Tài liệu ôn thi hóa học chuyên đề điện phân

Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 146 Vấn đề II vô ĐIỆN PHÂN I ĐỊNH NGHĨA Sự điện phân q trình oxi hóa, q trình khử xảy bề mặt điện cực có dịng điện chiều qua dung dịch chất điện li hay chất điện li trạng thái nóng chảy Nguồn điện chiều (Pin, Acqui) I e- Catot Anot Dây dẫn điện e- Bình điện phân - Điện cực nối với cực âm máy phát điện (nguồn điện chiều) gọi cực âm hay catot (catod) - Điện cực nối với cực dương máy phát điện gọi cực dương hay anot (anod) - Tại bề mặt catot ln ln có q trình khử xảy ra, q trình chất oxi hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử tương ứng - Tại bề mặt anot ln ln có q trình oxi hóa xảy ra, q trình chất khử cho điện tử để tạo thành chất oxi hố tương ứng - Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường ion kim loại khác (ion dương) catot chất có tính oxi hóa mạnh bị khử trước; Khi hết chất oxi hóa mạnh mà cịn điện phân tiếp tục, chất oxi hóa yếu bị khử sau; Thí dụ: Có ion kim loại Cu2+, Ag+, Fe2+ catot bình điện phân http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 147 Biên soạn: Võ Hồng Thái Do độ mạnh tính oxi hóa giảm dần sau: Ag+ > Cu2+ > Fe2+, nên trình khử xảy catot là: Ag+ + eCu2+ + 2eFe2+ + 2e- Ag Cu Fe (1) (2) (3) Tương tự, có nhiều chất khử khác nhau, thường anion phi kim khác nhau, anot, chất khử mạnh bị oxi hóa trước; Khi hết chất khử mạnh mà cịn điện phân tiếp tục chất khử yếu bị oxi hóa sau; Thí dụ: Có anion Cl-, Br -, I- anot trơ Do độ mạnh tính khử giảm dần sau: I- > Br - > Cl-, nên trình oxi hóa xảy anot sau: 2I2Br 2Cl- - 2e2e2e- I2 Br2 Cl2 (1) (2) (3) Trong dãy điện hóa (dãy hoạt động hóa học kim loại, dãy Beketov), người ta kim loại (trừ H2 phi kim) theo thứ tự từ trước sau có độ mạnh tính khử giảm dần, ion kim loại tương ứng (ion dương) từ trước sau có độ mạnh tính oxi hóa tăng dần K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au Chiều tính khử giảm dần K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+ Mn2+ Zn2+ Cr3+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ H+ Cu2+ Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+ Chiều tính oxi hóa tăng dần - Thế điện hóa chuẩn cặp oxi hóa khử lớn đại số chất oxi hóa mạnh chất khử tương ứng yếu 0 E Ox1 / Kh1 > E Ox / Kh ⇒ Tính oxi hóa: Ox1 > Ox2 Tính khử: Kh1 < Kh2 - Thực nghiệm cho biết: E0Ag+/Ag > E0Fe3+/Fe2+ > E0Cu2+/Cu > E0Fe2+/Fe Do đó, tính oxi hóa: Ag+ > Fe3+ > Cu2+ > Fe2+ tính khử: Ag < Fe2+ < Cu < Fe - Độ mạnh tính khử chất giảm dần sau: (áp dụng điện phân) http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giaùo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 148 Tính khử: Kim loại (trừ Pt) > S2− > I− > Br − > Cl− > OH− > H2O (Do tính oxi hóa: Cl2 > Br2 > I2 > S nên độ mạnh tính