Tài liệu CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN PHÂN

Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết CHUYÊN ĐỀ: ĐIỆN PHÂN A. LÝ THUYẾT I. Định nghĩa - 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. - 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 cực catot. + Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là cực anot. Như vậy: Điện phân là dùng năng lượng điện để thực hiện phản ứng oxi hóa - khử xảy ra trên catot và anot. + Tại catot (cực âm) xảy ra quá trình khử (nhận electron). + Tại anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hoá (cho electron). Khác với phản ứng oxi hoá khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn. II. Các trường hợp điện phân 1. Điện phân nóng chảy Phương pháp điện phân nóng chảy chỉ áp dụng điều chế các kim loại hoạt động rất mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al a) Điện phân nóng chảy oxit (chỉ dùng để điều chế Al) NaAlF6 2Al2 O3 ��� � 4Al+3O2 * Tác dụng của Na3AlF6 (criolit): + Hạ nhiệt cho phản ứng + Tăng khả năng dẫn điện cho Al + Ngăn chặn sự tiếp xúc của oxi không khí với Al Quá trình điện phân: + Catot (-): 2Al3+ +6e � 2Al + Anot (+): Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra ở anot ăn mòn. 1 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 6O 2- -6e � 3O 2 � 2C+O 2 � 2CO � 2CO+O2 � 2CO 2 � dpnc 2Al 2 O3 ��� � 4Al+3O 2 � Phương trình phản ứng điện phân cho cả 2 cực là: dpnc Al 2 O3 +3C ��� � 2Al+3CO � dpnc 2Al 2 O3 +3C ��� � 4Al+3CO 2 � Khí ở anot sinh ra thường là hỗn hợp khí CO, CO 2 và O2. Để đơn giản người ta thường NaAlF chỉ xét phương trình: 2Al2O3 ���� 4Al+3O2 6 b) Điện phân nóng chảy hiđroxit Áp dụng để điều chế các kim loại kiềm: Na, K Catot (-): 2M+ +2e � 2M 1 2 Anot (+): 2OH- � O 2 �+H 2 O �+ 2e 1 2 dpnc � 2M+ O 2 �+H 2 O � (M=Na, K,...) Tổng quát: 2MOH ��� c) Điện phân nóng chảy muối clorua Áp dụng để điều chế kim loại kiềm và kiềm thổ dpnc � 2M+xCl2 Tổng quát: 2MClx ��� (x=1,2) ; (M = Na, K, Li, Ca, Ba...) 2. Điện phân dung dịch a. Nguyên tắc Khi điện phân dung dịch, 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 hóa - khử ở điện cực. Khi đó quá trình oxi hóa - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào tính oxi hóa - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình điện phân. - Trong điện phân dung dịch nước giữ một vai trò quan trọng. + Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực. + Đôi khi nước tham gia vào quá trình điện phân. + Ở catot: 2H +2e � H 2 � hoặc có thể viết như sau: 2H2O + 2e → H2 + 2OH- Ở anot: 2OH- → O2 ↑ + 2H+ + 4e hoặc có thể viết như sau: 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân. Do vậy muốn điện phân nước cần hoà thêm các chất điện ly mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh... 2 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết Để viết được các phương trình điện ly một cách đầy đủ và chính xác, chúng ta cần lưu ý một số quy tắc kinh nghiệm sau đây: * Quy tắc 1: Quá trình khử xảy ra ở catot + Các cation nhóm IA, IIA, Al3+ không bị khử (khi đó H2O bị khử) + Các ion H+ (axit) và cation kim loại khác bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn (ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+ + ne → M + Các