Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

Phạm Công Vụ 1 Trường THPT Yên Lạc PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH Phạm Công Vụ Giáo viên trường THPT Yên Lạc Bài tập điện phân dung dịch là dạng bài tập khó trong chương trình môn Hóa THPT, từ khi Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức kỳ thi ĐH-CĐ bằng hình thức trắc nghiệm, một đề thi có từ 1 đến 2 câu liên quan tới điện phân. I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Khái niệm điện phân: Điện phân là một quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua. 2. Các phản ứng xảy ra ở điện cực. - Khi tan vào nước, các chất phân li thành cation và anion, cation di chuyển về catot (Cực âm); anion di chuyển về anot (Cực dương). - Tại catot: Thực hiện quá trình khử cation, trình tự khử như sau: Ag + →Ag, Fe 3+ →Fe 2+ , Cu 2+ →Cu, 2H + →H 2 , Fe 2+ →Fe, Zn 2+ → Zn, H 2 O. Các ion K + , Na + , Ba 2+ , Ca 2+ , Mg 2+ , Al 3+ không bị khử khi điện phân dung dịch. 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - . - Tại anot: Thực hiện quá trình oxi hóa anion, trình tự oxi hóa như sau: S 2- →S, 2I – →I 2 , 2Br – →Br 2 , 2Cl – →Cl 2 , H 2 O. Các anion NO 3 – , SO 4 2– , PO 4 3– , CO 3 2– …không bị oxi hóa 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e. Chú ý: Ion F - không bị oxi hóa trong dung dịch, nó chỉ bị oxi hóa khi điện phân nóng chảy. 3. Một số lưu ý khi làm bài tập điện phân dung dịch. - Từ công thức Faraday: A.I.t 96500.n m   m I.t Sè mol e = .n = A 96500 Hệ quả: Tại một thời điểm bất kỳ của quá trình điện phân, ta luôn có: I.t 96500 Sè mol e cho Sè mol e nhËn= Trong đó: + I là cường độ dòng điện (A), t là thời gian điện phân (giây); + A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực + m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam). + n: số electron trao đổi ở điện cực - Khối lượng dung dịch sau điện phân giảm = Khối lượng kim loại ở catot + Khối lượng khí ở anot. - Khi bắt đầu “ thoát khí ” ta hiểu là không có khí thoát ra. - Khi giải bài tập nên sử dụng các phản ứng xảy ra ở điện cực và phương trình ion rút gọn. II. MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH TRONG ĐỀ THI ĐẠI HỌC CAO ĐẲNG. Bài 1- ĐHB2007: 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 điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của a và b là (biết ion SO 4 2- không bị điện phân trong dung dịch) A. 2b = a. B. b > 2a. C. b < 2a. D. b = 2a. Giải Phương trình điện li CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . a mol a mol NaCl → Na + + Cl - . b mol b mol Các quá trình xảy ra ở điện cực Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu a mol ← 2a mol → 0,005 mol 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - (1’). x mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e b mol b mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2’). Phạm Công Vụ 2 Trường THPT Yên Lạc Dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng(dung dịch sau điện phân có OH - ), do vậy có (1’)  b=2a +x hay b>2a. Bài 2- CĐ2011: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO 4 0,2M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 3,2 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là A. 2,24 lít. B. 3,36 lít. C. 0,56 lít. D. 1,12 lít. Giải Phương trình điện li CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . 0,1 mol 0,1 mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu (1) 0,1mol 0,1 mol ←0,05 mol Anot: SO 4 2- , H 2 O. 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2). 