khử: Cl− < Br − < I− < S2−) Thí dụ: Hãy viết q trình khử xảy catot điện phân dung dịch có chứa cation: Fe3+, Ag+, Cu2+ Do tính oxi hóa giảm dần sau: Ag+ > Fe3+ > Cu2+ > Fe2+ > H2O nên trình khử xảy catot là: Ag+ Fe3+ + + 2+ Cu + 2+ Fe + 2H2O + ee2e2e2e- Ag Fe2+ Cu Fe H2 + 2OH− (1) (2) (3) (4) (5) Nếu khơng có Cu2+, Fe3+ bị khử tạo Fe mà khơng xảy q trình (2) Fe3+ + 3e- Fe Nếu có tạo ion H+ anot H2O khơng bị khử (q trình (5) mà ion H+ bị khử: 2H+ 2e- H2 Do ion H+ nước có nồng độ nhỏ nên ion H+ axit dễ bị khử ion H+ H2O, H2O tham gia điện phân trình (5) thực chất H+ H2O bị khử) II SỰ ĐIỆN PHÂN CHẤT ĐIỆN LI NĨNG CHẢY Khi đun nóng nhiệt độ cao chất điện li nóng chảy (hóa lỏng), ion dương ion âm linh động so với trạng thái rắn Các ion dương (cation) mang điện tích dương nên di chuyển cực âm (catot), có trình khử xảy ra; Cịn ion âm (anion) mang điện tích âm nên di chuển cực dương (anot), có q trình oxi hóa xảy Các thí dụ, trình bày điện phân nóng chảy ứng với trường hợp (thí dụ) sau đây: Thí dụ 1: Điện phân muối ăn nóng chảy NaCl nóng chảy (Na+, Cl−) Catot (−) Na+ + eChất oxi hóa Na Chất khử 2Cl− − 2eChất khử http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Anot (+) Cl2 Chất oxi hóa Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 149 2NaCl 2Na+ + 2e2Cl− − 2e2NaCl + 2Na+ + 2Cl− 2Na Cl2 2Na đpnc Natri clorua + Cl2 Natri (Catot) Clo (Anot) Như điện phân muối ăn nóng chảy, ta thu natri catot khí clo anot Thí dụ 2: Điện phân nhơm oxit nóng chảy Al2O3 nóng chảy (2Al3+, 3O2−) Catot (−) 2Al3+ + 6e- 3O2- − 6e- 2Al + 2Al3+ + 2Al O2 Al2O3 2Al3+ + 6e3O2− − 6e- Al2O3 2Al đpnc Nhôm oxit + Nhôm (Catot) Anot (+) O2 3O2− O2 Oxi (Anot) Điện phân nóng chảy nhơm oxit thu kim loại nhơm catot, khí oxi anot bình điện phân Thí dụ 3: Điện phân xút nóng chảy NaOH nóng chảy (Na+, OH−) Catot (−) Na+ + e- Anot (+) 2OH- − 2e- Na + 2NaOH 2Na+ + 2e2OH− - 2e2NaOH 2Na+ + 2OH− 2Na O2 + H2O O2 + H2O 2Na + http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái O2 + H2O Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 150 Natri hiđroxit Natri Oxi Hơi nước Điện phân xút nóng chảy, thu natri catot, khí oxi nước anot Thí dụ 4: Điện phân hỗn hợp muối natri clorua magie clorua nóng chảy Hỗn hợp NaCl - MgCl2 nóng chảy (Na+, Mg2+, Cl-) Catot (−) Anot (+) (Tính khử: Na > Mg nên tính oxi hóa: Na+ < Mg2+) Mg2+ + 2eMg (1) Na+ + eNa (2) 2Cl− - 2e- Cl2 Như coi MgCl2 tham gia điện phân trước; Sau hết MgCl2, NaCl tham gia điện phân MgCl2 Mg2+ + 2Cl2+ + Mg + 2e Mg − 2Cl − 2e Cl2 MgCl2 đpnc Magie clorua Mg + Cl2 Magie (I) Oxi Sau hết MgCl2, đến NaCl tham gia điện phân + 2NaCl 2Na+ + 2e2Cl− − 2e2NaCl đpnc Natri clorua 2Na+ + 2Na Cl2 2Na + Natri 2Cl- Cl2 (II) Khí clo Như điện phân hỗn hợp muối NaCl - MgCl2 thu Mg, Na catot, khí clo anot III SỰ ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI Khi điện phân dung dịch chất điện li tùy trường hợp, dung mơi nước dung dịch tham gia điện phân catot hay anot Nếu nước tham gia điện phân thì: - Ở catot: Do catot có q trình khử xảy nên H2O đóng vai trị chất oxi hóa, bị khử tạo khí hiđro (H2) ra, đồng thời phóng thích ion OH- dung dịch 2H2O 2H+ + 2e- 2H+ + H2 2OH− http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 151 2H2O - Biên soạn: Võ Hồng Thái H2 + 2OH− + 2e- Ở anot: Do anot có trình oxi hóa xảy nên nước đóng vai trị chất khử, bị oxi hóa tạo khí oxi (O2) ra, đồng thời phóng thích ion H+ dung dịch 2H+ + 2OH1 O + H2O O2 + 2H+ 2H2O 2OH- − 2e- H2O − 2eIII.1 Ở catot Thực nghiệm cho thấy điện phân dung dịch chứa ion kim loại đứng sau nhơm (Al) dãy điện hóa ion kim loại bị khử tạo thành kim loại bám vào điện cực catot Ion đứng sau có tính oxi hóa mạnh nên bị khử trước catot (Hiểu kim loại đứng sau nhôm có tính khử yếu, ion kim loại (ion dương) có tính oxi hóa mạnh Chúng có tính oxi hóa mạnh nước nên ion dương bị khử trước nước K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au Mn+ + Ion kim loại ne- M (Kim loại đứng sau Al) Thí dụ: Ion Cu2+ catot bình điện phân điện phân dung dịch có chứa ion Cu2+ ion bị khử catot: Cu2+ + 2e- Cu Còn điện phân dung dịch chứa ion kim loại từ nhôm trở trước (ion kim loại Al3+, Mg2+, ion kim loại kiềm thổ, ion kim loại kiềm) ion kim loại khơng bị khử catot mà H2O dung dịch bị khử tạo H2 bay phóng thích ion OH- dung dịch (ion OH- kết hợp ion kim loại tạo hiđroxit kim loại tương ứng) Có thể hiểu kim loại từ Al trở trước có tính khử mạnh mạnh, nên ion kim loại có tính oxi hóa yếu, yếu H2O Do H2O bị khử trước catot Và nước bị khử catot giai đoạn chót catot, khơng cịn dung dịch nữa, nên điện phân ngừng Các ion kim loại từ Al trở trước bị khử tạo kim loại tương ứng điện phân nóng chảy chất điện có chứa ion 2H2O + 2e- H2 + 2OH- III.2 Ở Anot http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 152 Biên soạn: Võ Hồng Thái Q trình oxi hóa anot phụ thuộc vào chất chất làm điện cực anot chất anion phía anot - Nếu anot tan (khơng trơ, khơng bền): Anot làm kim loại thông thường (trừ Pt) (như Ag, Cu, Fe, Ni, Zn, Al ) kim loại dùng làm anot oxi hóa (bị hịa tan) cịn anion anot khơng bị oxi hóa Có thể hiểu cách gần kim loại dùng làm kim loại có tính khử mạnh chất khử khác anot dung dịch, nên kim loại dùng làm điện cực anot bị oxi hóa trước Và điện cực anot bị oxi hóa (bị ăn mịn) giai đoạn cuối anot Bởi hết điện cực anot, có cách điện điện phân dừng Thí dụ: Anot làm kim loại đồng (Cu) Cu(anot) + 2e- Cu2+ Nếu anot không tan (trơ, bền): anot làm bạch kim (Platin, Pt) hay than chì (Cacbon graphit) + Nếu anion anot anion không chứa O Cl-, Br-, I-, S2- anion bị oxi hóa anot Thí dụ: Anion