Tài liệu Chuyên đề bồi dưỡng hsg -lý thuyết và bài tập điện phân

LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 MỤC LỤC A. LÍ THUYẾT ĐIỆN PHÂN ........................................................................ 2 I. THEÁ PHAÂN GIAÛI VAØ QUAÙ THEÁ ................................................................... 2 II. GIAÛI THÍCH SÖÏ TAÏO THAØNH NHÖÕNG SAÛN PHAÅM KHI ÑIEÄN PHAÂN DUNG DÒCH .................................................................................................... 4 III. ÖÙNG DUÏNG CUÛA SÖÏ ÑIEÄN PHAÂN ............................................................ 6 B. BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN ............................................................................. 8 I. BAØI TAÄP LÍ THUYEÁT ..................................................................................... 8 1. Dạng 1: Bài tập viết phương trình phản ứng xảy ra ở các điện cực, thứ tự các ion bị điện phân ở từng điện cực và phương trình phản ứng chung khi điện phân (phương trình điện phân)… .....................................................................................8 1.1. Điện phân nóng chảy ....................................................................................8 1.2. Điện phân dung dịch muối tan trong nước ...................................................9 2. Dạng 2: Bài tập giải thích hiện tượng (sự biến đổi pH, sự thay đổi màu của quỳ tím…). .................................................................................................................... 17 II. BAØI TAÄP ÑÒNH LÖÔÏNG ............................................................................. 22 DẠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN KHÔNG CHO GIẢ THIẾT CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN I VÀ THỜI GIAN ĐIỆN PHÂN t ..................................................22 DẠNG 2: BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHỈ CÓ H2O ĐIỆN PHÂN Ở HAI ĐIỆN CỰC ................................................................................................ 23 DẠNG 3: BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN CÓ CHO GIẢ THIẾT CƯỜNG ĐỘ I, THỜI GIAN t ...................................................................................................................23 DẠNG 4: ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHỨA NHIỀU CHẤT ĐIỆN PHÂN .....23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 1 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 A. LÍ THUYẾT ĐIỆN PHÂN Năm 1800, Đavy (1778 - 1829), nhà vật lý và hóa học Anh, lần đầu tiên dùng dòng điện của pin Volta để điện phân nước và đã khẳng định giả thuyết của A. Lavoisier (1743 - 1794) là nước gồm có oxi và hiđro. Bằng cách điện phân, Đavy đã điều chế được những kim loại như Na, K, Mg, Ca và Ba. Nghiên cứu hiện tượng điện phân, năm 1834 M. Faraday (1791 - 1867), học trò của Đavy, đã phát minh các quy luật về điện phân mà nay được gọi là định luật Faraday. I. THEÁ PHAÂN GIAÛI VAØ QUAÙ THEÁ Điện phân là sự phân hủy chất nhờ tác dụng của dòng điện một chiều. Khi nối nguồn điện một chiều với hai điện cực nhúng trong chất điện ly nóng chảy hay dung dịch chất điện ly ở các điện cực của bình điện phân xảy ra các quá trình oxi hóa và khử làm cho chất bị phân hủy. Như vậy quá trình diễn ra ở đây ngược lại ở trong pin điện: dòng điện ở pin là do phản ứng oxi hóa khử sinh ra. Phản ứng trong pin tự phát xảy ra còn phản ứng điện phân chỉ xảy ra khi có dòng điện.     2+ Khi nối điện cực kẽm Zn Zn với điện cực clo Cl ở điều kiện chuẩn, 2Cl2 pin kẽm – clo có suất