0,025 mol 0,1 mol Từ số mol e nhận ở (1) là 0,1 molSố mol e nhân ở (2) cũng là 0,1mol. Thể tích khí ở anot là 0,56 lít. Bài 3- ĐHB2012: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 0,1 mol FeCl 3 , 0,2 mol CuCl 2 và 0,1 mol HCl (điện cực trơ). Khi ở catot bắt đầu thoát khí thì ở anot thu được V lít khí (đktc). Biết hiệu suất của quá trình điện phân là 100%. Giá trị của V là A. 5,60. B. 11,20. C. 22,40. D. 4,48. Giải Phương trình điện li. FeCl 3 → Fe 3+ + 3Cl - . 0,1 mol 0,1 mol 0,3 mol CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - . 0,2 mol 0,2 mol 0,4 mol HCl → H + + Cl - 0,1 mol 0,1 mol 0,1 mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Fe 3+ ,Cu 2+ , H + , H 2 O. Fe 3+ + 1e → Fe 2+ 0,1 mol 0,1 mol 0,1 mol Cu 2+ + 2e → Cu 0,2 mol 0,4 mol 2H + + 2e → H 2 : Quá trình ứng này không xảy ra Anot: Cl - , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,8 mol 0,25mol 0,5 mol  V=0,25.22,4 = 5,6 lit Bài 4- CĐ 2012: Tiến hành điện phân (với điện cực trơ) V lít dung dịch CuCl 2 0,5M. Khi dừng điện phân thu được dung dịch X và 1,68 lít khí Cl 2 (đktc) duy nhất ở anot. Toàn bộ dung dịch X tác dụng vừa đủ với 12,6 gam Fe. Giá trị của V là A. 0,15. B. 0,60. C. 0,45. D. 0,80. Giải Phương trình điện li. CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - . x mol x mol 2x mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu 0,075mol ← 0,15 mol → 0,075 mol Anot: Cl - , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,15 mol 0,075 mol 0,15 mol Dung dịch X gồm Cu 2+ : x-0,075 (mol); Cl-: 2x-0,15 (mol). Fe + Cu 2+ → Fe 2+ +Cu. x-0,075 ← x-0,075  x-0,075 = 0,225 x=0,3  V=0,6 (lít) Bài 5- ĐHA2007: Điện phân dung dịch CuCl 2 với điện cực trơ, sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catôt và một lượng khí X ở anôt. Hấp thụ hoàn toàn lượng khí X trên vào 200 ml dung dịch NaOH (ở nhiệt độ Phạm Công Vụ 3 Trường THPT Yên Lạc thường). Sau phản ứng, nồng độ NaOH còn lại là 0,05M (giả thiết thể tích dung dịch không thay đổi). Nồng độ ban đầu của dung dịch NaOH là: A. 0,15M. B. 0,2M. C. 0,1M. D. 0,05M. Giải Phương trình điện li: CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - . Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu 0,005mol ← 0,01mol → 0,005 mol Anot: Cl - , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,01 mol 0,005 mol 0,01 mol Cl 2 + 2NaOH o t  phßng NaCl + NaClO +H 2 O 0,005 mol 0,01 mol Tổng số mol NaOH ban đầu = 0,01 + 0,2.0,05=0,02 mol  C NaOH ban đầu = 0,1 M Bài 6- ĐHB2009: 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. Giải Phương trình điện li: CuCl 2 → Cu 2+ + 2Cl - . 0,05 mol 0,05 mol NaCl → Na + + Cl - . 0,25 mol 0,25 mol Ta có 3860.5 n 0,2 mol e 96500   trao ®æi . Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu 0,05mol ← 0,1mol → 0,05 mol 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - (1’). 0,1 mol 0,1 mol Anot: Cl - , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,25 mol 0,1mol 0,2 mol Dung dịch sau điện phân gồm có Na + , Cl - ,OH - : 0,1 mol. 2Al + 2OH - + 2H 2 O → 2AlO 2 - + 3H 2 . 0,1 mol ← 0,1 mol  Khối lượng của Al cần dùng là: 2,7 gam. Bài 7- ĐHA2010: Điện phân (điện cực trơ) dung dịch X chứa 0,2 mol CuSO 4 và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có cường độ 2A. Thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là A. 1,792 lít. B. 2,240 lít. C. 2,912 lít. D. 1,344 lít. Giải Phương trình điện li: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . 0,2 mol 0,2 mol NaCl → Na + + Cl - . 