Cl- anot trơ, ion Cl- bị oxi hóa anot 2Cl- - 2e- Cl2 + Nếu anion anot anion có chứa O NO3-, SO42-, PO43-, CO32- anion khơng bị oxi hóa anot mà H2O dung dịch bị oxi hóa tạo O2 ra, đồng thời phóng thích ion H+ dung dịch (ion H+ kết hợp với anion tạo thành axit tương ứng) Và nước bị oxi hóa anot giai đoạn chót anot Vì đến chất khử khác bị oxi hóa, lúc khơng cịn dung dịch nữa, nên điện phân dừng Thí dụ: anion NO3- anot trơ dung dịch, anion khơng bị oxi hóa mà nước dung dịch bị oxi hóa H2O - 2e- O2 + 2H+ (H+ + NO3- HNO3) Lưu ý L.1 Khi đầu cho điện phân mà không cho biết dùng điện cực hiểu điện cực khơng tan (trơ, bền) http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giaùo khoa hóa vô L.2 Biên soạn: Võ Hồng Thái 153 Các ion OH- (hiđroxit), RCOO- (cacboxilat) anion có chứa O, chúng bị oxi hóa anot điện phân dung dịch chứa anion với điện cực trơ -2 O2 + H2O 2OH- - 2e(Chất khử) (Chất oxi hóa) +3 2RCOO- - +4 2e- R-R Ion cacboxilat (Chất khử) + Hiđrocacbon 2CO2 Khí cacbonic (Chất oxi hóa) Thí dụ: Khi điện phân dung dịch chứa ion axetat (CH3COO-) dùng điện cực trơ, ion axetat bị oxi hóa anot 2CH3COO- - 2e- CH3-CH3 Ion axetat + Etan 2CO2 Khí cacbonic L.3 Thứ tự chất bị oxi hóa anot trơ: S2- > I- > Br- > Cl- > RCOO- > OH- > H2O L.4 Nếu bình điện phân khơng có vách ngăn xốp catot với anot xảy phản ứng phụ chất vừa tạo hai bên điện cực catot, anot Thí dụ: Điện phân dung dịch NaCl điện cực trơ mà khơng có vách ngăn, Cl2 tạo anot tác dụng với dung dịch NaOH catot để tạo nước Javel Cl2 + 2NaOH NaCl Xút Clo Natri clorua + NaClO + H2O Natri hipoclorit Nước Nước Javel III.3 Các thí dụ Thí dụ 1: Điện phân dung dịch NaCl, dùng điện cực trơ dd NaCl (Na+, Cl-, H2O) Catot (-) 2H2O + 2e- H2 + 2OH - - 2Cl - 2e 2OH- - 2e- + Anot (+) (trơ) Cl2 (1) O2 + H2O 2Na+ + 2ClH2 + 2OHCl2 2NaCl 2H2O + 2e2Cl- - 2e2NaCl + 2H2O - đp H2 + 2NaOH + Cl2 http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái (I) (2) Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 154 Natri clorua Nước Hiđro Xút (Catot) Clo (Anot) Nếu khơng có màng ngăn xốp catot với anot có phản ứng phụ: 2NaOH + Cl2 NaCl + NaClO + H2O Nước Javel Nếu bình điện phân có vách ngăn, sau điện phân hết NaCl, thu dung dịch gồm: NaOH, H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch NaOH + 2NaOH 2H2O + 2e2OH- - 2eH2 O đp Nước 2Na+ + 2OHH2 + 2OH1 O2 + H2O H2 O2 Hiđro (II) Oxi Như điện phân dung dịch muối ăn, điện cực trơ, có vách ngăn xốp catot với anot, giai đoạn đầu, NaCl bị điện phân trước, thu khí hiđro catot, khí clo anot, dung dịch xút bên ngăn catot Sau hết muối ăn, đến điện phân dung dịch xút, thực chất nước dung dịch bị điện phân, tạo khí hiđro catot, khí oxi anot, thể tích H2 gấp đơi thể tích khí O2 Cịn NaOH cịn ngun dung dịch, có lượng không đổi, nồng độ ngày tăng