điện động E0 = 2,12V. Ngược lại nếu dùng dòng điện một chiều có thế hiệu 2,12V nối với hai điện cực trơ (bằng platin hoặc than chì) nhúng trong dung dịch ZnCl2 sẽ thấy kẽm kim loại bám vào điện cực nối với cực âm của nguồn điện và khí clo xuất hiện ở điện cực nối với cực dương của nguồn điện, nghĩa là ở các điện cực đó đã xảy ra hai nửa phản ứng: Ở điện cực âm (catot): Zn 2+ + 2e  Zn Ở điện cực dương (anot): 2Cl-  Cl2 + 2e Phản ứng chung xảy ra là: Doøng ñieän Zn2+ + 2Cl   Zn + Clvà 2 ở thế hiệu là 2,12V Tương tự như vậy, phản ứng điện phân: Cu 2+ + 2Cl-  Cu + Cl2 xảy ra ở thế hiệu là 1,02V Phản ứng điện phân : Trang 2 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 2H+ + 2Cl-  H2 + Cl2 xảy ra ở thế hiệu là 1,36V. Những thế hiệu 2,12V; 1,02V và 1,36V được gọi là thế phân giải của ZnCl2 , CuCl2 và HCl tương ứng ở trong dung dịch 1M. Vậy thế hiệu tối thiểu của dòng điện một chiều cần đặt vào các điện cực trơ để gây nên sự điện phân chất gọi là thế phân giải (kí hiệu là U). Những thế phân giải của các chất trên đây đúng bằng sức điện động của các pin tương ứng. Thế phân giải của ZnCl2 trong dung dịch: U = E0Cl2 2Cl - - E 0Zn 2+ = 1,36 - - 0,76 = 2,12V Zn Thế phân giải của CuCl2 trong dungdịch: U = E0Cl2 - 0 = 1,36 - 0,34 = 1,02V - E Cu 2+ Cu 2Cl Thế phân giải HCl trong dung dịch : U = E0Cl2 2Cl - - E 02H+ = 1,36 - 0,00 = 1,36V H2 Ba thí dụ trên đây cho thấy thế phân giải của một chất điện ly bao gồm thế phân giải cation và thế phân giải của anion. Thế phân giải của ion là thế tối thiểu cần đặt vào điện cực để ion đó tích điện hay phóng điện. Thế phân giải của đại đa số cation và anion ở các điện cực trơ thực tế bằng thế điện cực của nguyên tố tương ứng. Nhưng thế phân giải của một vài ion như Fe2+ , Ni 2+ , H+ và OH-  hay H2O  về giá trị tuyệt đối rất lớn hơn thế của điện cực tương ứng. Khi điện phân dung dịch của chất chứa các ion đó ở trong nước, người ta phải dùng dòng điện có thế hiệu cao hơn so với suất điện động E của pin tương ứng. Thế hiệu phụ thêm đó được gọi là quá thế (kí hiệu là ΔE ). Hiện tượng quá thế có bản chất rất phức tạp và phụ thuộc nhiều vào yếu tố liên quan với đặc tính động học như vật liệu được dùng để làm điện cực, bề mặt của điện cực, trạng thái tập hợp của chất thoát ra ở điện cực, với mật độ dòng điện và nhiệt độ. Khi ở điện cực thoát ra kim loại, đại lượng quá thế thường rất bé, có thể bỏ qua được trừ các trường hợp sắt  ΔE = 0,24V  và niken  ΔE = 0,23V  . Khi ở điện cực thoát Trang 3 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 ra các khí như H2 và O2 đại lượng quá thế là đáng kể, không thể bỏ qua được. Dưới đây là quá thế của hiđro và oxi trên các điện cực khác nhau: Điện cực Quá thế của hiđro, V Quá thế của oxi, V Pt (muội) 0,03 – 0,04 0,3 Fe 0,1 – 0,2 0,3 Pt (nhẵn) 0,2 – 0,4 0,5 Ni 0,2 – 0,4 0,5 Hg 0,8 – 1,0 Như vậy thế phân giải của chất điện ly ở trong dung dịch nước được xác định bằng: U = E0a - E0c + ΔEa + ΔEc Trong đó U là thế phân giải, E 0 a là thế chuẩn của điện cực dương, E 0 c là thế chuẩn của điện cực âm (hiệu E 0 a - E 0 c là suất điện động của pin tương ứng), E 0a là quá thế của anion ở điện cực dương và ΔE 0c là quá thế của cation ở điện cực âm. II. GIAÛI THÍCH SÖÏ TAÏO THAØNH NHÖÕNG SAÛN PHAÅM KHI ÑIEÄN PHAÂN DUNG DÒCH Khi điện phân dung dịch nước chứa một số loại cation và một số loại anion thì về nguyên tắc, ở điện cực âm, cation nào có điện cực lớn hơn sẽ bị khử trước và ở điện cực dương, anion nào có thế điện cực bé hơn sẽ bị oxi hóa trước. Tuy nhiên trên thực tế thứ tự đó thường bị phá vỡ bởi hiện tượng quá thế. Do đó, khi điện phân dung dịch muối