0,12 mol 0,12 mol Ta có: 9650.2 n 0,2 mol e 96500   trao ®æi Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu 0,2 mol 0,2 mol → 0,1 mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,12 mol 0,06 mol 0,12 mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e. 0,02 mol 0,08 mol Tổng số mol khí thoát ra ở anot là 0,06+ 0,02 = 0,08 mol  V=1,792 lít Bài 8- ĐHB2010: Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO 4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn còn màu xanh, có khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban đầu. Cho 16,8 gam bột Phạm Công Vụ 4 Trường THPT Yên Lạc sắt vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4 gam kim loại. Giá trị của x là A. 2,25. B. 1,50. C. 1,25. D. 3,25. Giải Phương trình điện li: CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . Ban đầu a mol a mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu (1) b mol 2b mol ← b mol Anot: SO 4 2- , H 2 O. 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2). 0,5b mol 2b mol 2b mol Khối lượng dung dịch sau điện phân giảm  64b+ 32.0,5b = 8 (1). Dung dịch Y gồm: Cu 2+ : a-b (mol); H + : 2b (mol), SO 4 2- . Fe + Cu 2+ → Fe 2+ + Cu a-b (mol) a- b (mol) a-b (mol) Fe + 2H + → Fe 2+ + H 2 . b (mol) 2b (mol) 16,8 – 56a + 64. (a-b)= 12,4 (2); Từ (1) (2) ta có b= 0,1 mol, a= 0,25  x =1,25 M Bài 9- ĐHA2011: Điện phân dung dịch gồm 7,45 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO 3 ) 2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm đi 10,75 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Tất cả các chất tan trong dung dịch sau điện phân là A. KNO 3 , HNO 3 và Cu(NO 3 ) 2 . B. KNO 3 , KCl và KOH. C. KNO 3 và Cu(NO 3 ) 2 . D. KNO 3 và KOH. Giải Phương trình điện li Cu(NO 3 ) 2 → Cu 2+ + 2NO 3 - . 0,15 mol 0,15 mol KCl → K + + Cl - . 0,1 mol 0,1 mol Trường hợp 1: Giả sử điện phân hết Cu 2+ : Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu 0,15 mol 0,3 mol → 0,15 mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,1 mol 0,05 mol 0,1 mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e. 0,05 mol 0,2 mol Ta có khối lượng dung dịch giảm là 0,15.64+ 0,05.71+ 0,05.32= 14,75 gam> 10,75  Cu 2+ dư. Trường hợp 2: Điện phân Cu 2+ : x (mol) Catot: Cu 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu x mol 2x mol → x mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O. 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,1 mol 0,05 mol 0,1 mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e. y mol 4y mol Ta có hệ 2 0,1 4 0,1 64 71.0,05 32 10,75 0,025 x y x x y y               (hợp lí) Dung dịch sau điện phân có các ion Cu 2+ , K + , NO 3 - , H + . Chọn đáp án A. Bài 10- ĐHA2011: Hoà tan 13,68 gam muối MSO 4 vào nước được dung dịch X. Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khí ở anot. Còn nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là 0,1245 mol. Giá trị của y là A. 4,788. B. 4,480. C. 1,680. D. 3,920. Giải Phương trình điện li: MSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . Ban đầu a mol a mol Phạm Công Vụ 5 Trường THPT Yên Lạc Các quá trình xảy ra ở điện cực. Khi điện phân t giây thì anot sinh ra 0,035 mol khí, còn nếu điện phân 2t giây thì anot sinh ra 0,07 mol khí, còn lại 0,0545 mol khí sinh ra từ khử H 2 O ở catot. Catot: M 2+ , H 2 O. M 2+ + 2e → M (1) a mol 2a mol a mol 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - (1’). 0,109 mol ← 0,054 mol 2a+0,109 = 0,28  a= 0,0855 và M M =64. Anot: SO 4 2- , H 2 O. 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2). 0,07 mol 0,28 mol Khi điện phân t giây. Catot: M 2+ , H 2 O. Cu 2+ + 2e → Cu (1) 0,0855 mol 0,14 mol 0,07 mol  y=0,07.64=4,88 gam Anot: SO 4 2- , H 2 O. 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2). 0,035 mol 0,14 mol Bài 11- ĐHA2012: Điện phân 150 ml dung dịch AgNO 3 1M với điện cực trơ trong t giờ, cường độ dòng điện không đổi 2,68A (hiệu suất quá trình điện phân là 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khí Z. Cho 12,6 gam Fe vào Y, sau khi các phản ứng kết thúc thu được 14,5 gam hỗn hợp kim loại và khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N+5). Giá trị của t là A. 0,8. B. 1,2. C. 1,0. D. 0,3. Giải Phương trình điện li AgNO 3 → Ag + + NO 3 - . Ban đầu 0,15 mol 0,15 mol 0,15 mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Ag + , H 2 O. Ag + + 1e → Ag (1) a mol a mol a mol Anot: NO 3 - , H 2 O. 