CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN PHÂN
PHẦN I. MỘT SỐ KIẾN THỨC LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN PHÂN
1) Khái quát về quá trình điện phân
- Ta đã biết, trong pin ganvani , năng lượng hóa học xuất hiện từ một phản
ứng oxi hóa khử tự phát chuyển thành năng lượng điện.
- Quá trình điện phân là quá trình nguợc lại: năng lượng điện từ một nguồn
ngoài được sử dụng để cưỡng chế một phản ứng oxi hóa khử không tự phát xảy ra
trong bình diện phân.
- Ứng với một hệ oxi hóa khử các định, phản ứng đó xảy ra trong bình điện
phân là phản ứng nghịch của phản ứng xảy ra trong pin.
1
2+
Ví dụ: xét phản ứng: Zn + Cu
Zn2+ + Cu
2
- Phản ứng (1) là phản ứng tự phát xảy ra trong pin Daniell. Điện chuyển từ
Zn sang Cu2+ qua dây dẫn ngoài.
- Phản ứng (2) là phản ứng không tự phát. Muốn phản ứng này xảy ra, người
ta sử dụng một nguồn điện ngoài với một điện áp đủ lớn, mắc xung đối với pin để
cưỡng chế để dòng điện chuyển từ cực Cu sang cực Zn. Pin điện khi dó giữ vai trò
của một bình điện phân.
- Người ta có thể hình dung nguồn điện ngoài như một máy bơm hút điện tử
từ cực Cu, làm chuyển điện tử theo chiều ngược lại, ép điện tử vào điện cực Zn, từ
đó điện tử kết hợp với ion Zn2+ ở mạch điện tạo thành Zn (Zn2+ + 2e- → Zn)
-
+
Zn
Cu
u
..…
1,10V……..
Zn2+
SO42-
Anot
Cu2+
u
SO42-
catot
Hình quá trình điện phân trong pin
2) Định nghĩa về quá trình điện phân
Nếu trong trường hợp các phản ứng trên điện cực được gây ra bằng một nguồn
điện bên ngoài (trong hệ điện hoá có sự lưu thông dòng điện) thì đó là sự điện
phân.
Vậy sự điện phân là quá trình oxi hoá và khử xảy ra ở điện cực khi cho dòng
điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.
Để hiểu được rõ hơn các quy luật xảy ra trên catot và anot, cần làm quen với các
khái niệm sự phân cực điện cực, thế phân huỷ và quá thế.
3) Sự phân cực điện cực, thế phân hủy, quá thế
a. Sự phân cực điện cực.
Khi có dòng điện mật độ i lưu thông trên điện cực thì điện cực chuyển từ trạng thái
cân bằng – không phụ thuộc vào thời gian (đặc trưng bằng i = 0) sang trạng thái
không cân bằng đặc trưng bằng i.
Người ta gọi sự chênh lệch của thế điện cực cân bằng i = 0 đối với điện cực qua đó
có dòng điện lưu thông là sự phân cực điện cực
= i - i = 0
Nếu sự thay đổi thế điện cực dịch chuyển về phía dương hơn so với thế cân bằng
thì gọi là sự phân cực anot và ngược lại - sự phân cực catot.
Sự phân cực điện cực được chia thành các loại như: phân cực nồng độ, phân cực
hoá học, phân cực điện hoá.
- Sự phân cực nồng độ sinh ra bởi sự biến đổi nồng độ còn ở lớp gần bề mặt
điện cực khi có mặt của dòng điện đi qua. Trong trường hợp này thế của
điện cực anot tăng (trở thành dương hơn) do nồng độ của ion kim loại hoà
tan tăng lên, trái lại thế điện cực catot giảm (trở thành âm hơn) do nồng độ
ion trên bề mặt của nó giảm.
- Sự phân cực hoá học sinh ra do phản ứng giữa môi trường hoặc chất điện li
với vật liệu làm điện cực khi có dòng điện đi qua làm biến đổi tính chất của
bề mặt điện cực dẫn đến sự thay đổi thế.
- Sự phân cực điện hoá được sinh ra do dòng electron (đến catot nối với cực
âm và rời anot nối với cực dương của nguồn điện) không đi qua được dung
dịch điện li khi có điện áp giữa 2 cực chưa đạt được một giá trị cần thiết làm
xuất hiện một hiệu điện thế ngược chiều với chiều của nguồn điện ngoài.
b. Thế phân hủy, quá thế.
- Người ta gọi điện áp tối thiểu cùa nguồn điện ngoài cần đặt vào 2 điện
cực của pin điện phân để quá trình điện phân có thể xảy ra là thế phân hủy.
- Về mặt lí thuyết, nếu không có các phản ứng phụ khác thì người ta có thể
coi thế phân hủy bằng suất điện động của pin tạo bởi các chất ở anot và catot.
- Trên thực tế các phản ứng xảy ra trên các điện cực còn bị chi phối bởi các
quy luật cùa động hóa học.Nhiều phản ứng, với một cơ chế động học phức tạp, xảy
ra rất chậm. Các phản ứng này chỉ xảy ra được khi điện thế tại các điện cực có giá
trị khác với giá trị suất điện động của pin tương ứng.