của kim loại ở trong nước thì trước tiên ở các điện cực sẽ xảy ra phản ứng oxi hóa – khử nào đòi hỏi thế phân giải bé nhất. Để làm sáng tỏ điều này, chúng ta xét thế phân giải của tất cả những trường hợp có thể xảy ra điện phân. Thí dụ như dung dịch CoCl2 1M với các điện cực platin nhẵn. Trường hợp thứ nhất: Ở điện cực âm: Co2+ + 2e  Co , Eoc = -0,28 Ở điện cực dương: 2Cl-  Cl2 + 2e , Eoa  1,36 Trang 4 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Phản ứng điện phân: Co2+ + 2Cl-  Co + Cl2 xảy ra ở thế phân giải: U = 1,36-(-0,28) = 1,64V . Trường hợp thứ hai: Ở điện cực âm: Co2+ + 2e  Co , Eoc = 0,28 1 2 Ở điện cực dương: H 2O  O2 + 2H + + 2e , Eoa = 1,23 Quá thế của oxi trên điện cực Pt nhẵn ΔE a = 0,5 Phản ứng điện phân: Co2+ + H 2O  Co + 1 O2 + 2H + xảy ra ở thế phân giải: 2 U = 1,23 - (-0,28) + 0,5 = 2,01V . Trường hợp thứ ba: Ở điện cực âm: 2H2O + 2e  H2 + 2OH- , Eoc = -0,82 Ở điện cực dương: 2Cl-  Cl2 + 2e , Eoa = 1,36 Quá thế của hiđro trên điện cực Pt nhẵn ΔE c = 0,4 Phản ứng điện phân: 2Cl- + 2H2O  H2 + Cl2 + 2OH- xảy ra ở thế phân giải: U = 1,36 - (-0,82) + 0,4 = 2,58V Trường hợp thứ tư: Ở điện cực âm: 2H2O + 2e  H2 + 2OH- Eoc = -0,82 1 2 Ở điện cực dương: H 2O  O2 + 2H + + 2e Eoa = 1,23 Quá thế của hiđro trên điện cực Pt nhẵn ΔE c = 0,4 Quá thế của oxi trên điện cực Pt nhẵn ΔE a = 0,5 Phản ứng điện phân: H 2O  H 2 + 1 O2 2 xảy ra ở thế phân giải: U = 1,23 - (-0,82) + 0,5 + 0,4 = 2,95V Các kết quả thu được trên đây cho thấy trường hợp thứ nhất đòi hỏi thế phân giải bé nhất nên dễ xảy ra nhất và do đó sản phẩm của quá trình điện phân dung dịch CoCl2 doøng ñieän  Co + Cl2 trong nước là kim loại coban và khí clo: CoCl2  Trang 5 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Tính toán tương tự như vậy, chúng ta giải thích được sự tạo thành những sản phẩm của quá trình điện phân dung dịch nước của các chất sau đây với điện cực trơ: doøng ñieän 2NaCl + 2H2 O   H 2 + Cl 2 + 2NaOH 1 doøng ñieän CuSO4 + H2 O   Cu + O2 + H 2SO4 2 và sự phân hủy nước khi điện phân các dung dịch H2SO4, NaOH, Na2SO4: H 2O  H 2 + 1 O2 2 trong đó axit, chất kiềm và muối chỉ có vai trò làm tăng độ dẫn điện của dung dịch. III. ÖÙNG DUÏNG CUÛA SÖÏ ÑIEÄN PHAÂN Phương pháp điện phân được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất và trong phòng thí nghiệm nghiên cứu. Trong công nghiệp hóa chất, điện phân thường được dùng để tách lấy đơn chất từ hợp chất. Nhiều quá trình điện phân giữ vai trò then chốt trong sản xuất như: - Sản xuất NaOH, Cl2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl đậm đặc. Trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo ra là NaOH, H2 và Cl2 chứ không phải là O2 do quá thế của O2 quá lớn. Clo là một trong mười hóa chất được sản xuất nhiều nhất. Vì vậy, có thể nói rằng các nhà sản xuất đã thu lợi nhuận hàng tỉ đô la là nhờ vào việc ứng dụng quá thế điện phân. - Sản xuất các khí H2, O2 bằng phương pháp điện phân dung dịch K2SO4, H2SO4, NaOH…thực chất là điện phân nước, còn các chất muối, axit, kiềm, chỉ đóng vai trò làm tăng độ dẫn điện của dung dịch. Trong phòng thí nghiệm, sự điện phân nước thành H2 và O2 đã được thực hiện từ năm 1800 đến nay vẫn được sử dụng để điều chế H2 và O2 siêu tinh khiết. - Sản xuất Li, Na, Mg, Ca, Sr, Ba, Cl2, Br2…bằng phương pháp điện phân các muối halogenua nóng chảy. - Sản xuất Al bằng phương pháp điện phân Al2O3 nóng chảy có thêm Na3AlF6 (criolit) để giảm nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit. - Sản xuất KClO3 bằng phương pháp điện phân dung dịch KCl đặc, nóng… Trang 6 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 - Điều chế các kim loại tinh khiết. Bằng phương pháp điện phân người ta có thể thu được các kim loại có độ tinh kkhiết cao như Zn, Cd, Mn, Cr, Fe. Ví dụ, khi điện phân dung dịch ZnSO4 đã được tinh chế và thêm H2SO4, do quá thế của H2 trên Zn khá lớn, nên ở catot không tạo ra H2 và tạo ra Zn. Sản phẩm Zn thu được đạt độ tinh khiết 99,99%. - Tinh chế kim loại. Nhờ phương pháp điện phân có thể tinh chế hàng loạt kim loại như Cu, Ag, Au, Ni, Co và Pb. Phổ biến nhất là tinh chế đồng. Đồng thô (lẫn tạp chất) được dùng làm anot, nhúng trong dung dịch điện phân CuSO4. Đồng tinh khiết được dùng làm catot. Các ion Cu2+ từ sự hòa tan anot chuyển về catot và bị khử thành đồng tinh khiết bám vào catot. - Đúc các đồ vật bằng kim loại được tiến hành tương tự như tinh chế kim loại. Trong quá trình điện phân, kim loại anot tan dần thành Mn+ và bị khử thành kim loại bám thành lớp trên khuôn đúc ở catot. - Mạ điện Trong kĩ thuật, người ta mạ các kim loại như Zn, Cd, Cu, Ni, Cr, Sn, Ag và Au lên bề mặt các đồ vật bằng kim loại để chống gỉ, tăng vẻ bóng, đẹp của đồ vật bằng phương pháp điện phân. Trong mạ điện, kim loại để mạ được dùng làm anot nhúng trong dung dịch muối của nó. Vật cần mạ được dùng làm catot. Trong quá trình điện phân, kim loại làm anot tan dần thành Mn+ còn ở catot, Mn+ bị khử thành lớp kim loại bám trên bề mặt đồ vật làm catot. - Phân tích định tính, định lượng và tách các kim loại trong hỗn hợp của chúng. Nguyên tắc dựa trên thế phóng điện khác nhau của các ion kim loại trong hỗn hợp. Ví dụ: Trong dung dịch có chứa đồng thời một số ion kim loại khác nhau. Bằng cách tăng dần điện thế đặt vào hai điện cực của bình điện phân, các kim loại lần lượt thoát ra ở điện cực. Qua đó xác định được trong dung dịch có những ion kim loại nào và khối lượng của chúng là bao nhiêu. Trang 7 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 B. BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN I. BAØI TAÄP LÍ THUYEÁT 1. Dạng 1: Bài tập viết phương trình phản ứng xảy ra ở các điện cực, thứ tự các ion bị điện phân ở từng điện cực và phương trình phản ứng chung khi điện phân (phương trình điện phân)… Để làm dạng bài tập này cần phải chú ý đến thứ tự phản ứng của ion ở điện cực. 1.1. Điện phân nóng chảy Thường là các muối, có thể là oxit  Al2O3  hoặc hiđroxit (NaOH). Đối với muối thì người ta thường điện phân muối clorua nóng chảy vì chúng không bị phân hủy khi nóng chảy. Phương trình phản ứng dạng tổng quát như sau: ñpnc 2ACln   2A + NaCl2 1 ñpnc 2An Om   2nA + mO2  2  ñpnc 2A  OH n   4A + nO2 + 2nH2O  3 Phản ứng (1) thường dùng để điều chế Na, K, Ca, Mg, Ba,… Phản ứng (2) dùng để điều chế Al trong công nghiệp. Phản ứng (3) thường dùng để điều chế Na. * Cách viết sơ đồ điện phân: - Cực âm (-)(catot): xảy ra quá trình nhận electron. - Cực dương (+)(anot): xảy ra quá trình nhường electron. Ví dụ 1: Điện phân nóng chảy NaCl Sơ đồ điện phân: Catot  -  Na  +  Anot NaCl + Na + + 1e   Na Cl2Cl   Cl2 + 2e ñpnc  Na + Phương trình điện phân: NaCl  1 2 Cl2 Trang 8 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Ví dụ 2: Điện phân nóng chảy NaOH Sơ đồ điện phân: NaOH Catot  -   Na   +  +  Anot OH - 4OH-   O2 + 2H2O + 4e Na + + 1e   Na ñpnc Phương trình điện phân: 2NaOH   2Na + 12 O2 + H2O Ví dụ 3: Điện phân nóng chảy Al2O3 Sơ đồ điện phân: Catot  -    Al2O3  +  Anot   3+ O 2- Al3+ + 3e   Al 2O2-   O2 + 4e Al ñpnc Phương trình điện phân: Al2O3   2Al + 3 2 O2 * Lưu ý: Khi điện phân nóng chảy hỗn hợp nhiều chất thì thứ tự phản ứng của cation ngược với thứ tự của nguyên tố kim loại trong dãy hoạt động hóa học của kim loại, nghĩa là nguyên tố kim loại đứng sau thì cation của nó bị khử trước. Ví dụ 1: Điện phân nóng chảy hỗn hợp các muối ZnCl 2, NiCl 2, CuCl 2 thì ở catot, thứ tự phản ứng của cation như sau: Cu 2+ + 2e   Cu Ni2+ + 2e   Ni Zn 2+ + 2e   Zn 1.2. Điện phân dung dịch muối tan trong nước Cách viết sơ đồ điện phân: - Cực (-) catot : xảy ra quá trình nhận electron Ion kim loại sau nhôm nhận electron, ion kim loại từ nhôm trở về trước không nhận electron mà nước nhận electron. 