dần (là dung mơi nước ngày đi) Thí dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO4, điện cực không tan dd CuSO4 (Cu , SO42-, H2O) 2+ Catot (-) Cu2+ + 2e- Cu (1) 2H+ + 2e- H2 (2) + CuSO4 Cu2+ + 2eH2O - 2e- CuSO4 + H2O Đồng (II) sunfat H2O - 2e- Anot (+) (Trơ) O2 + 2H+ Cu2+ + SO42Cu O2 + 2H+ đp Cu + O2 + H2SO4 Đồng (Catot) http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Oxi Axit sunfuric (Anot) (I) Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thaùi 155 Sau điện phân hết CuSO4, thu dung dịch gồm: H2SO4 , H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch H2SO4 + H2SO4 2H+ + H 2O H2O - 2e - 2eđp Nước 2H+ + SO42H2 O2 + 2H+ H2 + O2 Hiđro (Catot) (II) Oxi (Anot) Khi điện phân dung dịch đồng (II) sunfat, điện cực trơ, thu đồng kim loại catot, khí oxi anot, dung dịch H2SO4 bên ngăn anot Sau điện phân hết CuSO4, thu dung dịch gồm H2SO4 H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch H2SO4, thực chất H2O dung dịch bị điện phân, thu khí hiđro (H2) catot, khí oxi (O2) anot, thể tích khí hiđro gấp đơi thể tích khí oxi Cịn H2SO4 ln ln nằm dung dịch, có lượng khơng đổi, nồng độ lúc cao (là dung môi nước lúc đi) Tuy nhiên khơng có diện H2SO4 hay NaOH, nghĩa có nước ngun chất nước khơng tham gia điện phân Bởi nồng độ ion H+, ion OHcủa nước nhỏ nên không đủ để dẫn điện nên điện phân khơng xảy Thí dụ 3: Điện phân dung dịch AgNO3, điện cực bạc (Ag) dd AgNO3 (Ag+, NO3-, H2O) Catot (-) Ag+ + e- Ag(bám vào catot) Ag(anot) Ag+ + NO3Ag (bám vào catot) Ag+ AgNO3 + Ag+ + eAg (anot) - eAg (anot) Anot (+) (Ag) - eAg+ đp Ag (bám vào catot) Như điện phân dung dịch bạc nitrat, điện cực anot bạc, thực chất anot bạc bị oxi hóa (bị ăn mịn) Lượng bạc bị hòa tan anot đem cho bám vào catot Cịn AgNO3 dung dịch khơng đổi Người ta thường áp dụng tượng để mạ kim loại, để tinh chế kim loại Trong phương pháp tinh chế kim loại phương pháp điện phân phương pháp tạo kim loại tinh khiết Thí dụ 4: Điện phân dung dịch hỗn hợp muối ZnCl2 CuCl2 Dùng điện cực trơ http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thaùi 156 dd hh: ZnCl2 - CuCl2 (Zn2+, Cu2+, Cl-, H2O) Catot (-) Anot (+) (Trơ) Cu2+ + 2eZn2+ + 2e- Cu Zn 2Cl- - 2e- (1) (2) Cl2 Coi CuCl2 tham gia điện phân trước (Vì Cu2+ bị khử trước catot, Cl- bị oxi hóa trước anot) Cu2+ Cu Cl2 CuCl2 Cu2+ + 2e2Cl- - 2e- + CuCl2 đp Đồng (II) clorua Cu + Đồng (Catot) 2Cl- + Cl2 (I) Clo (Anot) Sau điện phân hết CuCl2, đến ZnCl2 điện phân ZnCl2 + Zn2+ + 2e2Cl- - 2eZnCl2 đp Kẽm clorua Zn2+ + 2ClZn Cl2 Zn + Cl2 Kẽm (II) Clo Thí dụ 5: Điện phân dung dịch hỗn hợp NaCl, CuSO4 Điện cực trơ Có vách ngăn dd hh NaCl - CuSO4 (Na+, Cl-, Cu2+, SO42-, H2O) Catot (-) Cu2+ + 2e2H2O + 2eHoặc: 2H+ + 2e- Anot (+) (Trơ) Cu 2Cl- - 2e- (1) H2 + 2OH- (2) H2 (2’) H2O - 2eHay: 2OH- - 2e- Cl2 (1) O2 + 2H+ (2) O2 + H2O (2’) Coi CuSO4 lẫn NaCl tham gia điện phân đồng thời (Do Cu2+ bị khử trước catot, ion Cl- bị oxi hóa trước anot) CuSO4 Cu2+ + SO42- http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 157 2Na+ + 2ClCu Cl2 2NaCl Cu2+ + 2e2Cl- - 2e- + CuSO4 + 2NaCl Đồng (II) sunfat Cu Natri clorua + Đồng (Catot) Na2SO4 Natri sunfat + Cl2 (I) Clo (Anot) Sau gian điện phân, ba trường hợp sau xảy ra: - Truờng hợp 1: Cả CuSO4 lẫn NaCl điện phân hết lúc Khi vừa hết CuSO4 lẫn NaCl thu dung dịch gồm: Na2SO4 ; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch Na2SO4, thực chất điện phân H2O dung dịch, thu H2 catot, O2 anot, thể tích khí hiđro gấp đơi thể tích khí oxi Cịn Na2SO4 ln ln diện dung dịch, có lượng khơng đổi, nồng độ lúc tăng (do dung môi H2O ngày giảm) H 2O - H2 đp + 1/2 O2 (Catot) (II) (Anot) Trường hợp 2: CuSO4 điện phân hết trước NaCl chưa điện phân hết Khi điện phân vừa hết CuSO4, thu dung dịch gồm: NaCl dư; Na2SO4; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch NaCl dư tiếp tục: + 2NaCl 2H2O + 2Cl2NaCl + 2Na+ H2 Cl2 2e2e2H2O 2Cl2OH- H2 + đp + + 2NaOH + (Catot) Cl2 (II’) (Anot) Khi điện phân vừa hết NaCl, thu dung dịch gồm: Na2SO4; NaOH; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch Thực chất H2O dung dịch bị điện phân, thu khí H2 catot, khí O2 anot, thể tích khí hiđro gấp đơi thể tích khí oxi Cịn Na2SO4 NaOH ln ln nằm dung dịch có nồng độ lúc tăng (là dung môi nước lúc đi) Trên nguyên tắc, cuối thu Na2SO4 NaOH khan H 2O đp H2 (Catot) - + O2 (III’) (Anot) Trường hợp 3: NaCl điện phân hết trước CuSO4 CuSO4 chưa điện phân hết http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giaùo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 158 Sau điện phân vừa hết NaCl, thu dung dịch gồm: CuSO4 dư; Na2SO4; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch CuSO4 tiếp tục bị điện phân: CuSO4 Cu + 2e2+ + H2O - 2eCuSO4 + H 2O Cu2+ + SO42Cu O2 + 2H+ đp Cu + O2 + (Catot) H2SO4 (II’’) (Anot) Sau điện phân vừa hết CuSO4, thu dung dịch gồm: Na2SO4; H2SO4; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch trên, thực chất H2O dung dịch bị điện phân Thu H2 catot, O2 anot, thể tích H2 gấp đơi O2 Cịn Na2SO4 H2SO4 ln ln nằm dung dịch, có lượng khơng đổi, nồng độ lúc tăng (do dung môi nước lúc đi) Trên nguyên tắc, cuối thu Na2SO4 H2SO4 khan đp H2 + (III’’) H 2O O2 Thí dụ 6: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm: Cu(NO3)2, AgNO3, Fe(NO3)3 Điện cực trơ dd hh: Cu(NO3)2 - AgNO3 - Fe(NO3)3 (Cu2+, Ag+, Fe3+, NO3-, H2O) Catot (-) Ag+ + e- Ag (1 ) Fe3+ Cu2+ Fe2+ 2H+ e2e2e2e- Fe2+ Cu Fe H2 (2) (3) (4) (5) + + + + H2O - 2e- Anot (+) (Trơ) O2 + 2H+ Coi AgNO3 tham gia điện phân trước + 2AgNO3 2Ag+ + 2eH2O - 2e2AgNO3 + H2O đp 2Ag+ + 2NO32Ag O2 + 2H+ 2Ag + O2 + 2HNO3 (I) Bạc Oxi