ion H+ (axit) dễ bị khử hơn các ion H+ (H2O) + Ví dụ khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl 3 , CuCl 2 và HCl thì thứ tự các ion bị khử là: Fe3+ + 1e → Fe2+ Cu2+ + 2e → Cu 2H+ + 2e → H2 Fe2+ + 2e → Fe * Quy tắc 2: Quá trình oxi hoá ở anot - Tại anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa anion gốc axit, OH– (bazơ kiềm), H2O theo quy tắc: + Các anion gốc axit có oxi như NO3-, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–…không bị oxi hóa + Các trường hợp khác bị oxi hóa theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O. b. Điện phân dung dịch với điện cực trơ (platin...) * Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr...) với các kim loại từ sau Al trong dãy điện hóa Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2 CuCl2 → Cu2+ + 2ClH2O  H+ + OHTại catot (-) : Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+) : 2Cl- → Cl2 + 2e dpdd → Phương trình ion: Cu2+ + 2Cl- ��� � Cu↓ + Cl2 ↑ dpdd → Phương trình phân tử: CuCl2 ��� � Cu↓ + Cl2 ↑ 3 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết * Điện phân dung dịch muối của axit có oxi (H2SO4, HNO3...) với các kim loại từ sau Al trong dãy điện hóa Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 CuSO4 → Cu2+ + SO42H2O  H+ + OHTại catot (-) : Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+) : 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e dpdd → Phương trình ion: 2Cu2+ + 2H2O ��� � 2Cu↓ + O2 ↑ + 4H+ dpdd → Phương trình phân tử: 2CuSO4+ 2H2O ��� � 2Cu↓ + O2 ↑ + 2H2SO4 * Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr...) với các kim loại đứng trước Al trong dãy điện hóa (Al3+ ; Mg2+ ; Na+ ; K+ ; Ca2+ ) Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn NaCl → Na+ + ClH2O  H+ + OHTại catot (-) : 2H2O + 2e → H2 ↑ + 2OHTại anot (+) : 2Cl- → Cl2 + 2e dpdd → Phương trình ion: 2H2O + 2Cl- ��� � H2 ↑ + 2OH- + Cl2 ↑ → Phương trình phân tử: 2NaCl + 2H2O H2 ↑ + 2NaOH + Cl2 ↑ Nếu không có màng ngăn thì Cl 2 sinh ra sẽ tác dụng với dung dịch NaOH tạo nước Gia-ven theo phản ứng sau: 2NaOH + Cl 2 → NaCl + NaClO + H 2O * Điện phân nước + Điện phân dung dịch kiềm (NaOH; KOH...) Ví dụ: Điện phân dung dịch NaOH NaOH → Na+ + OHH2O  H+ + OHTại catot (-) : 2H2O + 2e → H2 ↑ + 2OHTại anot (+) : 4OH- → O2 ↑ + 2H2O + 4e dpdd → Phương trình điện phân: 2H2O ��� � 2H2 ↑ + O2 ↑ + Điện phân dung dịch các axit có oxi (H2SO4 ; HClO4 ; HNO3...) Ví dụ: Điện phân dung dịch H2SO4 loãng H2SO4 → 2H+ + SO42H2O  H+ + OH- 4 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết Tại catot (-) : 2H+ + 2e → H2 ↑ Tại anot (+) : 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e dpdd → Phương trình điện phân: 2H2O ��� � 2H2 ↑ + O2 ↑ + Điện phân dung dịch muối của các axit có oxi (H2SO4 ; HClO4 ; HNO3...) với các kim loại từ Al kể về trước (K+ ; Na+ ; Ca2+...) Ví dụ: Điện phân dung dịch Na2SO4 Na2SO4 → 2Na+ + SO42H2O  H+ + OH Tại catot (-) : 2H2O + 2e → H2 ↑ + 2OHTại anot (+) : 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e dpdd → Phương trình điện phân: 2H2O ��� � 2H2 ↑ + O2 ↑ * Chú ý: Môi trường dung dịch sau điện phân + Dung dịch sau điện phân có môi trường axit nếu điện phân muối tạo bởi kim loại sau Al (trong dãy điện hóa) và gốc axit có oxi như: CuSO4, FeSO4, Cu(NO3)2..... + Dung dịch sau điện phân có môi trường bazơ nếu điện phân muối tạo bởi kim loại đứng trước Al (Al, kim loại kiềm, kiềm thổ) và gốc axit không có oxi như: NaCl, AlCl 3, KBr.... + Dung dịch sau điện phân có môi trường trung tính: điện phân các dung dịch điện li còn lại như : KNO3, H2SO4, Na2SO4.... c. Điện phân dung dịch 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 hóa thành ion kim loại. Ví dụ: Khi điện phân dung dịch CuSO4 nếu thay cực dương (anot) trơ (Pt hay than chì) bằng bản đồng thì sản phẩm của sự điện phân sẽ khác. CuSO4 → Cu2+ + SO42H2O  H+ + OHTại catot (-) : Cu2+ + 2e → Cu Tại anot (+) : Cu → Cu2+ + 2e → Phương trình điện phân: Cu2+ (d2) + Cu (r) → Cu2+ (d2) (anot - tan) + Cu (r) (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 Cu2+ và SO42- trong dung dịch không biến đổi. Kết quả như sự vận chuyển Cu từ anot sang catot 5 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết III - Định luật Faraday m= A Q A It × = . n F n 96500 Trong đó: + m: Khối lượng chất thu được ở điện cực, tính bằng 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 + Q = I.t: điện lượng đi qua dung dịch với cường độ dòng điện là I, thời gian t và có đơn vị là culong ; I (A); t(giây) + F: hằng số Faraday; 1F = 96487 C �96500C + A : gọi là đương lượng điện hoá, gọi tắt là đương lượng, kí hiệu là Đ. n IV. Ứng dụng của phương pháp điện phân 1. Điều chế một số kim loại: 2. Điều chế một số phi kim: H2; O2; F2; Cl2 3. Điều chế một số hợp chất: KMnO4; NaOH; H2O2, nước Giaven… 4. Tinh chế một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au… 5. Mạ điện: Điện phân với anot tan được dùng trong kĩ thuật mạ điện, nhằm bảo vệ kim loạ khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. Trong mạ điện, anot là kim loại dùng để mạ như: Cu, Ag, Au, Cr, Ni.. catot là vật cần được mạ. Lớp mạ rất mỏng thường có độ dày từ: 5.10 -5 đến 1.10-3 cm. B. PHÂN LOẠI BÀI TẬP I. Dạng 1: Chỉ có một cation kim loại bị khử 1. Phương pháp - Viết các quá trình xảy ra ở các điện cực bằng cách vận dụng các quy tắc 1 (Quá trình khử xảy ra ở catot) và quy tắc 2 (quá trình oxi hoá ở anot). - Sau đó cộng 2 nửa phản ứng ở 2 điện cực khi đó ta được phương trình điện phân tổng quát. - Sử dụng phương trình điện phân tổng quát như phản ứng hóa học thông thường để tính số mol các chất khác từ chất đã biết. -Từ công thức Faraday → số mol chất thu được ở điện cực được tính như sau: Số mol = - Nếu đề bài cho I và t thì trước hết tính số mol electron trao đổi ở từng điện cực (n e) theo công thức: ne = (*) (với F = 96500 khi t = giây và F = 26,8 khi t = giờ). 6 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết - Trong nhiều trường hợp có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh. 2. Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1: Điện phân hòan toàn 2,22 gam 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: nCl2 = 0,02 Tại catot: Mn+ + ne → M Theo định luật bảo toàn khối lượng mM = m(muối) – m(Cl2) = 2,22 – 0,02.71 = 0,8 gam Tại anot: 2Cl– → Cl2 + 2e Theo định luật bảo toàn mol electron ta có nM = → M = 20.n → n = 2 và M là Ca (hoặc có thể viết phương trình điện phân MCln M + Cl2 để tính) → 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: mNaOH (trước điện phân) = 20 gam Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước: dpdd H2O ��� � 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 = mol → V(O2) = 74,7 lít và V(H2) = 149,3 lít → đáp án D Ví dụ 3: Sau một 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 8 gam. Để làm kết tủa hết ion Cu2+ còn lại trong dung dịch sau điện phân cần dùng 100 ml dung dịch H2S 0,5 M. Nồng độ phần trăm của dung dịch CuSO4 ban đầu là: A. 12,8 % B. 9,6 % C. 10,6 % 7 D. 11,8 % Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết Hướng dẫn: nH2S = 0,05 mol - Gọi x là số mol CuSO4 tham gia quá trình điện phân: dpdd CuSO4 + H2O ��� � Cu ↓+ O2 ↑+ H2SO4 (1) → m (dung dịch giảm) = m Cu(catot) + m O2(anot) = 64x + 16x = 8 → x = 0,1 mol CuSO4 + H2S → CuS ↓ + H2SO4 (2) → nH2S = nCuSO4 = 0,05 mol Từ (1) và (2) → nCuSO4 (ban đầu) = 0,1 + 0,05 = 0,15 (mol) → C% = .100% =9,6% → 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 khi thời gian điện phân t1 = 200 s và t2 = 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: nCuSO4 = 0,02 = nCu2+ Thời gian cần thiết để điện phân hết Cu2+ là t = = 400 (s) → t1 < t < t2 → Tại t1 có số mol Cu2+ bị điện phân → m1 = 0,01.64 = 0,64 gam Và tại t2 Cu2+ đã 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 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 CuSO4 ban đầu là: A. 965 s và 0,025 M B. 1930 s và 0,05 M C. 965 s và 0,05 M D. 1930 s và 0,025 M Hướng dẫn: nNaOH = 0,01 mol - Khi ở catot bắt đầu có bọt khí (H2) thoát ra chứng tỏ CuSO4 đã bị điện phân hết theo phương trình: dpdd CuSO4 + H2O ��� � Cu ↓+ O2 ↑ + 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) 8 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết Và CM (CuSO4) = =0,025 (M) (hoặc có thể dựa vào các phản ứng thu hoặc nhường electron ở điện cực để tính) → đáp án A 3. Bài tập tự giải Bài 1: Điện phân đến hết 0,1 mol Cu (NO 3)2 trong dung dịch với điện tực trơ, thì sau điện phân khối lượng dung dịch đã giảm bao nhiêu gam A. 1,6g B. 6,4g C. 8,0 gam D. 18,8g Bài 2: Tính thể tích khí (đktc) thu được khi điện phân hết 0,1 mol NaCl trong dung dịch với điện cực trơ, màng ngăn xốp. A. 0,024 lit B. 1,120 lit C. 2,240 lit D. 4,489 lit Bài 3: Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực trơ , sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catot và một lượng khí X ở anot. Hấp thụ hoàn toàn lượng khí X trên vào 200 ml dung dịch NaOH ở nhiệt độ thường). Sau phản ứng nồng độ NaOH còn lại là 0,05M ( giả thiết thể tích của dung dịch NaOH không thay đổi). Nồng độ ban đầu của dung dịch NaOH là ? A. 0,15 M B. 0,2M D. 0,05M C. 0,1 M Bài 4: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65 A. Khi thể tích khí thoát ra ở cả hai đện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân. Khối lượng kim loại sinh ra ở katốt và thời gian điện phân là: A. 3,2gam và1000 s B. 2,2 gam và 800 s C. 6,4 gam và 3600s D. 5,4 gam và 1800s Bài 5: Điện phân dung dịch một muối nitrat kim loại với hiệu suất dòng điện là 100%, cường độ dòng điện không đổi là 7,72A trong thời gian 9 phút 22,5 giây. Sau khi kết thúc khối lượng catot tăng lên 4,86 gam do kim loại bám vào. Kim loại đó là A. Cu B. Ag C. Hg D. Pb II. Dạng 2: Bài toán điện phân có nước bị khử hoặc oxi hóa