O → O
2
↑ + 4H
+
+ 4e
3. Điện phân với anot (dương cực) tan
Nếu khi điện phân ta dùng anot bằng kim loại hoặc hợp kim thì lúc đó anot bị tan dần do kim loại bị oxi
hoá thành ion kim loại.
Ví dụ: Khi điện phân dung dịch CuSO
4
nếu thay cực dương (anot) trơ (Pt hay than chì) bằng bản đồng thì
sản phẩm của sự điện phân sẽ khác.
CuSO
4
→
Cu
2+
+ SO
4
2−
H
2
O
€
H
+
+ OH
−
Tại catot (−): Cu
2+
+ 2e
→
Cu↓
Tại anot (Cu) (+): Cu
→
Cu
2+
+ 2e
Cu
2+
(dd)
+ Cu
(r)
→
Cu
(r)
+ Cu
2+
(dd)
(anot-tan) (catot-bám)
Kết quả: Cu kim loại kết tủa ở cực âm (catot), khối lượng catot tăng, cực dương (anot) tan ra, khối lượng
anot giảm, nồng độ ion Cu
2+
và SO
4
2−
trong dung dịch không biến đổi. Kết quả như là sự vận chuyển Cu từ
anot sang catot.
Trong công nghiệp, người ta lợi dụng tính tan của cực dương khi điện phân để tinh chế các kim loại, nhất
là đồng và để mạ kim loại. Chẳng hạn muốn mạ một kim loại lên trên một vật nào đó, người ta để vật đó ở
cực âm (catot) rồi điện phân dung dịch muối của kim loại với cực dương (anot) làm bằng chính kim loại đó.
4. Định lượng trong điện phân
Công thức Faraday :
AIt
m
nF
=
Trong đó :
m : Khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)
A : Khối lượng mol của chất thu được ở điện cực
F : Hằng số Farađay có giá trị bằng 96500.
n : Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận (số electron trao đổi)
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
6
I : Cường độ dòng điện (ampe)
t : Thời gian điện phân (giây)
Từ công thức Faraday ta có thể biến đổi thành :
{
=
1442443
Soá mol
Soá mol electron trao ñoåi
m It
.n
A F
Vậy ta có :
electron trao ñoåi
It
n
F
=
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
7
B. Phương pháp giải bài tập điện phân
Phương pháp giải
- Bướ c 1 : Tính số mol electron trao đổi trong quá trình điện phân (nếu đề bài cho biế t thời gian điện
phân và cường độ dòng điện).
n
electron trao đổi
=
It
96500
Trong đó : I là cường độ dòng điện tính bằng ampe ; t là thời gian điện phân tính bằng giây.
- Bước 2 : Xác định thứ tự khử trên catot, thứ tự oxi hóa trên anot của các ion và H
2
O ; Viết quá trình
khử trên catot và oxi hóa trên anot theo đúng thứ tự ưu tiên.
- Bước 3 : Áp dụng định luật bảo toàn electron cho quá trình điện phân :
Số mol electron trao đổ i = Số mol electron mà các ion dương và H
2
O nhận ở catot = Số mol electron
mà các ion âm và H
2
O nhường ở anot.
●Lưu ý :
Phản ứng điện phân nước ở trên các điện cực :
+ Tại anot : 2H
2
O
→
4H
+
+ O
2 +
4e
+ Tại catot : 2H
2
O + 2e
→
H
2
+ 2OH
-
Trong quá trình điện phân, khối lượng dung dịch giảm bằng khối lượng của các khí thoát ra và kim loại
sinh ra bám vào điện cực.
►Các ví dụ minh họa◄
Dạng 1 : Điện phân nóng chảy
Ví dụ 1: Điện phân nóng chảy a gam muối A tạo bởi kim loại M và halogen X thu được 0,96 gam M ở catot
và 0,896 lít khí ở anot. Mặt khác hoà tan a gam muối A vào nước rồi cho dung dịch trên tác dụng với AgNO
3
dư được 11,48 gam kết tủa. X là halogen nào ?