http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Axit nitric Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 159 (Catot) (Anot) Sau điện phân hết AgNO3, đến Fe(NO3)3 tham gia điện phân + Fe3+ + 3NO3Fe2+ O2 + 2H+ Fe(NO3)3 Fe3+ + eH2O - 2e- 2Fe(NO3)3 + H2O 2Fe(NO3)2 + đp O2 + 2HNO3 (II) Sau điện phân hết Fe(NO3)3, đến Cu(NO3)2 tham gia điện phân + Cu(NO3)2 Cu2+ + 2eH2O - 2e- Cu(NO3)2 + H2O đp Cu2+ Cu O2 + 2H+ Cu + O2 + 2HNO3 (III) Sau điện phân hết Cu(NO3)2, đến Fe(NO3)2 tham gia điện phân Fe2+ + 2NO3Fe 1/2O2 + 2H+ Fe + O2 + 2HNO3 Fe(NO3)2 + Fe2+ + 2eH2O - 2eFe(NO3)2 + H2O đp (IV) Sau điện phân hết Fe(NO3)2, thu dung dịch gồm: HNO3, H2O Nếu tiếp tục điện phân dung dịch HNO3, thực chất nước dung dịch tham gia điện phân, tạo khí hiđro catot, khí oxi anot, thể tích H2 gấp đơi thể tích O2 Cịn HNO3 ln ln nằm dung dịch có lượng khơng đổi, nồng độ lúc tăng, dung môi nước lúc H 2O đp H2 + Hiđro (Catot) O2 (V) Oxi (Anot) Thí dụ 7: Điện phân dung dịch NaCl, điện cực đồng (Cu) dd NaCl http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giaùo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 160 (Na+, Cl-, H2O) Catot (-) 2H2O + 2e- H2 + 2OH Anot (+) (Cu) Cu(anot) - 2eCu2+ - 2Na+ + 2ClH2 + 2OHCu2+ 2NaCl 2H2O + 2eCu(anot) - 2eCu(anot) + 2H2O đp H2 Hiđro (Catot) + Cu(OH)2 Đồng (II) hiđroxit Khi điện phân dung dịch muối ăn, điện cực đồng thực chất anot đồng bị hịa tan (bị oxi hóa), nước dung dịch tham gia điện phân, có hiđro catot, có tạo đồng (II) hiđroxit khơng tan lắng xuống đáy bình điện phân, cịn NaCl coi nằm dung dịch, có lượng không đổi IV Định luật Faraday Khối lượng chất tạo điện cực bình điện phân tỉ lệ với đương lượng chất đó, với cường độ dịng điện thời gian điện phân (hay khối lượng chất tạo điện cực tỉ lệ với đương lượng chất điện lượng qua bình điện phân) mA = M × A × I ×t 96500 n A mA: Khối lượng chất A tạo điện cực (catot anot), tính gam MA: Khối lượng phân tử (nguyên tử, ion) A Nếu chất A tạo điện cực phân tử MA khối lượng phân tử A; chất A tạo điện cực nguyên tử MA khối lượng nguyên tử A; chất A tạo điện cực ion MA khối lượng ion ion (ion lượng, ion khối) nA: Hóa trị A (chất tạo điện cực) Cụ thể nA số điện tử trao đổi điện cực để tạo phân tử A (hoặc nguyên tử A ion A) MA đượng lượng chất A (chất tạo điện cực) nA I: Cường độ dịng điện tính Ampe (Ampère) t: Thời gian điện phân, tính giây I x t = q: Điện lượng qua bình điện phân, tính Coulomb http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô Biên soạn: Võ Hồng Thái 161 Cơng thức Faraday viết dạng số mol A thu điện cực (Trong tính tốn hóa học thường dùng số mol để dễ liên hệ hơn) ' nA = mA 1 = × × I ×t M A 96500 n A n’A: Số mol chất A tạo điện cực bình điện phân nA: Hóa trị A, số điện tử trao đổi điện cực để tạo phân tử (1 nguyên