- Hiệu hai giá trị này được gọi là quá thế η (eta) của phản ứng xảy ra trên
điện cực tương ứng. Quá thế ở anot khí hiệu là η a, quá trình thế tại catot khí
hiệu là ηc.
Cu
u
0,35V
anot-
Zn
-0,76V
1,10V
catot-
-
Thế phân hủy
Zn2+ +
>1,10V
+
Nguồn
Điện
Suất điện động
Ta có thể lấy ví dụ khi xảy ra phản ứng điện phân Zn + Cu2+
Cu
Sơ đồ mô tả quan hệ giữa suất động dòng điện của pin và thế phân hủy khi điện
phân .
4) Các Trường Hợp Điện Phân
a. Điện phân nóng chảy
a) Điện phân nóng chảy oxit: M2On
� O2 �
�M
Catot (-): M n+ + ne ��
Anot (+): 2O 2- - 4e ��
Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra tại Anot ăn mòn.
2C + O 2
��
� 2CO �
2CO + O2 ��
� 2CO2 �
Phương trình phản ứng điện phân cho cả hai điện cực là:
2M 2 O n
dpnc
���
� 4M +
nO 2 �
dpnc
M 2On + nC ���
� 2M + nCO �
dpnc
2M 2O n + nC ���
� 4M + nCO2 �
Khí sinh ra ở Anot thường là hỗn hợp: CO, CO2 và O2. Để đơn giản ta chỉ xét
phương trình sau:
2M 2 O n
dpnc
���
� 4M +
nO2 �
b) Điện phân nóng chảy Hidroxit : M(OH)n
Catot (-): Mn+ + ne � M
1
O 2 � + H 2O �
2
n
dpnc
2M(OH) n ���
� 2M +
O 2 � + nH 2O �
2
�
Anot (+): 2OH- - 2e ��
Tổng quát:
c) Điện phân nóng chảy muối Halogenua (MXn)
� X2 �
Catot (-): Mn+ + ne � M
Anot (+): 2X- - 2e ��
dpnc
� 2M + nX 2
Tổng quát: 2MX n ���
b. Điện phân dung dịch
- Trong quá trình điện phân dung dịch, dung môi nước đóng vai trò quan trọng.
+ Là môi trường để các ion (anion và cation) chuyển động về các điện cực.
+ Đôi khi nước cũng tham gia vào quá trình điện phân.
2H 2 O + 2e ��
� H 2 + 2OH Ở Catot:
Ở Anot:
H 2O 2e ��
�
1
O 2 � + 2H
2
Để viết được các phương trình điện phân một cách đầy đủ và chính xác, chúng ta
cần ghi nhớ một số qui tắc kinh nghiệm sau :
Qui tắc 1: Quá trình khử xảy ra ở Catot
+ Các ion kim loại từ Al3+ trở về đầu dãy điện hóa không bị khử thành kim
loại khi điện phân dung dịch.
+ Các ion kim loại sau Al3+, bị khử thành kim loại theo thứ tự từ phải sang
trái.
Qui tắc 2: Quá trình oxihóa ở Anot
S2- > I- > Br - > Cl- > OH - (H 2O)
+ Thứ tự điện phân:
“Các anion (gốc axít) chứa oxi: NO3- ; SO 42- ; CO32- ; SO32- ; PO 43- ; ClO 4- … coi như
không bị điện phân”
Lưu ý: Hiện tượng dương cực tan
“Nếu Anot làm bằng kim loại, thì kim loại sẽ bị oxihóa thành ion Mn+ do đó anot
sẽ bị tan dần trong quá trình điện phân”
5) Định luật faraday
- Điện tích cùa địên tử e o = 1,602.10-1 9 C. Như vậy một mol điện tử có điện
tích.
Neo = 6,022.1023.1,602.10-19 = 96500C.
Hằng số F = 96500C/mol gọi là hằng số Faraday.
Trong quá trình điện phân, xảy ra các phản ứng:
Tại anot: Xn- → X + ne Tại catot: Mn+ + ne- → M
Như vậy, ứng với một mol nguyên tử M được giải phóng có điện tích nF
hay ứng với x mol nguyên tử M có điện tích bằng xnF chuyển trong dây dẫn.
Mặt khác, điện tích này có thể được tính theo hệ thức: q = It trong đó I là
cường độ dòng điện và t là thời gian.
Từ đó ta có: xnF = It hay x =
Nếu gọi m là khối lượng của M tình ra gam và A là khối lượng mol cùa M ta
có:
m=
x=
Từ đó ta có:
Đó là nội dung dịnh luật Faraday
6) Ứng dụng của 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 Gia ven..
4. Tinh chế một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au… Nguyên tắc của phương
pháp này là dùng ngay kim loại cần tinh chế là anot. Khi điện phân kim loại anot bị
hòa tan chuyển vào dung dịch và lại kết tủa trên catot dưới dạng tinh khiết (tạp chất
hoặc không tan chuyển thành bùn anot, hoặc tan chuyển vào dung dịch nhưng
không kết tủa ở catot).
5. Mạ điện: Cr, Ni… Phương pháp này dựa trên cơ sở dùng sản phẩm kim loại cần
được mạ làm catot và chất điện phân là dung dịch muối chứa ion kim loại tạo lớp
mạ. Khi điện phân trên sản phẩm kim loại sẽ kết tủa lớp kim loại bảo vệ này, tạo
khả năng chống ăn mòn tốt hơn để bảo vệ sản phẩm khỏi bị rĩ, để tạo độ cứng cho
bề mặt sản phẩm, để trang trí sản phẩm.
6. Đúc điện (kết tủa điện phân kim loại): để chế tạo những sản phẩm có hình dạng
phức tạp và thành mỏng (khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử…)
PHẦN II. MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN
1. Một Số Lưu Ý Khi Giải Bài Tập Điện Phân
+ Cần nhớ thứ tự ưu tiên điện phân ở catot và anot
+ Khi catot bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là các
ion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết, tại catot H2O bắt
đầu bị điện phân.
+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai
loại) có thể bị điện phân đã bị điện phân hết. Khi đó tiếp tục điện phân sẽ là H2O
bị điện phân.
+ Chất rằn thoát ra có thể là kim loại (có thể là kết tủa của một kim loại hay có cả
hai).
+ Chất khí thoát ra sau điện phân gồm cả khí thoát ra ở catot và anot (trừ khí gây ra
phản ứng phụ, tạo sản phẩm tan trong dung dịch). Nếu đề yêu cầu tính lượng khí,
phải xác định rõ khí ở điện cực nào, hay khí thu được tất cả sau điện phân.
+ Với quá trình điện phân có sinh ra kết tủa hay giải phóng khí:
mdung dịch sau điện phân = mdung dịch trước điện phân - mkết tủa - mkhí
+ Nếu điện phân các bình nối tiếp nhau thì Q = I.t qua mỗi bình bằng nhau. Sự thu
hoặc nhường electron ở các cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các
cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau.
+ Khi 2 bình điện phân mắc song song, nếu R1 = R2 thì I1 = I2 =
+ Nếu đề cho 2 yếu tố cường độ dòng điện, thời gian điện phân, thì trước tiên tính
số mol electron rồi biện luận tiếp theo trật tự điện phân, ngược lại cho lượng chất
thoát ra ở điện cực hay sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực,
pH,…thì tìm cách tính cường độ dòng điện ne rồi thay ne vào công thức trên.
+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol
electron thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh.
2. Một Số Bài Tập Điện Phân
C©u I:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2000-2001)
Dung dÞch X cã chÊt tan lµ muèi M(NO3)2 . Ngêi ta dïng 200ml dung dÞch K3PO4 võa ®ñ
ph¶n øng víi 200ml dung dÞch X, thu ®îc kÕt tña M3(PO4)2 vµ dung dÞch Y. Khèi lîng kÕt
tña ®ã (®· ®îc sÊy kh«) kh¸c khèi lîng M(NO3)2 ban ®Çu lµ 6,825 gam.
§iÖn ph©n 400 ml dung dÞch X b»ng dßng ®iÖn I = 2 ampe tíi khi thÊy khèi lîng catèt
kh«ng t¨ng thªm n÷a th× dõng, ®îc dung dÞch Z. Gi¶ thiÕt sù ®iÖn ph©n cã hiÖu suÊt
100%.
a) H·y t×m nång ®é ion cña dung dÞch X, dung dÞch Y, dung dÞch Z. Cho biÕt c¸c
gÇn ®óng ph¶i chÊp nhËn khi tÝnh nång ®é dung dÞch Y, dung dÞch Z.
b) TÝnh thêi gian (theo gi©y) ®· ®iÖn ph©n.
c) TÝnh thÓ tÝch khÝ thu ®îc ë 27,3oC , 1atm trong sù ®iÖn ph©n.
C¸ch gi¶i:
a) Ph¬ng tr×nh ph¶n øng:
3 M(NO3)2 + 2 K3PO4
M3(PO4)2 + 6 KNO3
(1)
Dung dÞch Y: dung dÞch KNO3 KNO3
K+ + NO3(2)
Theo (1), 6mol NO3- ph¶n øng t¹o ra 2mol PO43- lµm thay ®æi khèi lîng 372 190 = 182
(g)
x mol NO3- ph¶n øng t¹o ra x/3mol PO43- lµm thay ®æi khèi lîng 6,825 (g)
x
3x 6,825
0,1125(mol)
182
m
AIt
96500n
t
m 96500n
A
I
(7 )
Theo (1),
nK+ = nNO3- = nKNO3 = 2 nM (NO3)2
= 2 0,1125 = 0,225 (mol).
Coi Vdd Y Vdd X + Vdd K3PO4 400 (ml)
0,225 1000
VËy C K+ = C NO3- =
= 0,5625 (mol/l)
400
Dung dÞch Y cã nång ®é: C K+ = C NO3- = 0,5625 (mol/l)
C¸c gÇn ®óng ®· chÊp nhËn khi tÝnh nång ®é dung dÞch Y:
- Bá qua sù thay ®æi thÓ tÝch khi tÝnh (3) vµ sù cã mÆt M3(PO4)2
- Bá qua sù tan M3(PO4)2
3M2+
+
(4)
- Bá qua sù ph©n li H2O
H+ + OH XÐt sù ®iÖn ph©n, s¬ ®å ®iÖn ph©n:
K
M2+ + 2 e = M
Ph¬ng tr×nh ®iÖn ph©n:
M(NO3)2 + H2O
Dung dÞch Z cã chÊt tan HNO3 .
M(NO3)2
H2O
+
1/2 O2
Coi Vdd Z Vdd X 400 (ml)
Theo (5) n HNO3 = 2 n M(NO3)2 = 2
VËy C H+ = C NO3- =
n HNO3 1000
400
2PO43-
A
2 H2O
M
(3)
+
2 e = 1/2 O2
2 HNO3
+
(5)
0,5625 400
1000
= 1,125 (mol/l)
C¸c gÇn ®óng ®· chÊp nhËn khi tÝnh nång ®é dung dÞch Z:
- Coi Vdd Z Vdd X, bá qua sù thay ®æi thÓ tÝch do sù ®iÖn ph©n g©y ra.
- Bá qua sù ph©n li H2O
H+ + OH - v× Z lµ dd HNO3.
Nång ®é ion dd X: CM+ = 0,5625 M ; CNO3- = 1,125 M
dd Y: CK+ = CNO3- = 0,5625 M
dd Z: CH+ = CNO3- = 1,125 M.
b) TÝnh thêi gian ®· ®iÖn ph©n:
m
n
Thay sè vµo (7) lµ
= M(NO3)2 = 0,5625 0,4 = 0,025 (mol)
A
n=2 ; I=2
VËy t = 0,225 96500 = 21.712,5 (gi©y)
c) TÝnh thÓ tÝch khÝ thu ®îc ë 27,3oC , 1atm trong sù ®iÖn ph©n dung dÞch Y, Z.
1
0,225
n O 2 n M ( NO 3 ) 2
0,1125( mol)
2
2
2 H+
(6)
Theo 5 :
Vo2 =
22,4 0,1125 300,3 n
273 1
= 2,772 (lÝt)
NhËn XÐt: Khi ®Ò bµi kh«ng cho biÕt tÝch sè tan cña M3(PO4)2 cã nghÜa lµ kh«ng
nhÊn m¹nh vµo sù ph©n ly cña M 3(PO4)2. Do ®ã häc sinh cÇn chó ý ®Õn d÷ kiÖn cña ®Ò
bµi ®Ó x¸c ®Þnh ®îc c¸c c©n b»ng chÝnh trong dung dÞch.
C©u II:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2001-2002)
Cho dßng ®iÖn 0,5A ®i qua dung dÞch muèi cña mét axit h÷u c¬ trong 2 giê. KÕt qu¶ sau
qu¸ tr×nh ®iÖn ph©n lµ trªn cat«t t¹o ra 3,865 gam mét kim lo¹i vµ trªn an«t cã khÝ etan vµ
khÝ cacbonic tho¸t ra.
1. Cho biÕt muèi cña kim lo¹i nµo bÞ ®iÖn ph©n? BiÕt r»ng 5,18 gam cña kim lo¹i ®ã ®Èy
®îc 1,59 gam Cu tõ dung dÞch ®ång sunfat.
2. Cho biÕt muèi cña axit h÷u c¬ nµo bÞ ®iÖn ph©n?
3. ViÕt c¸c ph¬ng tr×nh ph¶n øng x¶y ra trªn c¸c ®iÖn cùc.
Lêi gi¶i:
1. Kim lo¹i ph¶i t×m lµ Pb (A = 207,6).
2. T¹i anèt khi ®iÖn ph©n cã C2H6 vµ CO2 tho¸t ra lµ s¶n phÈm cña sù «xi ho¸ anion h÷u
c¬, muèi nµy cã c«ng thøc Pb (RCOO)2. Sù t¹o ra ªtan.
(CH3 - CH3) vµ CO2 tõ nhãm COO- chøng tá muèi ®iÖn ph©n lµ Pb(CH3COO)2 .
R
R
3. C¸c ph¶n øng x¶y ra trªn c¸c ®iÖn cùc:
T¹i catèt:
Pb2+ + 2 e = Pb
T¹i anèt:
CH3COO- - e = CH3COO
CH3COO
= CH3 + CO2
2 CH3
= C2H6
Tæng qu¸t: 2 CH3COO- 2e = C2H6 + CO2.
NhËn XÐt: Khai th¸c vÒ c¬ chÕ ®iÖn ph©n cña c¸c ion gèc axit h÷u c¬.
C©u III:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2002-2003)
§iÖn ph©n 50 mL dung dÞch HNO3 cã pH = 5,0 víi ®iÖn cùc than ch× trong 30 giê, dßng
®iÖn 1A.
a) ViÕt nöa ph¶n øng t¹i c¸c ®iÖn cùc vµ ph¬ng tr×nh ph¶n øng chung.
b) TÝnh pH cña dung dÞch sau khi ®iÖn ph©n.
c) TÝnh thÓ tÝch dung dÞch NaOH 0,0001 mol/L cÇn ®Ó trung hßa dung dÞch sau khi ®iÖn
ph©n.
d) H·y cho biÕt nªn dïng chÊt chØ thÞ nµo ®Ó x¸c ®Þnh ®iÓm dõng cña ph¶n øng trung hßa.
Coi khèi lîng riªng cña dung dÞch HNO3 lo·ng lµ 1 g/mL
Lêi gi¶i:
a) Nöa ph¶n øng oxi ho¸ ë anot: H2O 2 e 2 H+ +
O2
+
Nöa ph¶n øng khö ë catot:
2H
+ 2 e H2
1
H2O
H2 2 +
O2
b) TÝnh pH cña dung dÞch sau khi ®iÖn ph©n
q = 1 A 30 giê 3600 s = 108000 (Cul«ng) ; Sè Fara®©y: 108000 c = 1,11917 F
96500
1,11917 F
C/F
Hn2 = 2 F/mol
= 0,559558 0,556 mol
Sè mol níc bÞ ®iÖn ph©n lµ 0,556 mol.
Khèi lîng níc bÞ ®iÖn ph©n: 0,556 mol 18 g/mol = 10,074 g
Khèi lîng dung dÞch tríc khi ®iÖn ph©n lµ 50 mL
Khèi lîng dung dÞch sau khi ®iÖn ph©n lµ 50 10,074 = 39,926 (g) 40 g
40 g
ThÓ tÝch dung dÞch sau khi ®iÖn ph©n lµ: V =1 g/mL = 40 mL = 0,04 L
Sè mol HNO3 = 0,05 l 105 = 5. 107 (mol)
5. 107 mol
HNO3
+
C
= H =
= 1,25.105 M
0,04 L
pH = lg H+ = lg (1,25.105) = 4,903 4,9
c) Ph¶n øng: NaOH + HNO3 = NaNO3 + H2O
nNaOH = nHNO3 = 5. 107 mol
5. 107
Vdd NaOH =
= 5. 103 L = 0,005 L = 5 ml
104 M
d) Ph¶n øng x¶y ra gi÷a axit m¹nh
vµ baz¬ m¹nh nªn cã thÓ dïng chÊt chØ thÞ lµ
phenolphtalein cã kho¶ng chuyÓn mµu (pH) 8 10.
C©u IV:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2003-2004)
Mét b×nh ®iÖn ph©n chøa dung dÞch NaOH (pH=14) vµ mét b×nh ®iÖn ph©n kh¸c chøa
dung dÞch H2SO4 (pH = 0) ë 298K. Khi t¨ng hiÖu ®iÖn thÕ tõ tõ ë hai cùc mçi b×nh ngêi ta
thÊy cã khÝ gièng nhau tho¸t ra ë c¶ hai b×nh t¹i cïng ®iÖn thÕ.
1. Gi¶i thÝch hiÖn tîng trªn. ViÕt c¸c ph¬ng tr×nh ph¶n øng x¶y ra ë mçi b×nh (kh«ng xÐt
sù t¹o thµnh H2O2 vµ H2S2O8).
2. TÝnh hiÖu ®iÖn thÕ tèi thiÓu ph¶i ®Æt vµo hai cùc mçi b×nh ®Ó cho qu¸ tr×nh ®iÖn ph©n
x¶y ra.
3. Ngêi ta muèn gi¶m pH cña dung dÞch NaOH xuèng cßn 11. Cã thÓ dïng NH 4Cl ®îc
kh«ng? NÕu ®îc, h·y gi¶i thÝch vµ tÝnh khèi lîng NH4Cl ph¶i dïng ®Ó gi¶m pH cña 1 lÝt
dung dÞch NaOH tõ 14 xuèng cßn 11.
4. Khi pH cña dung dÞch NaOH b»ng 11, th× hiÖu ®iÖn thÕ tèi thiÓu ph¶i ®Æt vµo hai cùc
cña b×nh ®iÖn ph©n ®Ó cho qu¸ tr×nh ®iÖn ph©n x¶y ra lµ bao nhiªu?
Cho biÕt: EHo2O, 1/2 O2 / 2OH = 0,4 V ; Eo2H+, 1/2 O2 / H2O = 1,23 V ; pKb (NH3) = 4,75
Híng dÉn chÊm:
1.
Trong thÝ nghiªm nµy, níc bÞ ®iÖn ph©n ë cïng mét ®iÖn thÕ.
a) Dung dÞch NaOH:
ë an«t:2 OH
H2O + 1/2 O2 + 2 e
ë cat«t:
2 H2O + 2 e
H2 + 2 OH
H2O
H2 + 1/2 O2
b) Dung dÞch H2SO4:
ë an«t: H2O
1/2 O2 + 2 H+ + 2 e
ë cat«t:
2 H+ + 2 e
H2
2.
H 2O
H2 + 1/2 O2
KhÝ tho¸t ra ë 2 b×nh ®Òu lµ hi®ro vµ oxi
a) Dung dÞch NaOH:
Ean«t = 0,4 V
0,0592
Ecat«t = 0 + 2
lg (1014)2 = 0,83 V
U min = E an«t E cat«t = 0,4 + 0,83 = 1,23 V
b) Dung dÞch H2SO4:
Ean«t = 1,23 V
Ecat«t = 0 V
Umin = E an«t E cat«t = 1,23 V
(khi tÝnh Umin kh«ng xÐt ®Õn qu¸ thÕ).
3. Cã thÓ dïng NH4Cl ®Ó gi¶m pH cña dung dÞch NaOH tõ 14 xuèng 11.
NH4+ + OH
NH3 + H2O
pOH cña dung dÞch NaOH ®· thªm NH4Cl ®Ó gi¶m pH cña dung dÞch NaOH tõ 14 xuèng
11 ®îc tÝnh theo c«ng thøc:
pOH = pKb + lg [NH +]
4
[NH3]
3 = 4,75 + lg
[NH4+]
Suy ra [NH4+] = 0,0178
[NH3]
[NH3]
Khi pH cña dung dÞch NaOH gi¶m tõ 14 xuèng 11 th× [OH] cña dung dÞch gi¶m
®i: 1 103 = 0,999 mol. §©y chÝnh lµ sè mol NH3 h×nh thµnh. VËy [NH3] = 0,999 mol/L
vµ:
[NH4+] = 0,0178 0,999 0,0178 (mol/L)
Sè mol NH4Cl ph¶i thªm vµo 1 lÝt dung dÞch:
n= n
NH4+
+ n NH = 0,0178 + 0,999 = 1,0168 (mol)
3
Khèi lîng NH4Cl ph¶i thªm vµo 1 lÝt dung dÞch: 1,0168 53,5 = 54,4 (gam)
4. Khi pH = 11, dung dÞch NaOH:
0,0592
1
Ean«t = 0,4 V +
2 lg (103)2
0,0592
Ecat«t = 0 +
2 lg (10 11)2
U min = E an«t E cat«t = 0,4 + 3 0,0592 + 0,0592 11 1,23 V
NhËn XÐt: Cã thÓ gi¶i ý 3 dùa vµo ph¬ng ph¸p b¶o toµn ®iÖn tÝch
C©u V:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2005-2006)
Người ta mạ niken lªn mẫu vật kim loại bằng phương ph¸p mạ ®iện trong bể mạ
chứa dung dịch niken sunfat. §iện ¸p ®îc ®Æt lªn c¸c đ®iện cực của bể mạ lµ 2,5 V.
CÇn mạ 10 mẫu vật kim loại h×nh trụ; mỗi mẫu cã b¸n kÝnh 2,5cm, cao 20 cm.
Người ta phủ lªn mỗi mẫu một lớp niken dÇy 0,4 mm. H·y:
a) Viết phương tr×nh c¸c phản ứng xảy ra trªn c¸c đñiện cực của bể mạ đñiện.
b) TÝnh ®iện năng (theo kWh) phải tiªu thụ.
Cho biết: Niken cã khối lượng riªng D = 8,9 g/cm3; khối lượng mol nguyªn tö lµ
58,7(g/mol); hiệu suất dßng bằng 90% ; 1 kWh = 3,6.106J.
Híng dÉn gi¶i:
3. a) Ph¬ng tr×nh c¸c ph¶n øng x¶y ra trªn bÒ mÆt c¸c ®iÖn cùc cña bÓ m¹:
Anot :
Ni
Ni2+ + 2 e
Catot:
Ni2+ + 2 e
Ni
b) ThÓ tÝch cña 1 mÉu vËt kim lo¹i h×nh trô lµ
V = πr2h = 3,14 (2,5)2 20 = 392,5 (cm3).
Líp phñ niken ë mçi mÉu vËt cã bÒ dµy 0,4 mm nªn ë mçi mÉu vËt nµy b¸n
kÝnh t¨ng tíi 2,5 + 0,04 = 2,54 (cm); chiÒu cao t¨ng tíi 20,0 + (0,042) = = 20,08
(cm).
VËy thÓ tÝch cña mçi mÉu vËt nµy t¨ng thªm mét lîng lµ:
V’’ = V ' - V = [ 3,14. (2,54)2. 20,08] - 392,5
V’’ = 14,281(cm3)
Tæng sè thÓ tÝch t¨ng thªm cu¶ c¶ 10 mÉu vËt lµ:
V = 10 V’’ = 10 14,281cm3 = 142,81 cm3. §©y còng chÝnh lµ thÓ tÝch niken
ph¶i phñ lªn 10 mÉu vËt cÇn m¹; khèi lîng t¬ng øng lµ:
m = V.D =142,81.8,9 = 1271,01 (gam) hay 1271,01/ 58,7 = 21,6526 (mol)
Tõ biÓu thøc cña ®Þnh luËt Fara®ay:
m = AIt/ 96500n
It = (m/A).96500n
(1)
Sè ®iÖn n¨ng t¬ng øng lµ:
w = ItU = (m/A).96500n.U (2)
Víi Ni ta cã n = 2; theo trªn ®· cã (m/A) = 21,6526 (mol);
theo ®Ò bµi U = 2,5 V.
ThÕ c¸c trÞ sè nµy vµo (2), ta cã w = 21,6526.96500.2.2,5 = 10447379,5 (J)
V× hiÖu suÊt dßng ®iÖn lµ 90% vµ 1 kWh = 3,6.106J nªn sè ®iÖn n¨ng thùc tÕ
cÇn dïng lµ: W = (w/90).100.(1/3,6.106) = 10447379,5/90).100.(1/3,6.106)
W = 3,2245kWh.
NhËn XÐt: Häc sinh dÔ sai khi kh«ng tÝnh ®Õn sù t¨ng chiÒu cao cña vËt vµ c«ng
thøc tÝnh ®iÖn n¨ng.
C©u VI:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2006-2007)
Muối KClO4 được điều chế bằng cách điện phân dung dịch KClO 3. Thực tế khi
điện phân ở một điện cực, ngoài nửa phản ứng tạo ra sản phẩm chính là KClO 4 còn
đồng thời xẩy ra nửa phản ứng phụ tạo thành một khí không màu. Ở điện cực thứ
hai chỉ xẩy ra nửa phản ứng tạo ra một khí duy nhất. Hiệu suất tạo thành sản phẩm
chính chỉ đạt 60%.
1. Viết ký hiệu của tế bào điện phân và các nửa phản ứng ở anot và catot.
2. Tính điện lượng tiêu thụ và thể tích khí thoát ra ở điện cực (đo ở 25 0C và
1atm) khi điều chế được 332,52g KClO4.
Hướng dẫn giải:
1. Kí hiệu của tế bào điện phân: Pt
KClO3 (dd)
Pt
anot: ClO3- - 2e + H2O ClO4 - + 2H+
catot:
2H2O + 2e H2 + 2OHClO3- + H2O ClO4- + H2
Phản ứng chính:
Phản ứng phụ:
anot:
H2O - 2e
2H+ +
1
2
O2
2H2O + 2e H2 + 2OH-
catot:
H2O
1
2
O2 + H2
2. M KClO 39,098 + 35,453 + 64,000 = 138,551
4
332,52
n KClO4
2,4mol
138,551
c
q = 2,4 mol . 2F mol .
100
8.F 8(96485 C) 771880 C
60
q = 771880 C
3. Khí ở catot là hydro: n
H2
=
VH
2
8F
4 mol
2F / mol
nRT 4.0,08205.298
97,80 lit
= P
1
Khí ở anot là oxy: nF tạo ra O2 = 8 . 0,4 = 3,2 F
n
O2
=
3,2 F
0,8 mol
4F / mol
nRT 0,8.0,08205.298
19,56 lit
P
1
VO =
C©u VII:. (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2010-2011)
Ở 25 oC, cho dòng điện một chiều có cường độ 0,5A đi qua bình điện phân chứa 2
điện cực platin nhúng trong 200 mL dung dịch gồm Cu(NO3)2 0,020 M, Co(NO3)2 1,0
M, HNO3 0,010 M.
1. Viết phương trình các nửa phản ứng có thể xảy ra trên catot và anot trong quá trình
điện phân.
2. Khi 10% lượng ion kim loại đầu tiên bị điện phân, người ta ngắt mạch điện và nối đoản
mạch hai cực của bình điện phân. Hãy cho biết hiện tượng xảy ra và viết phương trình
phản ứng minh họa.
3. Xác định khoảng thế của nguồn điện ngoài đặt vào catot để có thể điện phân hoàn toàn
ion thứ nhất trên catot (coi quá trình điện phân là hoàn toàn khi nồng độ của ion bị điện
phân còn lại trong dung dịch là 0,005% so với nồng độ ban đầu).
4. Tính thể tích khí thoát ra (đktc) trên anot sau khi điện phân được 25 phút. Khi đó, giá
2
trị thế catot là bao nhiêu?
Chấp nhận: áp suất riêng phần của khí hidro pH2 = 1 atm; khi tính toán không kể đến quá
thế; nhiệt độ dung dịch không thay đổi trong suốt quá trình điện phân.
Cho E0Cu2+/Cu = 0,377V ; E0Co2+/Co = - 0,277V.
Hằng số Faraday F = 96500 C.mol-1 , ở 250C. 2,303.R.T/F = 0,092.
Hướng dẫn giải:
Phương trình các nửa phản ứng xảy ra trên catot và anot:
Các quá trình có thể xảy ra trên catot:
Cu2+ + 2e → Cu↓ (1)
2H+ + 2e → H2
Co2+ + 2e → Co↓
Quá trình xảy ra trên anot: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)
E
= 0, 337 +
Cu 2+ /Cu
0,0592
lg 0, 02 = 0,287 V
2
E 2+ = E 0
= - 0,277 V
Co /Co Co2+ /Co
0,0592
E
=
lg (0, 01)2 = - 0,118 V
2H+ /H 2 2
Vì E 2+ > E + > E 2+ nên thứ tự điện phân trên catot là: Cu2+, H+, Co2+.
Cu /Cu 2H /H 2 Co /Co
Khi 10% Cu2+ bị điện phân,
E 2+
= 0,285 V (khi đó H2 chưa thoát ra),
nếu ngắt
Cu /Cu
mạch điện và nối đoản mạch 2 cực sẽ hình thành pin điện có cực dương (catot) là cặp
O2/H2O và cực âm (anot) là cặp Cu2+/Cu. Phản ứng xảy ra:
trên catot:
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
trên anot: 2 × Cu
→ Cu2+ + 2e
2Cu↓ + O2 + 4H+ → 2Cu2+ + 2H2O
Pin phóng điện cho tới khi thế của 2 điện cực trở nên bằng nhau.
3. Để tách hoàn toàn được Cu2+ thế catot cần đặt là: E +
< Ec < E
2+
. Khi
Cu2+ bị
2H /H 2
Cu
/Cu
2+
-6
] = 0,02.0,005% = 1.10 M
điện phân hoàn toàn thì [Cu
E
= 0, 337 +
Cu 2+ /Cu
0,0592
lg10−6 = 0,159 V
2
[H+] = 0,01 + 2(0,02 - 10-6) ≈ 0,05 M
E
=
0,0592
lg (0, 05)2 = - 0,077 V.