A. F. B. Cl. C. Br. D. I.
Hướng dẫn giải
Gọi công thức của muối A là MX
n
với số mol là b,
ta có phản ứng :
2MX
n
→
ñpnc
2M + nX
2
mol : b
→
b
→
nb
2
MX
n
+ nAgNO
3
→
M(NO
3
)
2
+ nAgX
mol : b
→
nb
Suy ra :
nb 0,896
0,04
2 22, 4
nb(108 X) 11, 48
= =
+ =
⇒
X=35,5. Vậy halogen là clo.
Đáp án B.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
8
Ví dụ 2: 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 m
3
(đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16. Lấy 2,24 lít (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. B. 75,6. C. 67,5. D. 108,0.
Hướng dẫn giải
Cách 1 :
Phương trình phản ứng :
2Al
2
O
3
ñpnc
→
4Al + 3O
2
C + O
2
o
t
→
CO
2
2C + O
2
o
t
→
2CO
CO
2
+ Ca(OH)
2
→
CaCO
3
+ H
2
O
mol: 0,02
←
0,02
Trong quá trình điện phân nóng chảy oxit nhôm, ở anot giải phóng khí O
2
, oxi sinh ra sẽ phản ứng với
anot than chì tạo ra CO, CO
2
và có thể có O
2
dư.
Đặt số mol của CO, CO
2
, O
2
dư trong 67,2 m
3
hỗn hợp khí X là x, y, z ta có :
x + y + z =
67,2.1000
3000
22,4
=
(1)
Mặt khác tỉ khối của X với hiđro là 16 nên suy ra :
28x 44y 32z
16.2 32
x y z
+ +
= =
+ +
(2)
Thành phần phần trăm về số mol của CO
2
trong hỗn hợp là :
y 0,02
x y z 0,1
=
+ +
(3)
Từ (1), (2), (3) ta có :
x 1800
y 600
z 600
=
=
=
2 3 2 2
O trong Al O CO CO O
n n 2.n 2.n 1800 2.600 2.600 4200 mol
= + + = + + =
.
Trong oxit nhôm :
Al
Al O Al
O
n
2 2
n .n 2800 mol m 2800.27 75600 gam 75,6 kg.
n 3 3
= ⇒ = = ⇒ = = =
Cách 2 :
X
M 16.2 32 gam / mol
= = ⇒
Hỗn hợp X có CO, CO
2
và còn có thể có O
2
dư.
Vì khối lượng mol của O
2
là 32 mà khối lượng mol trung bình của hỗn hợp X cũng là 32 nên suy ra khối
lượng mol trung bình của hỗn hợp CO và CO
2
cũng bằng 32.
Áp dụng sơ đồ đường chéo cho hỗn hợp CO và CO
2
ta có :
CO
n
28
44 – 32 = 12
32
2
CO
n
44
32 – 28 = 4
2
CO
CO
n
12 3
n 4 1
⇒ = =
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
9
= = ⇒ = =
2 2
0,02
%CO 20% %CO 60%,%O 20%
0,1
.
Từ đó suy ra trong 3000 mol hỗn hợp có 600 mol CO
2
, 1800 mol CO và 600 mol O
2
.
Đáp án B.
Dạng 2 : Điện phân dung dịch
a. Điện phân dung dịch chứa một chất tan
● Sử dụng phản ứng xảy ra trên các điện cực và định luật bảo toàn electron
Ví dụ 1: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO
4
với cường độ dòng điện là 1,93A tới khi catot bắt đầu có bọt
khí thoát ra thì dừng lại, cần thời gian là 250 giây. Thể tích khí thu được ở anot (đktc) là :
A. 28 ml. B. 0,28 ml. C. 56 ml. D. 280 ml.
Hướng dẫn giải
n
electron trao đổi
=
1,93.250
0,005
96500
=
mol.
Phản ứng xảy ra tại anot :
2H
2
O → 4H
+
+ O
2
+ 4e
Khí thoát ra ở anot là O
2
, số mol khí O
2
là
0,005
4
= 0,00125 mol, thể tích khí O
2
là :
2
O
V 0,00125.22,4 0,028 lít 28 ml.
= = =
Đáp án A.
Ví dụ 2: Hòa tan 13,68 gam muối MSO
4
vào nước được dung dịch X. Điện phân X (với điện cực trơ, cường
độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khí ở
anot. Còn nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là 0,1245 mol.