ở điện cực 1. Phương pháp - Quá trình điện phân thường xảy ra gồm nhiều giai đoạn * Giai đoạn 1: + Mn+ (đứng sau Al3+ trong dãy điện hóa) bị khử ở catot Mn+ + ne → M + Xm- (S2- ; I- ; Cl- ; Br- ; RCOO- ...) bị oxi hóa ở anot 2Cl- → Cl2↑ + 2e 9 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 2RCOO- → R-R + 2CO2 ↑+ 2e S2- → S + 2e * Giai đoạn 2: Hết Mn+ thì H2O tiếp tục bị khử ở catot (bắt đầu có khí H2 thoát ra) 2H2O + 2e → H2 ↑ + 2OHHết Xm- thì H2O bị oxi hóa ở anot (khi đó có O2 thoát ra) 2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e * Giai đoạn 3: (có thể có) H2O bị điện phân cho H2 ở catot và O2 ở anot Chú ý: Khi giải bài tập cần dựa vào số mol của M n+ , Xm- ... để biết sau mỗi giai đoạn hết ion nào và còn ion nào, từ đó kết luân giai đoạn kế tiếp ion nào sẽ bị điện phân. 2. Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1: Hòa tan 50 gam tinh thể CuSO4.5H2O 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 Hướng dẫn: nCuSO4.5H2O = nCuSO4 = 0,2 mol ; nHCl = 0,12 mol - Ta có ne = = = 0,2 mol - Thứ tự điện phân tại catot và anot là: Tại catot: Cu2+ + 2e → Cu 0,1 0,2 0,1mol → Cu2+ chưa bị điện phân hết → m (kim loại ở catot) = 0,1.64 = 6,4 gam Tại anot: 2Cl– → Cl2 ↑ + 2e 0,12 0,06 0,12mol → ne (do Cl– nhường) = 0,12 < 0,2 mol → tại anot Cl– đã bị điện phân hết và đến nước bị điện phân 10 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết → ne (do H2O nhường) = 0,2 – 0,12 = 0,08 mol 2H2O → O2 ↑ + 4H+ + 4e 0,02 0,08mol V (khí thoát ra ở anot) = (0,06 + 0,02).22,4 = 1,792 lít → đáp án A Ví dụ 2: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn, cường độ dòng điện I =1,93A. Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH = 12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%. A. 50s B. 100s C. 150s D. 200s Hướng dẫn : Vì dung dịch có pH = 12 → Môi trường kiềm . pH = 12 → [H+] = 10-12 → [OH-] = 0,01 → Số mol OH- = 0,001 mol NaCl → Na+ + ClCatot (-) Anot (+) Na+ không bị điện phân 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2 Cl- → Cl2 ↑ + 2e 0,001 ← 0,001mol → Số mol e trao đổi là : n = 0,001 mol Áp dụng công thức Faraday : n = → t = = = 50 (s) → 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: Số mol e trao đổi khi điện phân là: n= = = 0,2 mol n (CuCl2) = 0,1.0,5 = 0,05 mol ; n NaCl = 0,5.0,5 = 0,25 mol → n (Cu2+) = 0,05 mol , n (Cl-) = 0,25 + 0,05.2 = 0,35 mol → Vậy Cl- dư , Cu2+ hết , nên tại catot nước sẽ bị khử (sao cho đủ số mol e nhận ở catot là 0,2 mol) Tại catot : Tại anot : Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e 0,05→ 0,1mol 0,2 11 ← 0,2mol Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 2H2O + 2e → H2 + 2OH0,1 →(0,2-0,1)→ 0,1mol Dung dịch sau khi điện phân có 0,1 mol OH - có khả năng phản ứng với Al theo phương Al + OH- + H2O → AlO2- + H2 ↑ trình : 0,1← 0,1mol mAl max = 0,1.27= 2,7 (g) → Đáp án B 3. Bài tập tự giải Bài 1: Hòa tan 4,5 gam tinh thể MSO4.5H2O 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 Bài 2: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp gồm HCl 0,1M và CuSO4 0,5M bằng điện cực trơ . Khi ở catot có 3,2 gam Cu thì thể tích khí thoát ra ở anot là A. 0,56 lít B. 0,84 lít C. 0,672 lít D. 0,448 lít Bài 3: Tiến hành điện phân (có màng ngăn xốp) 