2H+ /H 2 2
Vậy trong trường hợp tính không kể đến quá thế của H2 trên điện cực platin thì thế catot
cần khống chế trong khoảng - 0,077 V < Ec < 0,159 V, khi đó Cu2+ sẽ bị điện phân hoàn
toàn.
4.
Từ (2) ta có số mol Oxi giải phóng ra nO2 =
0,5.25.60
1,943.10 3 mol
4.96500
Thể tích khí Oxi thoát ra ở anot (đktc) là VO2 = 1,943.10-3.22,4 = 0,0435(l)
Theo (1) số mol ion đồng bị điện phân sau 25 phút:
nCu2+ =
0,5.25.60
3,886.10 3 mol0,02.200.10 3 mol
2.96500
( 4.10 3 3,886.10 3 ).1000
5,7.10 4 M
200
0,0592
lg(5,7.10 4 ) = 0,24V
Khi đó thế catot EC = ECu2+/Cu = 0,337 +
2
Nồng độ Cu2+ còn lại là: [Cu2+] =
Câu VIII (K× thi chän häc sinh giái quèc gia n¨m häc 2011-2012)
Nguyên liệu để sản xuất nhôm là quặng boxit. Để sản xuất nhôm cần tách nhôm
oxit từ quặng trên sau đó điện phân dung dịch nhôm oxit trong criolit , nhiệt độ
khoảng 970oC, điện áp 5 – 7 V, dòng 130 kA.
1. Hãy trình bày quy trình tách nhôm oxit từ quặng boxit, viết các phương trình
phản ứng.
2. Viết công thức criolit và giải thích vai trò của nó. Viết đầy đủ phương trình các
phản ứng xảy ra ở anot, catot và phản ứng tổng quát.
3. Tính năng lượng theo kWh, khối lượng boxit (chứa 60% nhôm oxit) và khối
lượng graphit dùng làm anot để sản xuất 1 tấn nhôm. Biết điện áp 5 V và hiệu suất
dòng là 95%.
4.Bảng sau đây cho các số liệu tại 970oC
Al(lỏng)
O2(khí)
Al2O3(rắn)
ΔHs theo kJ/mol ở
48
38
- 1610
o
970 C
S theo J/(K.mol) ở
78
238
98
o
970 C
Tính điện áp lí thuyết cần dùng trong quá trình điện phân.
5.Hãy giải thích vì sao không thể điều chế nhôm bằng cách điện phân dung dịch
nước của muối nhôm trong môi trường axit.
Hướng dẫn giải:
1. Trộn bột quặng boxit với dung dịch NaOH 35% rồi đun trong autoclave (nhiệt
độ 170-180 oC). Các phản ứng xảy ra là:
Al2O3 + 2OH- + 3H2O → 2Al(OH)4-(dd)
Fe2O3 + 3H2O → 2Fe(OH)3(r)
Lọc bỏ Fe(OH)3. Pha loãng dung dịch để cho Al(OH)4- thuỷ phân:
Al(OH)4- + aq → Al(OH)3.aq↓ + OHĐể thúc đẩy quá trình thuỷ phân có thể thêm mầm tinh thể nhôm oxit hoặc sục
khí CO2 để làm chuyển dịch cân bằng thuỷ phân:
Al(OH)4- + CO2 → Al(OH)3↓ + HCO3Lọc lấy Al(OH)3 rồi nung ở nhiệt độ cao để thu Al2O3.
2. Công thức của criolit: Na3AlF6. Vai trò của nó là làm dung môi (tnc= 1000 oC)
để hoà tan Al2O3 (cũng có thể nói là để hạ nhiệt độ nóng chảy của Al2O3).
- Phản ứng :
( Na AlF ) n / c
+ Sự điện li của Al2O3:
Al2O3 �����
� 2Al3+ + 3O2-+ Phản ứng ở catot:
Al3+ + 3e → Al
+ Phản ứng ở anot:
2 O2- - 4e → O2
+ Phản ứng phụ: oxi phản ứng với cacbon ở điện cực than chì:
2C + O2 → 2CO
3. Năng lượng: 15700 kWh; Khối lượng quặng boxit: gần 3 tấn;
Khối lượng graphit: 670 kg.
4.
2Al2O3 → 4Al + 3O2
∆H = 3526 kJ/mol; ∆S = 674 J/mol.K; ∆G = 2688,18 kJ/mol
∆E = 2,32 V (Điện áp lý thuyết cần dùng trong quá trình điện phân)
5. Vì thế khử tiêu chuẩn của cặp Al3+/Al bằng -1,66 V nên nếu điện phân dung dịch
nước thì H+ sẽ phóng điện ở catot chứ không phải Al3+ (Hoặc là, nếu Al3+ phóng
3
6
điện để tạo thành Al thì nhôm kim loại được tạo thành sẽ tác dụng ngay với nước
theo phản ứng
Al + H2O → Al(OH)3 + H2, nghĩa là sản phẩm cuối cùng của quá trình vẫn là
hiđro).
- Xem thêm -
.DOC 
16 
349 
104 