Giá trị của y là :
A. 4,480. B. 3,920. C. 1,680. D. 4,788.
Hướng dẫn giải
Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây :
Áp dụng bảo toàn electron ta có :
2 2
2
O M
M M
4.n 2.n n 0,07 mol n 0,07 mol.
+ +
= ⇒ = ⇒ =
Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian 2t giây :
2 2
O H
n 2.0,035 0,07 mol n 0,0545 mol
= = ⇒ = ⇒
2
M
+
đã bị điện phân hết.
Áp dụng bảo toàn electron ta có :
2 2
2 2
O H M
M M
4.n 2.n 2.n n 0,0855 mol n 0,0855 mol.
+ +
= + ⇒ = ⇒ =
⇒
M + 96 =
13,68
160 M 64 (Cu).
0,0855
= ⇒ =
Vậy y =64.0,07 = 4,48 gam.
Đáp án A.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
10
● Sử dụng phản ứng điện phân ở dạng phân tử
Ví dụ 3: Người ta điều chế H
2
và O
2
bằng phương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường
độ dòng điện 0,67A trong thời gian 40 giờ. Dung dịch thu được sau điện phân có khối lượng 100 gam và
nồng độ NaOH là 6%. Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phân là (giả thiết lượng nước bay hơi không
đáng kể)
A. 5,08%. B. 6,00%. C. 5,50%. D. 3,16%.
Hướng dẫn giải
Bản chất của phản ứng điện phân dung dịch NaOH là phản ứng điện phân nước.
Ta có :
2 2 2
e tñ H O H
0,67.40.3600
n 2n 4n 1 mol n 0,5 mol.
96500
= = = = ⇒ =
Phương trình phản ứng :
2H
2
O
→
2H
2
+ O
2
(1)
mol: 0,5
←
0,5
Vậy nồng độ phần trăm của dung dịch NaOH trước điện phân là :
NaOH
100.6%
C% .100 5,5%.
100 0,5.18
= =
+
Đáp án C.
Ví dụ 4: Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO
4
nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được
dung dịch Y vẫn còn màu xanh, có khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban đầu. Cho 16,8 gam bột Fe
vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4 gam kim loại. Giá trị của x là
A. 2,25. B. 1,5. C. 1,25. D. 3,25.
Hướng dẫn giải
Phương trình phản ứng :
2CuSO
4
+ 2 H
2
O
→
ñpdd
2Cu
↓
+ 2H
2
SO
4
+ O
2
↑
(1)
mol : 2a
→
2a
→
2a
→
a
Theo (1) và giả thiết ta có : 2a.64 + 32a = 8 ⇒ a = 0,05 mol
Fe + H
2
SO
4
→
FeSO
4
+ H
2
(2)
mol : 0,1 ← 0,1
Fe + CuSO
4
→
FeSO
4
+ Cu (3)
mol : b → b
Theo (2), (3) và giả thiết ta có :
16,8 – (0,1 + b).56 + 64b = 12,4 ⇒ b = 0,15 mol
Vậy tổng số mol của CuSO
4
ban đầu là : 2a + b = 0,25 mol ⇒ x =
0,25
1,25M
0,2
=
.
Đáp án C.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
11
Ví dụ 5: Điện phân 150 ml dung dịch AgNO
3
1M với điện cực trơ trong t giờ, cường độ dòng điện không đổi
2,68A (hiệu suất quá trình điện phân là 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khí Z. Cho 12,6 gam Fe
vào Y, sau khi các phản ứng kết thúc thu được 14,5 gam hỗn hợp kim loại và khí NO (sản phẩm khử duy
nhất của N
+5
). Giá trị của t là :
A. 0.8. B. 0,3. C. 1,0. D. 1,2.
Hướng dẫn giải
Phương trình phản ứng điện phân :
4AgNO
3
+ 2H
2
O
→
4Ag + 4HNO
3
+ O
2
mol: x
→
x
Từ phản ứng điện phân suy ra số mol của HNO
3
bằng số mol của AgNO
3
phản ứng.
Đặt số mol của AgNO
3
tham gia phản ứng điện phân và AgNO
3
dư là x và y, ta có :
x + y = 0,15.