2H2O + 2e   2OH- + H2 Trang 9 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN K + Ba 2+ Ca 2+ Na + Mg 2+ Al3+  2009 Zn2+ Fe2+ Ni2+ Pb2+ H+ Cu2+ Fe3+ Hg22+ Ag+ Hg2+  Cation kim loaïi thu e Mn+ + ne  M H + ( H 2 O) thu e 2H 2 O + 2e H 2  + 2OH - - Cực (+) anot: xảy ra quá trình nhường electron: ion gốc axit không có oxi nhường electron. Ion gốc axit có oxi không nhường electron mà nước nhường electron. * Chú ý: Đối với cacboxylat (muối của axit cacboxylic) - Ở catot: 2H2O + 2e   2OH- + H2 2H2O   4H+ + O2  4e - Ở anot: 2RCOO-   R-R + 2CO2  + 2e Phương trình điện phân: ñpdd 2RCOONa + 2H 2O   H 2  + 2NaOH + 2CO2 + R-R      Catot Anot Nếu không có màn ngăn: CO2 + NaOH   NaHCO3 Khi nhiệt độ trong bình điện phân lớn hơn 400 C thì: 2NaHCO3   Na 2CO3 + CO2 + H2O Ví dụ 1: Điện phân dung dịch NaCl Catot      NaCl    +  Anot Na + , H 2 O Cl- , H 2 O 2H2O + 2e   2OH- + H2 2Cl   Cl2 + 2e ñpdd  2NaOH + H 2 + Cl 2 Phương trình điện phân: 2NaCl + 2H 2O  mn     Catot Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO4 Catot  -    CuSO4 Anot    +  Anot Cu 2+ , H 2O SO4 2- ,H 2 O Cu 2+ + 2e   Cu 2H2O   4H+ + O2  4e ñpdd  Cu + H2SO4 + 12 O2 Phương trình điện phân: CuSO4 + H2O  Bài 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân các muối sau: a) Điện phân nóng chảy Ba  OH 2 b) Điện phân dung dịch AgNO3, KBr, Na2SO4 Trang 10 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Giải: a) Sơ đồ điện phân:    +  Anot Catot  -    Ba(OH)2 Ba 2+ OH4OH-   O2 + 2H2O + 4e Ba 2+ + 2e   Ba ñpnc Phương trình điện phân: 2Ba  OH 2   2Ba + O2 + 2H2O b) AgNO3 Sơ đồ điện phân:    +  Anot Catot  -    AgNO3 NO3- ,H 2 O Ag + , H 2O 2H2O   4H+ + O2  4e Ag + + 1e   Ag ñpdd  4Ag + O2  + 4HNO3 Phương trình điện phân: 4AgNO3 + 2H2O  - KBr Sơ đồ điện phân: Catot  -    KBr    +  Anot K + , H 2O Br - ,H 2 O 2H2O + 2e   2OH- + H2 2Br -   Br2  + 2e ñpdd  2KOH + Br2  H2  Phương trình điện phân: 2KBr + 2H2O  mn - Na2SO4 Sơ đồ điện phân: Catot  -    Na2SO4    +  Anot - Na + , H 2O SO4 2 ,H 2 O 2H2O + 2e   2OH- + H2 2H2O   4H+ + O2  4e Phương trình điện phân: ñpdd 2H2O   2H2  + O2  Bài 2: Viết các quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực khi điện phân dung dịch chứa Fe3+ Fe 2+ 2+ > Cu Cu FeCl3 , CuCl2 , HCl + > 2H H2 2+ > Fe biết thứ tự thế điện hóa như sau: Fe Trang 11 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Giải: - Ở catot: Fe3+ + 1e   Fe2+ Cu 2+ + 2e   Cu 2H+ + 2e   H2 Fe2+ + 2e   Fe  Cl2 + 2e - Ở anot: 2Cl  Bài 3: Viết các phương trình điện phân xảy ra khi điện phân (với điện cực trơ, có màng ngăn) dung dịch chứa a mol CuSO4 và b mol NaCl trong 3 trường hợp: b = 2a; b < 2a; b > 2a. Giải: Catot  -    CuSO4, NaCl    +  Anot Na + , Cu 2+ , H 2O Cu 2+ + 2e   Cu SO4 2- , Cl- , H 2O 2Cl   Cl2 + 2e ñpdd  Cu  + Cl2  + Na 2SO4(1) Phương trình điện phân: CuSO4 + 2NaCl  a mol  2a mol Khi: b = 2a: 2 muối điện phân vừa hết. Sau khi (1) kết thúc thì nước bị điện phân. b < 2a: Sau khi (1) kết thúc còn dư CuSO4 nên có phản ứng: ñpdd CuSO4 + H2O   Cu + H2SO4 + 12 O2 (2) Sau (2) thì nước bị điện phân. b > 2a: Sau (1) NaCl dư nên có phản ứng: ñpdd 2NaCl + 2H2O   2NaOH + H2  + Cl2  