Lý thuyết điện phân và hướng dẫn giải bài tập điện phân trong đề thi đại học, cao đẳng.

Lý thuyết điện phân và hướng dẫn giải bài tập điện phân trong đề thi đại học, cao đẳng.

A ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo nhu cầu chung của các nghành nghề trong xã hội hiện nay nên xu thế của nhiều năm gần đây, của tất cả các trường THPT trên toàn quốc là các

em học và thi theo ban khoa học tự nhiên Vì vậy trách nhiệm của người giáo viên các bộ môn tự nhiên nói chung, môn hóa học nói riêng càng phải cần đầu

tư chuyên môn sâu hơn và cao hơn nữa Có như vậy mới giúp các em tiếp cận

và giải các đề thi Đại học – Cao đẳng một cách nhanh chóng và hiệu quả Đối với các em học sinh, không chỉ cần nhớ kiến thức, mà còn cần phải nhớ sâu, nắm vững Có như thế ở mỗi bài toán mới tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất Điều đó không những giúp các em tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn được tư duy

và năng lực phát hiện vấn đề Vì vậy, việc người giáo viên hướng dẫn các em

sử dụng các phương pháp giải nhanh bài tập là rất quan trọng

Qua quá trình giảng dạy, luyện thi đại học, bồi dưỡng học sinh giỏi nhiều năm tôi nhận thấy chuyên đề điện phân là một chuyên đề hay và khó nhưng lại khá quan trọng nên thường gặp trong các đề thi lớn của quốc gia Tuy nhiên, trong thực tế, tài liệu viết về vấn đề điện phân còn ít nên nguồn tư liệu

để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và

kĩ năng giải bài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều Vì vậy, các em thường lúng túng hoặc có tâm lí ngại và sợ gặp các bài tập liên quan đến điện phân

Qua nghiện cứu, giảng dạy nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điện phân và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinhh dễ hiểu,

dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kì thi

Đề tài này được viết trên cơ sở khi đang dạy chương đại cương kim loại lớp 12, và qua kinh nghiệm giảng dạy Với hy vọng là một tài liệu tham khảo cho các em học sinh lớp 12 và các đồng nghiệp Rất mong được sự đóng góp

ý kiến của các đồng chí

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I LÍ THUYẾT ĐIỆN PHÂN

1 Khái niệm:

- 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

- Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học

- Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra các quá trình trao đổi electron trên các điện cực

- Phân loại điện phân: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li bằng điện cực trơ, điện phân dùng điện cực không trơ

2 Sự điện phân các chất điện li:

a Điện phân chất điện li nóng chảy

Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na,

K, Ba, Ca, Mg, Al để điều chế các kim loại đó từ hợp chất tương ứng

Ví dụ 1 : Điện phân NaCl nóng chảy.

NaCl(nóng chảy) → Na+ + Cl

Catot ( – ) ← NaCl → Anot ( + )

2| Na+ + e → Na 2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl2

Lưu ý: Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na ở trạng

Ví dụ 2 : Điện phân NaOH nóng chảy.

NaOH(nóng chảy) → Na+ + OH

4| Na+ + 1e → Na 4OH+ → O2 + 2H2O + 4e

Ví dụ 3 : Điện phân Al2O3 nóng chảy có mặt criolit (Na3AlF6)

Al2O3 (nóng chảy) → 2Al3+ + 3O

Catot ( – ) ← Al2O3 → Anot ( + )

4| Al3+ + 3e → Al 3| 2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân: 2Al2O3 → 4Al + 3O2

b Điện phân dung dịch chất điện li vô cơ trong nước.

Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra

điện phân phức tạp hơn Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion

có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau

* Ở catot (cực âm):

-Có thể xảy ra các quá trình khử sau đây:

Mn+ + ne → M

2H+ (axit) + 2e → H2

Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH- Nếu catot có các cation kim loại sau nhôm hoặc H+(axit), các cation này sẽ nhận electron Nếu đồng thời có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước

Cụ thể: thứ tự tăng dần tính oxi hóa của các cation như sau:

Zn2+ , Fe2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+, H+, Cu2+, Fe3+, Hg2+, Ag+…

- Nếu catot có các cation kim loại trước Zn2+ thì H2O sẽ bị khử (hay H2O

có tính oxi hóa mạnh hơn các ion này)

*Anot (cực dương):

- Có thể xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl- , S2-…hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước

2Cl-→ Cl2 + 2e

4OH- → O2 + 2H2O + 4e

Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

- Nếu Anot có các anion: S2-, I-, Br-, Cl-, OH-…, các anon này sẽ nhường electron Nếu đồng thời có nhiều anion thì anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ

bị oxi hóa trước

Cụ thể: thứ tự giảm dần tính khử của các anion như sau: S2-, I-, Br-, Cl-, OH-,

…

- Nếu ở anot có các anion gốc axit như: F-, NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4-… thì nước sẽ bị oxi hóa (hay H2O có tính khử mạnh hơn các ion này)

*Tổng quát: Điện phân dung dịch sẽ thu được sản phẩm ở các điện cực là

-Khí H2

*Lưu ý: Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng các kim loại như Fe, Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này

dễ bị oxi hóa hơn các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do

đó chúng tan vào dung dịch (anot tan hay hiện tượng dương cực tan)

* Một số ví dụ

Ví dụ 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ

CuCl2 → Cu2+ + 2Cl

-Catot ( – ) ← CuCl2 → Anot ( + )

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 +2e

Phương trình điện phân: CuCl2 → Cu + Cl2

Nhận xét:

- Sau khi CuCl2 hết, bình điện phân chỉ còn H2O (dẫn điện rất kém) nên

H2O sẽ không điện phân tiếp

-Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NiCl2, FeCl2, ZnCl2…

Ví dụ 2: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch Na2SO4 với anot trơ

Na2SO4 → 2Na+ + SO4

Catot (-) ← Na2SO4 → Anot (+)

Na+ không bị điện phân SO42- không bị điện phân 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

→ Phương trình điện phân: 2H2O → 2H2 + O2

Nhận xét:

- Na2SO4 chỉ đóng vai trò là chất dẫn điện, nên trong quá trình điện phân lượng Na2SO4 không đổi

- Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NaNO3, K2SO4, Na2CO3 , MgSO4,…

dịch NaOH với anot trơ

Điện phân dung dịch H2SO4:

Catot (-) ← H2SO4 → Anot (+)

2H+ + 2e → H2 SO42- không bị điện phân 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

→ Phương trình điện phân: 2H2O → 2H2 + O2

Catot (-) ← NaOH → Anot (+)

Na+ không bị điện phân 4OH- → O2 + H2O + 4e 2H2O + 2e → H2 + 2OH-

→ Phương trình điện phân: 2H2O → 2H2 + O2

Nhận xét:

- Điện phân các dung dịch axit: HNO3, H2SO4, HClO4…, các dung dịch

- Phân tử axit, bazơ trong trường hợp này đóng vai trò là chất dẫn điện

Ví dụ 4: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịch NaCl

NaCl → Na+ + Cl

Catot (-) Anot (+)

Na+ không bị điện phân 2Cl- → Cl2 + 2e

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

→ Phương trình : 2Cl- + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH- (có màng ngăn)

hay 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

Nhận xét:

- Sau khi NaCl hết (Cl- hết), dung dịch có NaOH nên giai đoạn điện phân tiếp theo là điện phân H2O: 2H2O → 2H2 + O2 Do đó, số mol NaOH không đổi, nhưng nồng độ mol NaOH tăng dần

- Trong quá trình điện phân dung dịch NaCl, pH của dung dịch tăng dần

- Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : NaCl, CaCl2, MgCl2, BaCl2 …

- Không thể điều chế kim loại từ K đến Al bằng phương pháp điện phân dung dịch

Ví dụ 5: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịch CuSO4

CuSO4 → Cu2+ + SO4

2-Catot(-) Anot(+)

SO42- không bị điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2H2O → 4H+ + O2+ 4e

→ Phương trình điện phân : Cu2+ + H2O → Cu + 2H+ + ½ O2

hay CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + ½ O2

Nhận xét:

- Sau khi CuSO4 hết (Cu2+ hết), dung dịch có H2SO4 nên giai đoạn điện phân tiếp theo là điện phân H2O: 2H2O → 2H2 + O2 Do đó, số mol H2SO4

không đổi, nhưng nồng độ mol H2SO4 tăng dần

- Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO4, pH của dung dịch giảm dần -Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch muối của kim loại từ Zn

→ Hg với các gốc axit NO3- , SO42- …

Kết luận:

- Điện phân các dung dịch: kiềm, axit có oxi, muối của axit có oxi và kim loại từ Al trở về trước đều thực chất là điện phân H 2 O Trong quá trình điện phân, số mol chất tan không thay đổi nhưng nồng độ tăng dần.

- Điện phân dung dịch muối của ion kim loại sau nhôm với gốc axit như

NO 3 - , SO 4 2- … thì dung dịch sau điện phân có pH <7.

- Điện phân dung dịch muối của ion kim loại trước kẽm với gốc axit không có oxi như Cl - , Br - … thì dung dịch sau điện phân có pH>7.