Dung dịch Y gồm x mol HNO
3
và y mol AgNO
3
.
Cho Fe vào dung dịch Y sau phản ứng thu được hỗn hợp kim loại nên Fe dư, muối sắt trong dung dịch là
Fe(II).
Quá trình oxi hóa - khử :
4H
+
+ NO
3
-
+ 3e
→
NO + 2H
2
O
mol: x
→
0,75x
Ag
+
+ e
→
Ag
mol: y
→
y
→
y
Fe
→
Fe
2+
+ 2e
mol: (0,375x + 0,5y)
←
(0,75x + y)
Căn cứ vào giả thiết, các quá trình oxi hóa - khử và định luật bảo toàn electron ta có :
12,6 (0,375x 0,5y).56 108y 14,5
− + + =
Giải phương trình tìm được x= 0,1; y = 0,05
Thời gian điện phân là :
96500.0,1
3600s 1h.
2,68
= =
b. Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp các chất tan
● Sử dụng phản ứng xảy ra trên các điện cực và định luật bảo toàn electron
Ví dụ 1: Cho một dòng điện có cường độ dòng điện không đổi đi qua 2 bình điện phân mắc nối tiếp, bình 1
chứa 100 ml dung dịch CuSO
4
0,01M, bình 2 chứa 100 ml dung dịch AgNO
3
0,01M. Biết rằng sau thời gian
điện phân 500 giây thì bên bình 2 xuất hiện khí bên catot. Cường độ I, khối lượng Cu bám bên catot và thể
tích khí (đktc) xuất hiện bên anot của bình 1 là :
A. 0,193A; 0,032 gam Cu; 5,6 ml O
2
.
B. 0,193A; 0,032 gam Cu; 11,2 ml O
2
.
C. 0,386A; 0,64 gam Cu; 22,4 ml O
2
.
D. 0,193A; 0,032 gam Cu; 22,4 ml O
2
.
Hướng dẫn giải:
Khi cho dòng điện 1 chiều đi qua 2 bình điện phân mắc nối tiếp thì số mol electron trao đổi tải qua các
bình điện phân là như nhau.
Theo giả thiết thì sau 500 giây thì ở bình 2 AgNO
3
bị điện phân hết nên :
n
electron trao đổi
=
Ag
n
+
= 0,001 mol
⇒ Cường độ dòng điện I =
96500.0,001
500
=
0,193A.
Ở bình 1 : Khối lượng Cu bám vào catot là
0,001
.64 0,032
2
=
gam .
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
12
Thể tích O
2
là
0,001
.22,4 5,6
4
=
ml.
Đáp án A.
Ví dụ 2: Điện phân (điện cực trơ) dung dịch X chứa 0,2 mol CuSO
4
và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có
cường độ 2A. Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là :
A. 2,240 lít. B. 2,912 lít. C. 1,792 lít. D. 1,344 lít.
Hướng dẫn giải
Thứ tự oxi hóa trên anot : Cl
-
> H
2
O
n
electron trao đổi
=
2.9650
0,2
96500
=
mol
Các quá trình oxi hóa :
2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
mol : 0,12 → 0,06 → 0,12
2H
2
O → 4H
+
+ O
2
+ 4e
mol : 0,02 ← (0,2 – 0,12)
Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot là (0,06 + 0,02).22,4 = 1,792 lít.
Đáp án A.
Ví dụ 3: Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl
2
0,1M và NaCl 0,5M (điện cực
trơ, hiệu suất điện phân 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây. Dung dịch thu được sau điện
phân có khả năng hoà tan m gam Al. Giá trị lớn nhất của m là :
A. 4,05. B. 2,70. C. 1,35. D. 5,40.
Hướng dẫn giải
Thứ tự oxi hóa trên anot : Cl
-
> H
2
O
Thứ tự khử trên caot : Cu
2+
> H
2
O
n
electron trao đổi
=
5.3860
0,2
96500
=
mol > 2.
2
Cu
n
+
= 0,1 mol nên Cu
2+
hết và ở catot nước bị điện phân một
phần.
Phản ứng điện phân tại catot :
Cu
2+
+ 2e
→ Cu
mol : 0,05 → 0,1
2H
2
O + 2e
→ H
2
+ 2OH
-
mol : (0,2 – 0,1) → 0,1
Phản ứng của nhôm với dung dịch sau điên phân :
2Al + 2H
2
O + 2OH
-
→ 3H
2
+ 2AlO
2
-
mol : 0,1 ← 0,1
Khối lượng Al phản ứng là 0,1.27 = 2,7 gam.
Đáp án B.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
13
Ví dụ 4: Điện phân 200 ml dung dịch Y gồm KCl 0,1M và Cu(NO
3
)
2
0,2M với cường độ dòng điện 5A
trong thời gian 1158 giây, điện cực trơ, màng ngăn xốp. Giả sử nước bay hơi không đáng kể. Độ giảm khối
lượng của dung dịch sau khi điện phân là :
A. 3,59 gam. B. 2,31 gam. C. 1,67 gam. D. 2,95 gam.
Hướng dẫn giải
Thứ tự oxi hóa trên anot : Cl
-
> H
2
O
Thứ tự khử trên caot : Cu
2+
> H
2
O
n
electron trao đổi
=
5.1158
0,06
96500
=
mol
Ta thấy : n
electron trao đổi
>
Cl
n
−
nên tại anot Cl
-
và H
2
O bị oxi hóa.
n
electron trao đổi
< 2.
2
Cu
n
+
nên tại catot chỉ có Cu
2+
bị khử.
Quá trình oxi hóa :
2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
mol : 0,02 → 0,01 → 0,02
2H
2
O → 4H
+
+ O
2
+ 4e
mol : 0,01 ← (0,06 – 0,02) = 0,04
Quá trình oxi khử :
Cu
2+
+ 2e
→ Cu
mol : 0,06 → 0,03
Độ giảm khối lượng của dung dịch sau khi điện phân bằng tổng khối lượng các sản phẩm khí thoát ra
trên các điện cực và khối lượng kim loại bám vào catot là :
m
giảm
=
2 2
Cl O Cu
m m m
+ +
= 0,01.71 + 0,01.32 + 0,03.64 = 2,95 gam.
Đáp án D.
Ví dụ 5: Điện phân 100 ml hỗn hợp dung dịch gồm Fe(NO
3
)
3
1M, Cu(NO
3
)
3
1M và HCl 2M với điện cực trơ
có màng ngăn xốp cường độ dòng điện là 5A trong 2 giờ 40 phút 50 giây. Giả sử nước bay hơi không đáng
kể. Độ giảm khối lượng của dung dịch sau khi điện phân là :
A. 15,9 gam. B. 16,3 gam. C. 16,1 gam. D. 13,5 gam.
Hướng dẫn giải
Thứ tự oxi hóa trên anot : Cl
-
> H
2
O
Thứ tự khử trên caot : Fe
3+
> Cu
2+
> Fe
2+
> H
2
O
n
electron trao đổi
=
5.(2.3600 40.60 50)
0,5
96500
+ +
=
mol
Quá trình khử trên catot:
Fe
3+
+ 1e
→ Fe
2+
mol : 0,1 → 0,1 → 0,1
Cu
2+
+ 2e
→ Cu
mol : 0,1 → 0,2 → 0,1
2H
+
+ 2e
→ H
2
mol : 0,2 → 0,2 → 0,1
Như vậy tại catot vừa khử hết H
+
của HCl.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
14
Quá trình oxi hóa :
2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
mol : 0,2 → 0,1 → 0,2
2H
2
O → 4H
+
+ O
2
+ 4e
mol : 0,075 ← (0,5 – 0,2) = 0,3
Như vậy tại anot Cl
-
bị oxi hóa hết, H
2
O bị oxi hóa một phần.
Độ giảm khối lượng của dung dịch sau khi điện phân là :
m
giảm
=
2 2 2
Cl H O Cu
m m m m
+ + +
= 0,1.71 + 0,1.2 + 0,075.32 + 0,1.64 = 16,1 gam.
Đáp án C.
Ví dụ 6: Hoà tan 55,6 gam tinh thể FeSO
4
.7H
2
O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6M được dung dịch A. Tiến
hành điện phân dung dịch Avới dòng điện có cường độ 1,34A trong bốn giờ. Tính khối lượng kim loại thoát
ra ở catot và thể tích khí (đktc) thu được ở anot. Biết hiệu suất điện phân là 100%.
A. 5,6 gam và 2,24 lít. B. 5,6 gam và 1,792 lít.
C. 2,24 gam và 1,792 lít. D. 2,24 gam và 2,24 lít.
Hướng dẫn giải
Số mol FeSO
4
= số mol tinh
thể FeSO
4
.7H
2
O
ban đầu = 55,6 : 278 = 0,2 mol. Số mol HCl ban đầu =
0,12 mol.
Thứ tự oxi hóa trên anot : Cl
-
> H
2
O
Thứ tự khử trên caot : H
+
> Fe
2+
> H
2
O
n
electron trao đổi
=
1,34.4.60.60
0,2
96500
=
mol.
Nhận xét : n
electron trao đổi
>
H
n
+
= 0,12 nên H
+
bị điện phân hết, n
electron trao đổi
<
H
n
+
+ 2.
2
Fe
n
+
= 0,52 nên
Fe
2+
chỉ bị điện phân một phần ; n
electron trao đổi
>
Cl
n
−
= 0,12 nên Cl
-
bị điện phân hết và ở anot nước bị điện
phân một phần.
Quá trình khử tại catot :
2H
+
+ 2e
→ H
2
mol : 0,12 → 0,12 → 0,06
Fe
2+
+ 2e
→ Fe
mol : (0,2 – 0,12) → 0,04
Vậy khối lượng Fe thu được ở catot là 2,24 gam.
Quá trình oxi hóa tại anot :
2Cl
-
→ Cl
2
+ 2e
mol : 0,12 → 0,06 → 0,12
2H
2
O → 4H
+
+ O
2
+ 4e
mol : 0,02 ← (0,2 – 0,12)
Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot là : (0,06 + 0,02).22,4 = 1,792 lít.
Đáp án C.
Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương
Tất cả vì học sinh thân yêu!
15
● Sử dụng phản ứng điện phân ở dạng phân tử
Ví dụ 7: Điện phân dung dịch gồm 7,45 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO
3
)
2
(điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến
khí khối lượng dung dịch giảm đi 10,75 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng
kể). Tất cả các chất tan trong dung dịch sau điện phân là :
A. KNO
3
và KOH. B. KNO
3
, KCl và KOH.
C. KNO
3
và Cu(NO
3
)
2
. D. KNO
3
, HNO
3
và Cu(NO
3
)
2
.
Hướng dẫn giải
3 2
KCl Cu(NO )
n 0,1 mol, n 0,15 mol.
= =
Tại anot, thứ tự oxi hóa : Cl
-
> H
2
O.
Tại catot, thứ tự khử : Cu
2+
> H
2
O.
Phương trình phản ứng điện phân :
2KCl + Cu(NO
3
)
2
→
Cl
2
+ Cu
+ 2KNO
3
mol: 0,1
→
0,05
→
0,05
→
0,05
Khối lượng dung dịch giảm = 0,05.64 + 0,05.71 = 6,75 < 10,75. Suy ra Cu(NO
3
)
2
tiếp tục bị điện phân.
2H
2
O + 2Cu(NO
3
)
2
→
O
2
+ 2Cu
+ 4HNO
3
mol: 2x
→
x
→
2x
Khối lượng dung dịch giảm = 6,75 + 32x + 2x.64 = 10,75
⇒
x = 0,025
Tổng số mol Cu(NO
3
)
2
phản ứng là 0,1 < 0,15, suy ra Cu(NO
3
)
2
còn dư.
Vậy trong dung dịch sau phản ứng có các chất : KNO
3
, HNO
3
và Cu(NO
3
)
2
.
Đáp án C.
Ví dụ 8: Điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp 2 muối CuSO
4
và NaCl bằng điện cực trơ đến khi nước
bị điện phân ở cả hai điện cực thì dừng lại. Dung dịch thu được sau điện phân hoàn tan vừa đủ 1,6 gam CuO
và ở anot của bình điện phân có 448 ml khí bay ra (đktc). Giá trị của m là :
A. 5,97 gam. B. 7,14 gam. C. 4,95 gam. D. 3,87 gam.
Hướng dẫn giải
Tại anot, thứ tự oxi hóa : Cl
-
> H
2
O.