mn (3) Sau (3) thì nước bị điện phân. Bài 4: Giải thích và viết sơ đồ điện phân: a/ Khi điện phân KCl nóng chảy và khi điện phân dung dịch KCl thì sản phẩm thu được là khác nhau. b/ Khi điện phân dung dịch KNO3, dung dịch H2SO4 thì sản phẩm thu được là giống nhau. Trang 12 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Giải: a/ Do ở catot xảy ra sự khử của những chất khác nhau nên phương trình điện phân khác nhau và cho sản phẩm là khác nhau. Sơ đồ điện phân: * KCl nóng chảy Catot(-) K + KCl Anot(+) (nc) Cl2Cl-   Cl2 +2e K + +1e  K ñp Phương trình điện phân: 2KCl   2K + Cl2 Sản phẩm khử tạo thành là kim loại kali. * Dung dịch KCl: Catot(-) Anot (+) KCl K + , H 2O Cl- , H 2O   (H 2 O) 2H 2O + 2e   H 2 +OH - 2Cl-   Cl2 +2e ñpdd Phương trình điện phân: 2KCl + 2H2O   2KOH + H2 + Cl 2 mn Sản phẩm khử tạo thành là khí hiđro. b/ Ở catot, các ion H+ hoặc các phân tử H2O bị khử, cùng giải phóng ra khí H2. Ở anot, H2O bị oxi hóa, giải phóng khí O2. Vì vậy sản phẩm tạo thành giống nhau. Sơ đồ điện phân: * Dung dịch KNO3 Catot(-) K + , H 2O 2H 2O+2e   H 2 +OH - KCl (H 2 O) Anot(+) NO3- , H 2O 2H 2O   O 2 +4H + +4e ñp Phương trình điện phân: 2H2O   2H2 + O2 * Dung dịch H2SO4 Catot (-) H + , H 2O 2H + +2e   H2 H 2SO 4 (H 2 O) Anot (+) SO2-4 , H 2O 2H 2O   O 2 +4H + +4e Trang 13 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Bài 5: Có một dung dịch chứa anion NO3- và các cation kim loại có cùng nồng độ mol/l: Cu 2+ , Ag + , Pb2+ . Hãy cho biết trình tự xảy ra sự khử của những ion kim loại này trên bề mặt catot. Giải: Các trình khử ion kim loại ở catot xảy ra theo trình tự sau: ion kim loại nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước: Ag + +1e   Ag Cu 2+ +2e   Cu Pb 2+ +2e   Pb Bài 6: Các quá trình oxi hóa và khử xảy ra ở các điện cực có giống nhau không, nếu ta điện phân dung dịch NiSO4 với: a/ Các điện cực trơ (Pt) b/ Các điện cực tan (Ni) Giải: Các quá trình khử ở catot giống nhau, các quá trình oxi hóa ở anot là khác nhau. a/ Điện cực trơ Sơ đồ điện phân Catot (-) Ni 2+ , H 2O Ni 2+ +2e   Ni NiSO 4 (H 2 O) Anot (Pt) (+) SO2-4 , H 2O 2H 2O   O 2 +4H + +4e Catot: tạo ra Ni kim loại Anot: tạo ra khí O2. b/ Điện cực tan Catot (-) 2+ Ni , H 2O Ni 2+ +2e   Ni NiSO 4 (H 2 O) Anot (Ni) (+) SO 2-4 , H 2O Ni   Ni 2+ +2e Hiện tượng: Ở anot không có khí bay ra, cực dương bị ăn mòn, có một lượng Ni bám trên cực âm (catot). Giải thích: Trang 14 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Điện cực dương bằng Ni bị ăn mòn, do Ni bị oxi hóa: Ni   Ni2+ +2e . Những ion Ni2+ này lại chuyển dời sang cực âm, tại đây chúng bị khử thành Ni: Ni2+ +2e   Ni . Bài tập tự giải: Bài 1: Điện phân một dung dịch chứa anion NO3 và các cation kim loại có cùng nồng độ mol: Cu 2+ , Ag + , Pb2+ . Hãy cho biết trình tự xảy ra sự khử của những ion kim loại này trên bề mặt catot? Bài 2: Hãy viết ptpư trên mỗi điện cực và ptpư chung (nếu có) cho mỗi sự điện phân sau: a) Dung dịch KCl có màng ngăn và không có màng ngăn. b) Dung dịch chứa đồng thời K 2SO4 và CuSO4 . c) Dung dịch Cu  NO3 2 với anot bằng Pt, catot bằng Cu. d) Dung dịch Cu  NO3 2 với anot bằng Cu, catot bằng Pt. Bài 3: Hãy nêu hiện tượng và viết ptpư khi điện phân các dung dịch hỗn hợp sau với điện cực Pt: a) HCl và Cu  NO3 2 b) NaCl và Cu  NO3 2 c) Zn  NO3 2 và Cu  NO3 2 Xét tất cả các trường hợp có thể xảy ra khi điện phân. Ngoài phương pháp điện phân còn có phương pháp nào tách được kim loại đồng ra khỏi các dung dịch trên? Bài 4: Ion Na + có bị khử hay không, khi người ta thực hiện những phản ứng hóa học sau: a) Điện phân NaCl nóng chảy. b) Điện phân dung dịch