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp HCl 0,02M và NaCl 0,2M. Sau khi ở anot bay ra 0,448 lít khí (ở đktc) thì ngừng điện phân. Cần bao nhiêu ml dung dịch HNO3 0,1M để trung hoà dung dịch thu được sau điện phân? A. 200 ml B. 300 ml C. 250 ml D. 400 ml Bài 4: Điện phân 100ml dung dịch A chứa đồng thời HCl 0,1M và NaCl 0,2 M với điện cực trơ có màng ngăn xốp tới khi ở anot thoát ra 0,224 lít khí (đktc) thì ngừng điện phân. Dung dịch sau khi điện phân có pH (coi thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể) là ? A. 6 B. 7 C. 12 D. 13 Bài 5: Điện phân dung dịch chứa a mol CuSO 4 và b mol NaCl (với điện cực trơ có màng ngăn xốp). Để dung dịch sau khi địên phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của a và b là (biết ion SO42- không bị điện phân trong dung dịch) A. b > 2a B. b = 2a C. b < 2a III. Dạng 3: Điện phân dung dịch chứa 2 ion kim loại 1. Phương pháp Giả sử tính oxi hóa của An+ < Bm+ 12 D. 2b = a Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết * Giai đoạn 1: Bm+ bị khử trước Bm+ + me → B * Giai đoạn 2: Hết Bm+ thì An+ bị khử An+ + ne → A Để biết Bm+ bị điện phân hết chưa ta có thể tính thời gian (t') cần điện phân hết Bm+ và so sánh với thời gian điện phân (t) cho trong đề bài. Khi đó + Nếu t' > t thì Bm+ chưa bị điện phân hết và An+ chưa bị điện phân. + Nếu t' = t thì Bm+ vừa bị điện phân hết. + Nếu t' < t thì Bm+ đã bị điện phân hết (xong giai đoạn 1) và đã chuyển sang giai đoạn 2. 2. Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1: Có 200 ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO3)2 và AgNO3, 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(NO3)2 và AgNO3 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 M D. 0,1 M và 0,1 M Hướng dẫn: - Ta có ne = = = 0,06 mol - Tại catot: Ag+ + 1e → Ag x x (mol) Cu2+ + 2e → Cu y y (mol) Ta có hệ phương trình: → CM Cu(NO3)2 = CM AgNO3 = 0,1 M → đáp án D Ví dụ 2: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp AgNO3 0,1 M và Cu(NO3)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. 3,44 gam Hướng dẫn: nAg+ = 0,02 mol ; nCu2+ = 0,04 mol - Ta có ne = = = 0,06 mol - Thứ tự các ion bị khử tại catot: 13 D. 2,58 gam Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết Ag+ + 1e → Ag (1) → sau (1) còn 0,06 – 0,02 = 0,04 mol electron 0,02 0,02 0,02 Cu2+ + 2e → Cu (2) → sau (2) còn 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 C Ví dụ 3: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2M và AgNO3 0,1M với cường độ dòng điện I = 3,86A.Tính thời gian điện phân để được một khối lượng kim loại bám bên catot là 1,72 gam ? A. 250s B.1000s C.500s D. 750s Hướng dẫn: Số gam kim loại Ag tối đa được tạo thành : 0,01.108 = 1,08 gam Số gam Cu tối đa tạo thành : 0,02.64 = 1,28 gam Vì 1,08 < 1,72 < 1,08 + 1,28 → Điện phân hết AgNO3 , Và còn dư một phần CuSO4 → Khối lượng Cu được tạo thành : 1,72 – 1,08 = 0,64 gam → n Cu = 0,01 mol Áp dụng công thức Faraday : + Đối với Ag ta có: 0,01 = → t1 = 250s + Đối với Cu ta có: 0,01 = → t2 = 500 s → Tổng thời gian : 250 + 500 = 750 s → Đáp án D. Ví dụ 4: Điện phân 100 ml hỗn hợp dung dịch gồm FeCl3 1M , FeCl2 2M , CuCl2 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 ở catot thu được là ? A. 5,6 g Fe B. 2,8 g