Tại catot, thứ tự khử : Cu
2+
> H
2
O.
Căn cứ vào thứ tự khử và oxi hóa trên các điện cực ta thấy : Lúc đầu CuSO
4
tham gia điện phân cùng với
NaCl. Sau đó nếu CuSO
4
hết trước thì NaCl sẽ điện phân cùng với nước, ngược lại nếu NaCl hết trước thì
CuSO
4
sẽ điện phân cùng với nước.
Phương trình phản ứng điện phân :
2NaCl + CuSO
4
→
Cl
2
↑
+ Cu
+ Na
2
SO
4
(1)
mol: 2x
→
x
→
x
Vì dung dịch sau điện phân hòa tan được 0,02 mol CuO nên suy ra dung dịch này phải có tính axit. Vậy
ngoài phản ứng (1) còn có phản ứng điện phân CuSO
4
cùng với H
2
O.
2H
2
O + 2CuSO
4
→
O
2
↑
+ 2Cu
+ 2H
2
SO
4
(2)
mol: 2y
→
y
→
2y
Phản ứng của CuO với dung dịch sau điện phân :
CuO
+ H
2
SO
4
→
H
2
O + CuSO
4
(3)
mol: 2y
→
2y
Khí thoát ra ở anot là Cl
2
và O
2
có tổng số mol là 0,02 mol.
Vậy theo các phản ứng và giả thiết ta có :
Biờn son : Thy giỏo Tng Vn Y THPT Lc Nam v Thy giỏo Nguyn Minh Tun THPT Chuyờn Hựng Vng
Tt c vỡ hc sinh thõn yờu!
16
x y 0,02 x 0,01
2y 0,02 y 0,01
+ = =
= =
Tng khi lng CuSO
4
v NaCl ban u l :
m = 2.0,01.58,5 + (0,01+0,01.2).160 = 5,97 gam.
ỏp ỏn C.
Vớ d 9: in phõn (cỏc in cc tr) 0,8 lớt dung dch A cha HCl v Cu(NO
3
)
2
vi cng dũng 2,5
ampe. Sau thi gian t thu c 3,136 lớt khớ ( ktc) mt cht khớ duy nht anot. Dung dch sau in phõn
phn ng va vi 550 ml dung dch NaOH 0,8M v thu c 1,96 gam kt ta. Tớnh nng mol ca cỏc
cht trong dung dch A v thi gian t.
Hng dn gii
Ti anot, th t oxi húa : Cl
-
> H
2
O.
Ti catot, th t kh : Cu
2+
> H
+
> H
2
O.
Cn c vo th t oxi húa trờn anot v gi thit ta thy 3,136 lớt khớ ( ktc) thoỏt ra trờn trờn anot l Cl
2
.
Phng trỡnh phn ng :
2HCl + Cu(NO
3
)
2
Cl
2
+ Cu
+ 2HNO
3
(1)
mol: 0,28
0,14
0,14
0,28
Dung dch sau phn ng in phõn phn ng vi NaOH thu c kt ta chng t cú Cu(NO
3
)
2
d, ngoi
ra cng cú th cũn HCl d.
HNO
3
+ NaOH
NaNO
3
+ H
2
O (2)
mol: 0,28
0,28
HCl + NaOH
NaCl + H
2
O (3)
mol: x
x
Cu(NO
3
)
2
+ 2NaOH
2NaNO
3
+ Cu(OH)
2
(4)
mol: 0,02
0,04
0,02
Theo cỏc phn ng v gi thit ta cú tng s mol ca NaOH tham gia phn ng l :
0,28 + x + 0,04 = 0,44
x = 0,12.
Vy nng mol ca cỏc cht trong dung dch A l :
3 2
0,12 0,28 0,14 0,02
[HCl] 0,5M; [Cu(NO ) ] 0,2M.
0,8 0,8
+ +
= = = =
Thi gian in phõn :
= = = =
2
electron trao ủoồi electron trao ủoồi Cl
It 96500.0,14.2
n vaứ n 2n t 10808 giaõy.
96500 2,5