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e (2). a mol a mol Dung dịch Y gồm Ag + : 0,15-a; H + : a mol, NO 3 - : 0,15 mol. Fe + Ag + + H + + NO 3 - → Fe 2+ + NO + Ag, Fe. 0,225 0,15-a a 0,15 b a/4 0,15-a 0,225-b (mol) Ta có hệ (0,15-a).108 + 56. (0,225-b)=14,5 (I) 0,15-a +3/4a -2b=0 (II)  a=0,1 và b=0,0625. Giá trị của 96500.0,1 3600 2,68 t s   =1 giờ. Bài 12- ĐHB2012: Người ta điều chế H 2 và O 2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dòng điện 0,67A trong thời gian 40 giờ. Dung dịch thu được sau điện phân có khối lượng 100 gam và nồng độ NaOH là 6%. Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phân là (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể) A. 5,08%. B. 6,00%. C. 5,50%. D. 3,16%. Giải Phương trình điện li: NaOH → Na+ OH- Ta có: 40.3600.0,67 n 1 mol e 96500   trao ®æi Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Na+, H 2 O 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - 1 mol → 0,5 mol Anot: OH-, H 2 O 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e 0,25 mol ← 1 mol Khối lượng NaOH trước phản ứng là 100.6 = 6 gam 100 . Khối lượng dung dịch NaOH trước phản ứng la 100+ 0,5.2 + 0,25.32=109 gam NaOH 6.100 C% = 5,5% 109  ban ®Çu Phạm Công Vụ 6 Trường THPT Yên Lạc Bài 13- Dung dịch X chứa HCl, CuSO 4 , Fe 2 (SO 4 ) 3 . Lấy 400 ml dung dịch X đem điện phân bằng điện cực trơ cường độ dòng điện 7,72 ampe, đến khi catot thu được 5,12 gam đồng thì dừng lại. Khi đó ở anot thu được 2,24 lít một thứ khí bay ra (đktc). Tính thời gian điện phân và tính nồng độ mol/l của Fe 2 (SO 4 ) 3 trong dung dịch đầu? Giải Phương trình điện li: HCl → H + + Cl - a mol a mol a mol CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- . b mol b mol Fe 2 (SO 4 ) 3 → 2Fe 3+ + 3SO 4 2- c mol 2c mol Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: H + , Cu 2+ , Fe 3+ , H 2 O Fe 3+ + 1e→ Fe 2+ 2c 2c 2c mol Cu 2+ + 2e → Cu 0,08 mol 0,16 mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,1 mol 0,2 mol Tính t: 96500.0,2 t= =2500s 7,72 Từ phản ứng ở điện cực ta có 2c+ 0,16=0,2 c=0,02 mol   Fe SO 2 4 3 C =0,05M . Bài 14- Hòa tan 50 gam tinh thể CuSO 4 .5H 2 O 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: 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. Giải CuSO 4 .5H 2 O tan vào nước được dung dịch CuSO 4 . CuSO 4 . 5H 2 O → Cu 2+ + SO 4 2- + H 2 O 0,2 mol 0,2 mol HCl → H + + Cl - 0,12 mol 0,12 mol 0,12 mol Ta có: 4.3600.1,34 n 0,2 mol e 96500   trao ®æi Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: H + , Cu 2+ , H 2 O Cu 2+ + 2e → Cu 0,2 mol 0,2 mol 0,1 mol Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O 2Cl - → Cl 2 + 2e 0,12 mol 0,06mol 0,12 mol 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e 0,02 mol 0,08 mol Khối lượng kim loại thoát ra ở catot là 0,1.64=6,4 gam. Thể tích khí thoát ra ở anot 0,02+0,06=0,08 molV=1,792 lít. Bài 15- Viết phương trình điện phân dung dịch NaCl điện cự trơ, có màng ngăn xốp. Giải NaCl→Na + + Cl - Các quá trình xảy ra ở điện cực. Catot: Na + , H 2 O 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - Anot: Cl - , H 2 O 2Cl - → Cl 2 + 2e Phương trình điện phân: 2NaOH + H 2 O → 2NaOH + Cl 2   H 2 . . điện cực trơ) V lít dung dịch CuCl 2 0,5M. Khi dừng điện phân thu được dung dịch X và 1,68 lít khí Cl 2 (đktc) duy nhất ở anot. Toàn bộ dung dịch X tác. cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO 4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn còn màu xanh, có khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban