một số kỹ năng và phương pháp giải một số dạng bài toán cơ bản về điện phân dung dịch.

Tuynhiên, 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

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 phảinhớ sâu, nắm vững Có như thế ở mỗi bài toán mới tìm ra được phương phápgiải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất Điều đó khôngnhững 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 nhiềunăm tôi nhận thấy chuyên đề điện phân là một chuyên đề hay và khó nhưnglại khá quan trọng nên thường gặp trong các đề thi lớn của quốc gia Tuynhiên, 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 quanđến điện phân

Qua nghiện cứu, giảng dạy nhiều năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bàitập 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 trongcác kì thi

Đề tài này được viết trên cơ sở khi đang dạy chương đại cương kim loạilớp 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

- 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 cationchạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đóxảy ra các quá trình trao đổi electron trên các điện cực

- Phân loại điện phân: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dungdịch 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

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

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)

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 nhườngelectron 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-,

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)

- 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 anottrơ

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 dịchNaCl

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 phântiếp theo là điện phân H2O: 2H2O → 2H2 + O2 Do đó, số mol NaOH khôngđổi, 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 phândung dịch

Ví dụ 5: Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi điện phân dung dịchCuSO4

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 chứaFeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ

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

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 điệnphân 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 giaiđoạn (3) là điện phân H2O

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 điệnphân 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 anotlà

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 khiđiện phân có khả năng phản ứng với Al2O3 thì

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

Công thức: m  nF AIt (*)

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 điệnphân 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 điệnphân) 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.

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 rathì 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 đồđiện 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 molsản phẩm

- Áp dụng công thức của Farađay (**) để tính thời gian theo số mol sảnphẩm 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 thayđổi, 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 trơcho đến khi bắt đầu có bọt khí vừa thoát ra ở catot thì dừng lại Tính pH dungdịch sau điện phân Biết hiệu suất điện phân bằng 100%, thể tích dung dịchđược xem như không đổi Lấy lg2 = 0,3

A pH = 0,1 B pH = 0,7 C pH = 2,0 D pH = 1,3Hướng 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 độdòng điện 1 ampe, có màng ngăn và điện cực trơ, đến khi anot có 2,24 lít (ởđktc) Tính thời gian điện phân

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

Theo (1) và (2): Số mol H2 thu được ở catot = 0,05+0,1=0,15 mol →

ne=0,3 mol

Áp dụng công thức của Farađay (**)ta có:

F n

t I

I

F n n

t  H   hay 8h2’30”.Hoặc áp dụng công thức của Farađay (***)ta có:

F

t I

s I

F n

A 250s B 1000s C 500s D 750sHướng dẫn giải:

Vì đề bài chỉ hỏi đến kim loại nên ta chỉ cần quan tâm đến quá trìnhnhường e của ion kim loại ở catot (mà không cần viết phương trình) Catotxảy ra các quá trình theo thứ tự

Ag+ +1e → Ag

Cu2+ + 2e → Cu

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 Ag+ và còn dư một phần Cu2+

→ Khối lượng Cu được tạo thành : 1,72 – 1,08 = 0,64 gam → nCu = 0,01 mol

→ Tổng số mol electron ở hai quá trình trên là: ne = 0,01 + 0,02 = 0,03 mol

Áp dụng công thức Faraday (***):

F

t I

ne

.

86 , 3

96500 03 , 0

s I

F n

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức Farađay (***) ta có: ne =

) ( 232 , 0 96500

) 40 60 38

mol F

t I



0,04 nên Cu2+ chưa hết → nCu= 1/2ne = 0,01 → m1 = 0,64 gam

+ Số mol electron khi điện phân 500 s là 0,02.2,5= 0,05 (mol)>ne → Cu2+ hết

mol F

t I



Ở anot xảy ra:

Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2

0,1M và NaCl 0,5M (với điện cực trơ, màng ngăn, hiệu suất điện phân 100%)với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây Dung dịch thu được sau điệnphân 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 giải

Số mol e trao đổi khi điện phân : ne= 0 , 2 ( )

96500

3860 5

mol F

t I

Ví dụ 5: 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 độdòng điện là 5A trong 2 giờ 40 phút 50 giây ở catot thu được

A.5,6 g Fe B.2,8 g Fe C.6,4 g Cu D.4,6 g Cu Hướng dẫn giải

Áp dụng công thức (***): ne = 0 , 5 ( )

96500

) 50 60 40 60 60 2 (

5

F

t I

→ Chọn đáp án C

3 Một số ví dụ áp dụng:

Bài 1 : Hòa tan 50 gam tinh thể CuSO4.5H2O vào 200 ml dung dịch HCl0,6 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 ởcatot và thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc) lần lượt là (Biết hiệu suất điệnphân là 100 %):

C 6,4 gam và 2,016 lít D 9,6 gam và 1,792 lít

Bài 2: Có 200 ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO3)2 và AgNO3, để điện phânhết 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:

Bài 3.( Đại học khối B-2010): Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung

dịch CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn cònmàu xanh, có khối lượng giảm 8g so với dung dịch ban đầu Cho 16,8g bột Fevào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4g kim loại Giátrị x là

A 2,25 B 1,5 C 1,25 D 3,25

Bài 4 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 Nếuthời gian điện phân là t (s) thì thu được kim loại M ở catot và 156,8 ml khí tạianot Nếu thời gian điện phân là 2t (s) thì thu được 537,6 ml khí Biết thể tíchcác 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 1400s

Bài 5 ( Đại học khối A-2007): Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cựctrơ, 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 độthường) Sau phản ứng, nồng độ NaOH còn lại là 0,05M (giả thiết thể tích dungdịch không thay đổi) Nồng độ ban đầu của dung dịch NaOH là

A 0,15M B 0,2M C 0,1M D 0,05M

Bài 6 Điện phân dung dịch NaCl (d=1,2g/ml) chỉ thu được một chất khí

ở điện cực Cô cạn dung dịch sau điện phân, còn lại 125g cặn khô Nhiệt phâncặn này thấy giảm 8g Hiệu suất của quá trình điện phân là