Fe C. 6,4 g Cu D. 4,6 g Cu Hướng dẫn: Theo bài ra ta có: n (Fe3+) = 0,1 mol ; n (Fe2+) = 0,2 mol ; n (Cu2+) = 0,1 mol ; n HCl = 0,2 mol Sắp xếp tính oxi hóa của các ion theo chiều tăng dần : Fe2+ < H+ < Cu2+ < Fe3+ → Thứ tự bị điện phân ở catot như sau: Fe3+ + 1e → Fe2+ (1) 0,1 → 0,1→ 0,1 mol Cu2+ + 2e → Cu (2) 0,1 → 0,2→ 0,1 mol 14 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 2H+ + 2e → H2 ↑ (3) 0,2→ 0,2 mol Fe2+ + 2e → Fe (4) Theo công thức Faraday số mol e trao đổi ở hai điện cực : n = = = 0,5 mol Vì số mol e trao đổi chỉ là 0,5 mol → Quá trinh (4) chưa xảy ra → kim loại thu được chỉ ở quá trình (2) → Khối lượng kim loại thu được ở catot là : 0,1.64 = 6,4 gam → đáp án C. 3. Bài tập tự giải Bài 1: Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa 0,15 mol FeCl3; 0,3 mol CuCl2; 0,1mol NaCl đến khi catot bắt đầu sủi bọt khí thì ngừng điện phân. Tại thời điểm này, catot đã tăng: A. 27,6 gam B. 8,4 gam C. 19,2 gam D. 29,9 gam Bài 2: Điện phân 200ml dung dịch CuSO 4 0,5 M và FeSO4 0,5M trong 15 phút với điện cực trơ và dòng điện I= 5A sẽ thu được ở catot: A. chỉ có đồng B. Vừa đồng, vừa sắt C. chỉ có sắt D. vừa đồng vừa sắt với lượng mỗi kim loại là tối đa Bài 3: Điện phân 200ml dung dịch hỗn hợp gồm HCl 0,1M và CuSO 4 0,5M bằng điện cực trơ. Khi ở catot có 3,2g Cu thì thể tích khí thoát ra ở anot là A. 0, 56 lít B. 0, 84 lít C. 0, 672 lít D. 0,448 lit Bài 4: Điện phân dung dịch chứa 0,2 mol FeSO4 và 0,06mol HCl với dòng điện 1,34 A trong 2 giờ (điện cực trơ, có màng ngăn). Bỏ qua sự hoà tan của clo trong nước và coi hiệu suất điện phân là 100%. Khối lượng kim loại thoát ra ở katot và thể tích khí thoát ra ở anot (đktc) lần lượt là ? A. 1,12 g Fe và 0, 896 lit hỗn hợp khí Cl2 , O2. B. 1,12 g Fe và 1, 12 lit hỗn hợp khí Cl2 và O2. C. 11,2 g Fe và 1, 12 lit hỗn hợp khí Cl 2 và D. 1,12 g Fe và 8, 96 lit hỗn hợp khí Cl2 và O2. O2 . Bài 5: Tiến hành điện phân hoàn toàn dung dịch X chứa AgNO 3 và Cu(NO3)2 thu được 56 gam hỗn hợp kim loại ở catot và 4,48 lít khí ở anot (đktc). Số mol AgNO 3 và Cu(NO3)2 trong X lần lượt là (cho Ag = 108, Cu = 64) A. 0,2 và 0,3 B. 0,3 và 0,4 C. 0,4 và 0,2 IV. Dạng 4: Mắc nối tiếp nhiều bình điện phân 1. Phương pháp - Khi mắc nối tiếp nhiều bình điện phân khi đó ta có: 15 D. 0,4 và 0,2 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết + I1 = I2 = I3 = .....= In + t1 = t2 = t3 = ......= tn + Q = I.t = const → điện lượng qua mỗi bình là như nhau + Sự thu và nhường electron ở mỗi điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên phải tỉ lệ mol vow nhau Ví dụ: Mắc nối tiếp 2 bình điện phân trong đó bình 1 chứa dung dịch CuSO4 và bình 2 chứa dung dịch AgNO3. Khi đó ta có + Tại catot của bình 1: Cu2+ + 2e → Cu + Tại catot của bình 2: Ag+ + 1e → Ag → n (Cu2+) = n (Ag+) 2. Một số ví dụ minh họa Ví dụ 1: Mắc nối tiếp hai bình điện phân: bình (1) chứa dung dịch MCl2 và bình (2) chứa dung dịch AgNO3. 