NaCl. c) Dung dịch NaOH tác dụng với dung dịch HCl. Viết sơ đồ, phương trình điện phân và phản ứng hóa học đã xảy ra? Bài 5: Cho các chất ACln , R x Oy , MOH ở trạng thái nóng chảy Trang 15 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 a) Viết phương trình điện phân từng chất? b) Phương pháp điện phân thường dùng điều chế những kim loại nào? Bài 6: Phản ứng nào xảy ra trong quá trình điện phân MgCl2 nóng chảy? A. Sự oxi hóa Mg 2+ B. Sự khử ion Mg 2+ C. Sự oxi hóa ion Cl- D. Sự khử ion Cl- Bài 7: Trong quá trình điện phân KBr nóng chảy, phản ứng nào xảy ra ở điện cực dương (anot)? A. Ion Br - bị khử B. Ion Br - bị oxi hóa C.Ion K + bị oxi hóa D. Ion K + bị khử Bài 8: Điện phân với điện cực trơ, có màng ngăn một dung dịch chứa các ion Fe2+ , Fe3+ , Cu 2+ , Cl- . Thứ tự các ion bị điện phân ở catot là: A. Fe2+ , Fe3+ , Cu 2+ B. Fe2+ , Cu 2+ , Fe3+ B. Fe3+ , Cu 2+ , Fe2+ D. Fe3+ , Fe2+ , Cu 2+ Bài 9: Cho các anion: Cl- , Br - , S2- , I- , OH- . Dãy nào sau đây sắp xếp đúng thứ thự tăng dần tính oxi hóa của các anion ở anot (điện cực trơ) A. Cl- , Br - ,S2- , I- , OHB. Br - ,S2- , I- , OH- ,ClC. I- , Cl- , Br - , S2- , OHD. S2- , I- , Br - , Cl- ,OHBài 10: Phát biểu nào dưới đây không đúng về bản chất quá trình hóa học xảy ra ở điện cực trong sự điện phân? A. Anion nhường electron ở anot B. Cation nhận electron ở catot C. Sự oxi hóa xảy ra ở catot D. Sự khử xảy ra ở anot Bài 11: Có các quá trình sau: a) Điện phân NaOH nóng chảy Trang 16 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 b) Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn c) Điện phân NaCl nóng chảy d) Cho NaOH tác dụng với dung dịch HCl 2. Dạng 2: Bài tập giải thích hiện tượng (sự biến đổi pH, sự thay đổi màu của quỳ tím…). Để làm dạng bài tập này yếu tố cần thiết nhất phải viết chính xác các phương trình điện phân Bài 1: Viết sơ đồ và phương trình phản ứng xảy ra khi điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 , NaBr . Trong quá trình điện phân, pH của dung dịch thay đổi như thế nào? Biết nồng độ mol của CuSO4 , NaBr bằng nhau. Giải: Catot  -    CuSO4, NaBr    +  Anot Na + , Cu 2+ , H 2O SO4 2- , Br - , H 2O Cu 2+ + 2e   Cu 2Br    Br2 + 2e ñpdd  Cu  + Br2  + Na 2SO4 Phương trình điện phân: CuSO4 + 2NaBr  a/2  a Vì nồng độ mol của 2 muối bằng nhau nên trong dung dịch hỗn hợp, số mol của 2 muối phải bằng nhau. Gọi a là số mol của mỗi muối thì sau (1) còn dư a/2 mol CuSO4 . Do muối CuSO 4 có phản ứng thủy phân cho môi trường axit nên pH của dung dịch nhỏ hơn 7.   Cu  OH  + H2SO4 CuSO4 + 2H2O   2 Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO4 thì pH giảm dần do nồng độ H + tăng dần. dpdd  2H2  + O2  Tiếp đến nước bị điện phân: 2H2O  Do nước cạn dần nên nồng độ H+ tăng dần, do đó pH giảm dần nhưng giảm chậm do nước cạn đi chậm. Trang 17 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Bài 2: Điện phân dung dịch gồm NaCl và HCl có màng ngăn, sau một thời gian điện phân ta thấy: a) Dung dịch thu được làm đỏ quỳ tím. b) Dung dịch thu được không làm đổi màu quỳ tím. c) Dung dịch thu được làm xanh quỳ tím. Hãy giải thích quá trình điện phân xảy ra trong mỗi trường hợp trên và viết ptpư. Giải: ñpdd a) 2HCl   H2 + Cl2 Dung dịch thu được làm đỏ quỳ tím chứng tỏ HCl chưa điện phân xong. b) Dung dịch thu được không làm đổi màu quỳ tím chứng tỏ điện phân vừa hết HCl. c) Dung dịch thu được làm xanh quỳ tím chứng tỏ NaCl đã bị điện phân. ñpdd 2NaCl + 2H2O   2NaOH + H2  + Cl2  mn Bài 3: Viết ptpư có thể xảy ra khi điện phân dung dịch hỗn hợp gồm HCl, CuCl2 , NaCl với điện cực trơ có màn ngăn. Hãy cho biết pH của dung dịch sẽ thay đổi như thế nào (tăng hay giảm) trong quá trình điện phân. Giải: pH = - lg  H +  Thứ tự điện phân: ñpdd CuCl2   Cu + Cl2 : pH không thay đổi do không làm thay đổi  H +  và pH < 7. ñpdd 2HCl   H2 + Cl2 : Do  H +  giảm nên pH tăng và pH = 7 lúc vừa hết HCl. ñpdd 2NaCl + 2H2O   2NaOH + H2  + Cl2  : pH tiếp tục tăng lên do OH -  tăng mn và pH > 7. ñpdd 2H2O   2H2  + O2  : Do nước cạn dần nên OH  tăng dần do đó pH tăng chậm. Trang 18 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN 2009 Bài 4: Viết phương trình phản ứng điện phân (điện cực trơ) dung dịch từng chất sau: NaCl (có màng ngăn), FeSO4 và HCl đến khi nước bắt đầu điện phân thì ngừng lại. Cho biết quỳ tím đổi màu gì trong dung dịch còn lại sau điện phân từng chất? Rút ra nguyên tắc chung khi điện phân dung dịch muối (của nhóm kim loại và nhóm axit nào) để nhận được dung dịch sau điện phân là axit, bazơ? Giải: ñpdd 2NaCl + 2H2O   2NaOH + H2  + Cl2  mn Dung dịch sau điện phân làm quỳ tím chuyển thành màu xanh. ñpdd 2FeSO4 + 2H2O   2Fe + O2 +2 H2SO4 mn Dung dịch sau điện phân làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ. ñpdd 2HCl   H2 + Cl2 Dung dịch sau điện phân không làm đổi màu quỳ tím. - Để nhận được dung dịch sau điện phân có môi trường axit, phải điện phân dung dịch muối tạo bởi kim loại có tính khử kém Al (sau Al) và gốc axit có oxi. - Để nhận được dung dịch sau điện phân có môi trường bazơ, phải điện phân dung dịch muối tạo bởi kim loại từ Al trở về trước (Al, kiềm, kiềm thổ) và gốc axit không có oxi. Bài 5: Điện phân nóng chảy muối AX (A là kim loại kiềm, X là Cl, Br, I) thu được chất rắn A và khí B. Cho A tác dụng với nước được dung dịch A ' và khí B' . Cho B' tác dụng với B được khí D. Cho D tác dụng với dung dịch A ' được dung dịch E. Viết các pthh và giải thích màu của quỳ tím. Giải: dpnc 2AX   2A + X2  (1) (A) (B) ñpnc 2A + 2H2O   2AOH + H2  ( A ' ) ( B' ) (A) H2 + X2   2HX (B) ( B' ) (2) (3) (D) Trang 19 LÍ THUYEÁT ÑIEÄN PHAÂN VAØ BAØI TAÄP ÑIEÄN PHAÂN AOH + HX   AX + H2O ( A' ) (D) 2009 (4) (E) Theo (1, 2, 3, 4) thì n AOH = n HX . Do đó dung dịch E chính là dung dịch muối AX. Vì các ion A + và X-  Cl- , Br - , I-  trung tính nên pH của dung dịch E bằng 7 và quỳ tím có màu tím (không đổi màu). Bài tập tự giải Bài 1: Điện phân dung dịch hỗn hợp H2SO4 , CuSO4 , KBr với điện cực trơ, màng ngăn xốp. Trong đó nồng độ mol/l của hai muối bằng nhau. Nếu thêm vài giọt quỳ vào thì màu của dung dịch thay đổi như thế nào trong quá trình điện phân? Bài 2: Khi điện phân dung dịch của một loại muối, giá trị pH trong không gian gần điện cực của một cực tăng lên. Dung dịch muối nào bị điện phân? Bài 3: a) Hãy nêu sự giống và khác nhau giữa hai quá trình: Cho Cu tác dụng với dung dịch AgNO3 và điện phân dung dịch AgNO3 với anot bằng Cu. b) Một hợp chất có công thức CuCO3 .Cu  OH 2 . Từ chất đó hãy trình bày 3 phương pháp điều chế Cu? Phương pháp nào thu được Cu tinh khiết hơn cả? Bài 4: Hãy giải thích: a) Khi điện phân KCl nóng chảy và khi điện phân dung dịch KCl thì sản phẩm thu được là khác nhau. b) Khi điện phân dung dịch KNO3 , dung dịch H 2SO4 thì sản phẩm thu được là giống nhau. Bài 5: Hãy viết sơ đồ và phương trình điện phân xảy ra khi điện phân dung dịch CuSO4 với hai điện cực bằng platin (Pt). Sau khi điện phân được một thời gian, ngắt nguồn điện ngoài và nối hai điện cực trên bằng dây dẫn, có hiện tượng gì xảy ra? Giải thích và minh họa bằng phương trình hóa học? Bài 6: Điện phân canxi clorua nóng chảy được chất rắn A và khí B. Cho A tác dụng với nước thu được khí C và dung dịch D. Thu khí B và C chophản ứng với nhau, Trang 20