|
|
$I$ – NHẮC LẠI LÍ THUYẾT
$1$) Điện phân chất điện li nóng chảy: áp dụng đối với $MCl_n$, $M(OH)_n$ và $Al_2O_3$ ($M$ là kim loại nhóm $I$A và $II$A)
$2$) Điện phân dung dịch chất điện li trong nước:
- Vai trò của nước: trước hết là dung môi hòa tan các chất điện phân, sau đó có thể tham gia trực tiếp vào quá trình điện phân:
+ Tại catot (cực âm) $H_2O$ bị khử: $2H_2O + 2e → H_2 + 2OH^–$
+ Tại anot (cực dương) $H_2O$ bị oxi hóa: $2H_2O → O_2 + 4H^+ + 4e$
- Tại catot (cực âm) xảy ra quá trình khử $M^+$, $H^+$ (axit), $H_2O$ theo quy tắc:
+ Các cation nhóm $I$A, $II$A, $Al^{3+}$ không bị khử (khi đó $H_2O$ 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): $M^{n^+}$ + $n$e → $M$
+ Các ion $H^+$ (axit) dễ bị khử hơn các ion $H^+$ ($H_2O$)
+ Ví dụ khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa $FeCl_3$, $CuCl_2$ và $HCl$ thì thứ tự các ion bị khử là: $Fe^{3+}$ + $1$e → $Fe^{2+}$ ; $Cu^{2+}$ + $2$e → $Cu$ ; $2H^+$ + $2$e → $H_2$ ; $Fe^{2+}$ + $2$e → $Fe$
- Tại anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa anion gốc axit, $OH^–$ (bazơ kiềm), $H_2O$ theo quy tắc:
+ Các anion gốc axit có oxi như $NO_3^–$, $SO_4^{2–}$, $PO_4^{3–}$, $CO_3^{2–}$, $ClO_4^–$… không bị oxi hóa
+ Các trường hợp khác bị oxi hóa theo thứ tự: $S^{2–} > I^– > Br^– > Cl^– > RCOO^– > OH^– > H_2O$
$3$) Định luật Faraday
$m$ = $\frac{A.I.t}{n.F}$
+ $m$: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
+ $A$: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực
+ $n$: số electron trao đổi ở điện cực
+ $I$: cường độ dòng điện (A)
+ $t$: thời gian điện phân (s)
+ $F$: hằng số Faraday là điện tích của $1$ mol electron hay điện lượng cần thiết để $1$ mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot ($F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500$ $C.mol^{-1}$)
$II$ – MỘT SỐ CƠ SỞ ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VỀ ĐIỆN PHÂN
- Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào
- $m_{(dung dịch sau điện phân)}$ = $m_{(dung dịch trước điện phân)}$ – ($m_{(kết tủa)}$ + $m_{khí}$)
- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δ$m$ = ($m_{(kết tủa)}$ + $m_{khí}$)
- Khi điện phân các dung dịch:
+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học mạnh ($KOH, NaOH, Ba(OH)_2$,…)
+ Axit có oxi ($HNO_3, H_2SO_4, HClO_4$,…)
+ Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm ($KNO_3, Na_2SO_4$,…)
→ Thực tế là điện phân $H_2O$ để cho $H_2$ (ở catot) và $O_2$ (ở anot)
- Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải $Pt$ hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực
- Có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực. Ví dụ:
+ Điện phân nóng chảy $Al_2O_3$ (có $Na_3AlF_6$) với anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh
+ Điện phân dung dịch $NaCl$ không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí $H_2$ thoát ra ở catot
+ Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot
- Viết phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng thứ tự, không cần viết phương trình điện phân tổng quát
- Viết phương trình điện phân tổng quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết
- Từ công thức Faraday → số mol chất thu được ở điện cực = $\frac{I.t}{n.F}$
- 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: $n_e$ =$\frac{I.t}{F}$ (*) (với $F = 96500$ khi $t$ = giây và $F = 26,8$ khi $t$ = giờ). Sau đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số mol electron nhường hoặc nhận với $n_e$ để biết mức độ điện phân xảy ra. Ví dụ để dự đoán xem cation kim loại có bị khử hết không hay nước có bị điện phân không và $H_2O$ có bị điện phân thì ở điện cực nào…
- Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức (*) để tính $I$ hoặc $t$
- Nếu đề bài yêu cầu tính điên lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng công thức:
$Q$ = $I.t$ = $n_e$.$F$
- Có thể tính thời gian $t’$ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi so sánh với thời gian $t$ trong đề bài. Nếu $t’ < t$ thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu $t’ > t$ thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết
- Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau
- 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
$III$ – MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$: Điện phân hòa 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
Giải:
$n_{Cl_2}$ = $0,02$
Tại catot: $M^{n^+}$ + ne → $M$
Theo đlbt khối lượng $m_M$ = $m_{(muối)}$ – $m_{Cl_2}$ = $2,22 – 0,02.71 = 0,8$ gam
Tại anot: $2Cl^– → Cl_2$ + $2$e
Theo đlbt mol electron ta có $n_M$ = $\frac{0,04}{n}$ → $M$ = $20$.n
→ n = $2$ và $M$ là $Ca$
(hoặc có thể viết phương trình điện phân $MCl_n$ => $M$ + $n/2Cl_2$ 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
Giải:
$m_{NaOH}$(trước điện phân) = $20$ gam
Điện phân dung dịch $NaOH$ thực chất là điện phân nước: $H_2O → 1/2 O_2$ (anot) + $H_2$ (catot)
→ $NaOH$ không đổi → $m_{(dung dịch sau điện phân)}$ = $80$ gam
→ $m_{H_2O}$ (bị điện phân) = $200 – 80 = 120$ gam
→ $n_{H_2O}$ = $20/3$ mol → $V_{O_2}$ = $74,7$ lít và $V_{H_2}$ = $149,3$ lít → đáp án $D$
Ví dụ $3$: Sau một thời gian điện phân $200$ ml dung dịch $CuSO_4$ ( 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 $Cu^{2+}$ còn lại trong dung dịch sau điện phân cần dùng $100$ ml dung dịch $H_2S$ $0,5$ M. Nồng độ phần trăm của dung dịch $CuSO_4$ ban đầu là:
A. $12,8$% B. $9,6$% C. $10,6$% D. $11,8$%
Giải:
$n_{H_2S}$ = $0,05$ mol
- Gọi $x$ là số mol $CuSO_4$ tham gia quá trình điện phân:
$CuSO_4 + H_2O → Cu + 1/2O_2 + H_2SO_4$ ($1$)
→ $m_{(dung dịch giảm)}$ = $m_{Cu(catot)}$ + $m_{O_2(anot)}$ = $64x + 16x = 8$ → $x = 0,1$ mol
$CuSO_4 + H_2S → CuS + H_2SO_4$ ($2$)
→ $n_{H_2S}$ = $n_{CuSO_4}$ = $0,05$ mol
- Từ ($1$) và ($2$) → $n_{CuSO_4}$(ban đầu) = $0,1 + 0,05 = 0,15$ (mol)
→ C% = $\frac{0,25*160}{200*1,25}$ = $9,6$%
→ đáp án $B$
Ví dụ $4$: Điện phân $100$ ml dung dịch $CuSO_4$ $0,2$M với cường độ dòng điện $9,65$A. Tính khối lượng $Cu$ bám vào catot khi thời gian điện phân $t_1$ = $200$s và $t_2$ = $500$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
Giải:
$n_{CuSO_4}$ = $0,02$ = $nCu^{2+}$
Thời gian cần thiết để điện phân hết $Cu^{2+}$ là $t$ = $\frac{0,02*2*96500}{9,65}$ = $400$s
→ $t_1 < t < t_2$ → Tại $t_1$ có 1/2 số mol $Cu^{2+}$ bị điện phân
→ $m_1$ = $0,01.64 = 0,64$gam và tại $t_2$ $Cu^{2+}$ đã bị điện phân hết
→ $m_2$ = $1,28$ gam → đáp án $B$
Ví dụ $5$: Điện phân $200$ ml dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ và cường độ dòng điện $1$A. 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 $NaOH$ $0,1$M. Thời gian điện phân và nồng độ mol của dung dịch $CuSO_4$ 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
Giải:
$n_{NaOH}$ = $0,01$ mol
- Khi ở catot bắt đầu có bọt khí ($H_2$) thoát ra chứng tỏ $CuSO_4$ đã bị điện phân hết theo phương trình:
$CuSO_4 + H_2O → Cu + 1/2O_2 + H_2SO_4$