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: Do hai bình mắc nối tiếp nên ta có: Q = I.t = const ↔ = → M = 64 → Cu → đáp án B Ví dụ 2: Có hai bình điện phân mắc nối tiếp nhau. Bình 1 chứa dung dịch CuCl 2, bình 2 chứa dung dịch AgNO3. Tiến hành điện phân điện cực trơ, kết thúc điện phân thấy trên catot bình 1 tăng 1,6 gam. Khối lượng catot bình 2 tăng: A. 2,52 gam B. 3,24 gam C. 5,40 gam D. 10,8 gam Hướng dẫn: Theo bài ra ta có nCu = = 0,025 mol → n (Cu2+bị điện phân) = nCu = 0,025 mol + Tại catot của bình 1: Cu2+ + 2e → Cu + Tại catot của bình 2: Ag+ + 1e → Ag Do 2 bình điện phân mắc nối tiếp nên ta có: → n (Cu2+) = n (Ag+) → n (Ag+) = 2.0,025 = 0,05 mol → nAg = 0,05 mol → m (catot bình 2 tăng) = mAg = 0,05.108 = 5,40 gam → đáp án C 16 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 3. Bài tập tự giải Bài 1: Mắc nối tiếp 3 bình điện phân A, B, C đựng 3 dung dịch tương ứng CuCl 2, XSO4, và Ag2SO4 rồi tiến hành điện phân với điện cực trơ cường độ dòng điện là 5A. Sau thời gian điện phân t thấy khối lượng kim loại thoát ra tại catot bình A ít hơn bình C là 0,76g, và catot bình C nhiều hơn catot bình B và bình A là 0,485g. Khối lượng nguyên tử X và thời gian t là: A. 55 và 193s B. 30 và133s C. 28 và 193s D. 55 và 965s Bài 2: Cho một dòng điện có cường độ dòng điện không đổi đi qua 2 bình điện phân mắc nối tiếp, bình 1 chứa 100ml dung dịch CuSO4 0,01M, bình 2 chứa 100ml dung dịch AgNO3 0,01M. Biết rằng sau thời gian điện phân 500s thì bên bình 2 xuất hiện khí bên catot. Cường độ dòng điện I, khối lượng Cu trên catot và thể tích khí (đktc) xuất hiện bên anot của bình 1 là ? A. 0,193 A; 0,032 gam Cu; 5,6 ml O2. B. 0,193 A; 0,032 gam Cu; 11,2 ml O2. C. 0,386 A; 0,64 gam Cu; 22,4 ml O2. D. 0,193 A; 0,032 gam Cu; 22,4 ml O2. Bài 3: Cho 2 bình điện phân mắc nối tiếp. Bình điện phân 1 hòa tan 0,3725 gam RCl (R là kim loại kiềm) trong nước. Bình điện phân 2 chứa dung dịch CuSO 4. Sau một thời gian điện phân thấy catot bình điện phân 2 có 0,16 gam kim loại bám vào, còn ở bình điện phân 1 thấy chứa V (lít) dung dịch một chất tan pH = 13. Giá trị V là ? A. 0,05 lít B. 0,075 lít C. 0,1 lít D. 0,01 lít C. KẾT QUẢ THỰC HIỆN Việc vận dụng chuyên đề này vào giảng dạy bản thân tôi đã đạt được một số kết quả hết sức khả quan. Trước hết những kinh nghiệm này rất phù hợp với chương trình, SGK mới. Học sinh có hứng thú học tập hơn, tích cực chủ động sáng tạo để mở rộng vốn hiểu biết, đồng thời cũng rất linh hoạt trong việc thực hiện nhiệm vụ lĩnh hội kiến thức và phát triển kỹ năng.. Học sinh có cơ hội để khẳng định mình, không còn lúng túng, lo ngại khi bước vào giờ học. Đây cũng chính là những nguyên nhân đi đến những kết quả tương đối khả quan khi tôi cho lam bài kiểm tra phần điện phân này. Cụ thể: * Khi chưa áp dụng Đối tượng Lớp Tổng 8.0 – 10.0 Kết quả kiểm tra (điểm số bài kiểm tra) 6,5 – 7,9 5.0 – 6.4 3.5 – 4.9 17 0.0 – 3.4 Chuyên đề: Điện phân GV: Trần Thị Thiết 12A1 Số bài 42 SL 5 % 11,9 SL 17 % 40,5 SL 16 % 38,1 SL 4 % 9,5 SL 0 % 0 12A2 39 2 5,1 11 28,2 9 23,1 14 35,9 3 7,7 12A3 40 1 2,5 9 22,5 14 35,0 12 30,0 4 10,0 121 8 6,6 37 30,6 39 32,2 30 24,8 7 5,8 Tổng Trên TB: 84 chiếm 69,4% Dưới TB: 37 chiếm 30,6% * Khi áp dụng Đối tượng Tổng Lớp Số bài 1 12A 42 8.0 – 10.0 Kết quả kiểm tra (điểm số bài kiểm tra) 6,5 – 7,9 5.0 – 6.4 3.5 – 4.9 SL % SL % SL % SL % SL % 15 35,7 19 45,2 8 19,1 0 0 0 0 0.0 – 3.4 12A5 39 6 15,4 14 35,9 11 28,2 7 17,9 1 2,6 12A6 40 4 10,0 17 42,5 9 22,5 8 20,0 2 5,0 121 25 20,7 50 41,3 28 23,1 15 12,4 3 2,5 Tổng Trên TB: 103 chiếm 85,1% 18 Dưới TB: 18 chiếm 14,9%