Ví dụ 6: Viết sơ đồ và phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ

FeCl3 → Fe3+ + 3Cl

CuCl2 → Cu2+ + 2Cl

HCl → H+ + Cl

Fe3+ + 1e → Fe2+ 2Cl- → Cl2 + 2e

Cu2+ +2e → Cu

2H+ +2e → H2

Fe2+ + 2e→ Fe

Phương trình điện phân lần lượt xảy ra là:

2FeCl2→ 2FeCl2 + Cl2

CuCl2 → Cu + Cl2

2HCl →H2 + Cl2

FeCl2 → Fe + Cl2

Ví dụ 7: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịch hỗn

hợp gồm a mol NaCl và b mol Cu(NO3)2 , bằng điện cực trơ và có màng ngăn Biết a>2b

NaCl → Na+ + Cl

Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3

Catot (-) Anot (+)

Na+ không bị điện phân NO3- không bị điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2H2O → 4H+ + O2 + 4e Phương trình điện phân:

Cu2+ + 2Cl- → Cu + Cl2 (1)

Hoặc: Cu(NO3)2 + 2NaCl → Cu + Cl2 + 2NaNO3

Do a>2b nên khi Cu2+ hết, Cl- dư→ kết thúc giai đoạn (1) Tiếp tục điện phân sẽ xảy ra giai đoạn (2) là điện phân dung dịch NaCl

2H2O + 2Cl- → H2 + 2OH- + Cl2 (2)

Hoặc: 2H2O + 2NaCl → H2 + Cl2 + 2NaOH

Khi Cl- hết → kết thúc giai đoạn (2) Tiếp tục điện phân sẽ xảy ra giai đoạn (3) là điện phân H2O

2H2O → 2H2 + O2 (3)

* Một số câu hỏi vận dụng:

Câu 1: Khi điện phân các dung dịch: NaCl, KNO3, AgNO3, CuSO4 với điện cực trơ, màng ngăn xốp Dung dịch có pH tăng trong quá trình điện phân là:

A NaCl B KNO3 C AgNO3 D CuSO4

→ Chọn đáp án: A

Câu 2: (Đại học khối B-2007) Điện phân dung dịch chứa a mol CuSO4 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:

A b = 2a B 2b = a C b > 2a D b < 2a

→ Chọn đáp án: C

dịch gồm NaCl và CuSO4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là

A khí Cl2 và O2 B khí H2 và O2 C chỉ có khí Cl2 D khí Cl 2 và H2

→ Chọn đáp án: A

Câu 5: Điện phân hoàn toàn dung dịch hỗn hợp gồm a mol Cu(NO3)2 và

b mol NaCl với điện cực trơ , màng ngăn xốp Để dung dịch thu được sau khi điện phân có khả năng phản ứng với Al2O3 thì

A b = 2a B b > 2a C b < 2a D b < 2a hoặc b > 2a Hướng dẫn giải câu 5:

Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3

a a

NaCl → Na+ + Cl

b b

Catot(-) Anot (+)

Na+ không bị điện phân NO3- không bị điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

→ Phương trình : Cu2+ + 2Cl- → Cu + Cl2 (1)

a b

Nếu dư Cu2+ sau (1) : a > b/2 ( 2a > b ) thì có phản ứng

Cu2+ + 2H2O→ Cu + 4H+ + O2

→ Dung dịch thu được có axit nên có phản ứng với Al2O3

6H+ + Al2O3 → 2Al3+ + 3H2O

Nếu dư Cl- sau (1) : a < b/2 ( b > 2a) thì có phản ứng

2H2O + 2Cl- → 2OH- + H2 + Cl2

→ Dung dịch thu được có môi trường bazơ nên có phản ứng với Al2O3

2OH- + Al2O3 → 2AlO2- + H2O → Chọn đáp án D

II BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN

1 Định luật Farađay

Công thức:

nF

AIt

m  (*) Trong đó: m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực

A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực.

n: là số electrron trao đổi ở điện cực

t: là thời gian điện phân (s)

I: là cường độ dòng điện (Ampe)

F: là hằng số Farađay có giá trị F = 96500

Thường dùng 2 công thức sau:

- Số mol chất thoát ra ở điện cực nF It (**)

- Số mol electron trao đổi: ne F It (***)

2 Một số cơ sở để giải bài toán điện phân:

a Khi điện phân các dung dịch:

+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học mạnh (KOH, NaOH, Ba(OH)2,…)

+ Axit có oxi (HNO3, H2SO4, HClO4,…)

+ Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm (KNO3, Na2SO4,…) Đều thực tế là điện phân H2O: 2H2O → 2H2 (catot) + O2 (anot)

b Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào

- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (mm = (mkết tủa + mkhí)

c H2O bắt đầu điện phân ở các điện cực khi:

+ Catot: bắt đầu có khí thoát ra hoặc khi khối lượng catot không đổi, đó

là lúc các ion kim loại (có thể bị điện phân) vừa hết

+ Khi pH của dung dịch không đổi, đó là lúc các ion (có thể bị điện phân) vừa hết

d Khi điện phân với một Anot không trơ (làm bằng kim loại không phải

là Pt hay than chì) thì tại Anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 với anot làm bằng Cu

CuSO4 → Cu2+ + SO4

Cu2+ +2e → Cu Cu → Cu2+ + 2e

Vậy bản chất của quá trình điện phân ở đây là sự di chuyển Cu từ Anot sang Catot Trong quá trình điện phân nồng độ của CuSO4 không thay đổi

Ví dụ: Điện phân dung dịch AgNO3 với anot Cu

AgNO3 → Ag+ + NO3

Ag+ +1e → Ag Cu→ Cu2+ +2e

Phương trình điện phân: 2AgNO3 + Cu → 2Ag + Cu(NO3)2

e Có thể xảy ra phản ứng phụ:

- Giữa các chất tạo thành ở các điện cực trong quá trình điện phân

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ, không có màng ngăn

OH- và Cl2 sinh ra sẽ phản ứng với nhau tạo nước Javen

- Giữa axit trong dung dịch và kim loại bám trên catot

Ví dụ: Điện phân dung dịch Cu(NO3)2, sau điện phân nếu chưa lấy catot ra thì sẽ có phản ứng giữa Cu (ở catot) và dung dịch HNO3 (trong bình điện phân)

3 Hai dạng bài toán điện phân thường gặp:

Dạng 1: Tính thời gian điện phân (khi biết I, số mol)

*Cách làm:

- Viết các phương trình điện phân có thể xảy ra (không cần viết sơ đồ điện phân)

- Xác định các sản phẩm thu được ở mỗi điện cực

- Sử dụng tỷ lệ như phương trình hóa học thông thường để tính số mol sản phẩm

- Áp dụng công thức của Farađay (**) để tính thời gian theo số mol sản phẩm thu được ở các điện cực, hoặc theo số mol electron trao đổi

* Một số ví dụ:

Ví dụ 1: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ, có

màng ngăn, cường độ dòng điện không đổi 1,93A Tính thời gian điện phân

để được dung dịch pH = 12 Cho 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 giải:

Các phương trình điện phân có thể xảy ra:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2 (1)

Khi NaCl hết 2H2O → 2H2 + O2 (2)

Vì dung dịch có pH = 12 → dung dịch thu được có môi trường kiềm

pH = 12 → [H+] = 10-12 → [OH-] = 0,01 → Số mol OH- = 0,001 mol

Áp dụng công thức Farađay (**):

nOH- = n I..F t  t n OHI.n.F 0,0011.,193.96500 50(s)

Hoặc áp dụng công thức Faraday (***):

ne = I F t  50 ( )

93 , 1

96500 1 001 , 0

s I

F n

→ Chọn đáp án A

Ví dụ 2: Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 0,1M với các điện cực trơ cho đến khi bắt đầu có bọt khí vừa thoát ra ở catot thì dừng lại Tính pH dung dịch sau điện phân Biết hiệu suất điện phân bằng 100%, thể tích dung dịch được xem như không đổi Lấy lg2 = 0,3

A pH = 0,1 B pH = 0,7 C pH = 2,0 D pH = 1,3 Hướng dẫn giải:

Các phương trình điện phân có thể xảy ra:

CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + 1/2O2 (1) Khi H2SO4 hết 2H2O → 2H2 + O2 (2)

Do điện phân đến khi vừa bắt đầu sủi bọt khí, nên ở catot Cu2+ vừa hết → không xảy ra phương trình (2)

Theo (1) Số mol O2 = ½ số mol H2SO4 = 0,01 mol

→ [H+] = 0,02/0,1 = 0,2 → pH = -lg0,2 = 0,7 → Chọn đáp án B

Ví dụ 3: Điện phân một dung dịch chứa 0,1 mol NaCl với cường độ dòng điện 1 ampe, có màng ngăn và điện cực trơ, đến khi anot có 2,24 lít (ở đktc) Tính thời gian điện phân

Hướng dẫn giải:

Các phương trình điện phân có thể xảy ra:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2 (1)

Khi NaCl hết 2H2O → 2H2 + O2 (2)

0,1

Vì anot thu được O2 nên giai đoạn (1) đã xong hay NaCl hết