- $n_{NaOH}$ = $n_{OH^–}$ = $0,01$ mol
→ $n_{H_2SO_4}$ = $0,5$.$n_{H^+}$ = $0,5$.$n_{OH^–}$ = $0,005$ (mol)
→ $n_{Cu}$ = $n_{CuSO_4}$ = $0,005$ (mol)
→ $\frac{1.t}{2.96500}$ = $0,005$ → $t$ = $965$s và $C_{M(CuSO_4)}$ = $\frac{0,005}{0,2}$ = $0,025$M (hoặc có thể dựa vào các phản ứng thu hoặc nhường electron ở điện cực để tính) → đáp án $A$
Ví dụ $6$: Điện phân $200$ ml dung dịch hỗn hợp $AgNO_3$ $0,1$ M và $Cu(NO_3)_2$ $0,2$ M với điện cực trơ và cường độ dòng điện bằng $5$A. 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. $2,58$ gam D. $3,44$ gam
Giải:
$n_{Ag^+}$ = 0,02 mol ; $nCu^{2+}$ = $0,04$ mol
- Ta có $n_e$ = $\frac{I.t}{F}$ = $\frac{5.(19.60 + 18)}{96500}$ = $0,06$ mol
- Thứ tự các ion bị khử tại catot:
$Ag^+ + 1e → Ag$ ($1$)
$0,02 0,02 0,02$
→ sau ($1$) còn $0,06 – 0,02 = 0,04$ mol electron
$Cu^{2+} + 2e → Cu$ ($2$)
$0,02 0,04 0,02$
→ sau ($2$) còn dư $0,02$ mol $Cu^{2+ }$
$m_{(catot tăng)}$ = $m_{(kim loại bám vào)}$ = $0,02.(108 + 64) = 3,44$ gam → đáp án $D$
IV : BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu $1$ : Tiến hành điện phân toàn bộ dung dịch $X$ chưa $Cu(NO_3)_2$ và $AgNO_3$ cho đến khi catot có khí thoát ra , thu được $56$ gam kim loại ở catot và $4,48$ lít khí ở anot ( đktc). Tính số mol mỗi muối trong $X$
A.$0,1$ mol $Cu(NO_3)_2$ và $0,1$mol $AgNO_3$ B.$0,1$ mol $Cu(NO_3)_2$ và $0,2$mol $AgNO_3$
C.$0,2$ mol $Cu(NO_3)_2$ và $0,4$mol $AgNO_3$ D.$0,3$ mol $Cu(NO_3)_2$ và $0,3$mol $AgNO_3$
Câu $2$ : Điện phân hỗn hợp $Ag_2SO_4$ và $CuSO_4$ một thời gian thấy khối lượng catot tăng lên $4,96$ gam và ở anot thoát ra $0,336$ lít khí(đktc). Số mol $Ag_2SO_4$ và $CuSO_4$ là
A.$0,01$mol và $0,04$ mol B.$0,02$mol và $0,05$ mol
C.$0,04$mol và $0,01$ mol D.$0,05$mol và $0,02$ mol
Câu $3$ : Điện phân $100$ml dd $AgNO_3$ $0,1$M và $Cu(NO_3)_2$ $0,1$M với cường độ $1,93$A. Tính thời gian điện phân biết $H$% = $100$%
A.$500$s B.$1000$s C.$1500$s D.$2000$s
Câu $4$: Điện phân dd gồm $CuSO_4$ và $MgCl_2$ có cùng nồng độ mol với điện cức trơ. Cho biết những chất gì xuất hiện ở anot và catot
A.K :$Cu,Mg$ ; A:$Cl_2,O_2$ B.K :$Cu,H_2$ ; A:$Cl_2,O_2$
C.K :$Cu,Mg$ ; A:$Cl_2,H_2$ D.K :$Cu,Mg,H_2$ ; A:chỉ có $O_2$
Câu $5$: Điện phân vơi điện cực trơ $100$ml dung dịch $CuSO_4$ và $NaCl$ với cùng nồng độ $0,1$M với $I = 0,5$A. Sau $1$ thời gian thu được pH = $2$ . Tính thời gian điện phân
A.$193$s B.$1930$s C.$2123$s D.$1737$s
Câu $6$: Điện phân dung dịch gồm $7,45$ gam $KCl$ và $28,2$ gam $Cu(NO_3)_2$ với điện cực trơ màng ngăn xốp. Sau $1$ thời gian điện phân thấy khối lượng dung dịch giảm $10,75$ gam thì dừng lại . Dung dịch sau điện phân chứa chất nào sau đây ?
A.$KNO_3$ và $KCl$ B.$KNO_3$ và $Cu(NO_3)_2$
C.$KNO_3$,$Cu(NO_3)_2$ và $HNO_3$ D.$KNO_3$ và $KOH$
Câu $7$. Điện phân dung dịch chứa $18,8$ gam $Cu(NO_3)_2$ và $29,8$ gam $KCl$ với điện cực trơ, màng ngăn xốp. Sau $1$ thời gian điện phân thấy khối lượng dung dịch giảm $17,15$ gam so với khối lượng ban đầu . Thể tích dung dịch sau điện phân là $400$ml. Nồng độ mol của các chất trong dung dịch điện phân là
A.$KCl$:$0,375$M; $KNO_3:0,25$M ; và $KOH :0,25$M
B. $KCl:0,5$M ; $KNO_3:0,25$M ;và $KOH:0,25$M
C.$KCl$:$0,25$M ; $KNO_3:0,5$M ; và $KOH :0,25$M
D. Kết quả khác
Câu $8$. Điện phân $100$ml dung dịch $Cu(NO_3)_2$ $0,2$M và $AgNO_3$ $0,1$M với cường độ dòng điên là $I = 0,386$A. Tính thời gian điện phân để được hỗn hợp bám trên catot là $1,72$ gam
A.$250$s B.$1000$s C.$750$s D.$500$s
|