tử, ion) A I: Cường độ dịng điện, tính Ampère t: Thời gian điện phân, tính giây Thí dụ: - Với q trình khử điện cực catot Fe2+ + 2e- Fe M 1 56 × Fe × It = × × It 96500 n Fe 96500 1 1 × × It = × × It Số mol sắt thu catot: n' Fe = 96500 n Fe 96500 Số gam kim loại sắt thu catot: m Fe = - Với trình khử catot: Fe3+ + 3e- Khối lượng sắt (gam) thu catot là: m Fe = Số mol sắt thu catot là: n' Fe = - Fe M 1 56 × Fe × It = × × It 96500 n Fe 96500 1 1 × × It = × × It 96500 n Fe 96500 Với trình khử catot: Fe3+ + e- Khối lượng (g) ion Fe2+ thu catot: m Fe + = Số mol ion Fe2+ thu catot: n' Fe + = Fe2+ M 2+ 1 56 × Fe × It = × × It 96500 n Fe + 96500 M 2+ 1 × Fe × It = × × It 96500 n Fe + 96500 http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô - Với q trình oxi hóa anot: 2Cl- - 2eCl- - e- Khối lượng (g) Cl2 thu anot: mCl2 = Số mol Cl2 thu anot: n' Cl2 = - Cl2 Cl2 M Cl2 1 71 × × It = × × It 96500 nCl2 96500 1 1 × × It = × × It 96500 nCl2 96500 Khối lượng (g) Cl thu anot: mCl = Số mol Cl thu anot: n' Cl = Biên soạn: Võ Hồng Thái 162 M 1 35,5 × Cl × It = × × It 96500 nCl 96500 1 1 × × It = × × It 96500 nCl 96500 Với q trình oxi hóa tạo khí oxi anot: 2O2- - 4eO2- - 2e2OH- - 2e4OH- - 4eH2O - 2e2H2O - 4e- Khối lượng O2 (g) thu anot: mO2 = Khối lượng O (g) thu anot: mO = Số mol O2 thu anot: n' O2 = Số mol O thu anot: n' O = - O2 O2 O2 + H2O O2 + 2H2O O2 + 2H+ O2 + 4H+ 32 × × It 96500 16 × × It 96500 1 × × It 96500 1 × × It 96500 Với q trình khử tạo khí hiđro catot: 2H+ + 2e2H2O + 2e- http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái H2 H2 + 2OH- Giáo khoa hóa vô Khối lượng H2 (gam) thu catot: m H = Khối lượng H (gam) thu catot: m H = Số mol H2 thu catot: n' H = Số mol H thu catot: n' H = Biên soạn: Võ Hồng Thái 163 × × It 96500 1 × × It 96500 1 × × It 96500 1 × × It 96500 Bài tập 69 Hòa tan hỗn hợp hai muối rắn gồm gam Fe2(SO4)3 1,56 gam Ag2SO4 vào nước để thu 500 ml dung dịch D chứa hai chất tan Điện phân 500 ml dung dịch D với điện cực trơ, cường độ dòng điện 0,5 Ampère thời gian 8’ 40’’ a Tính khối lượng kim loại thu catot b Tính thể tích khí thu anot (đktc) c Tính nồng độ mol chất tan dung dịch sau điện phân Coi thể tích dung dịch sau điện phân 500 ml d Nếu điện phân 500 ml D với điện cực đồng vừa hết ion Ag+ khối lượng điện cực tăng hay giảm gam? Cho biết anot đồng có q trình: Cu - 2eCu2+ Hiệu suất điện phân 100% (Fe = 56; S = 32; O = 16; Ag = 108; Cu = 64) ĐS: a 1,08g Ag; 0,56g Fe b 0,224 lít O2 c Fe2(SO4)3 0,01M; H2SO4 0,04M d Catot tăng 1,08g; Anot giảm 0,32g Bài tập 69’ Lấy 1,6 gam CuSO4 gam Fe2(SO4)3 hịa tan vào nước để thu lít dung dịch D Đem điện phân lượng dung dịch D thời gian 13 phút, cường độ dòng điện 0,5 A, điện cực trơ a Tính khối lượng kim loại bám vào catot b Tính thể tích khí thu anot điều kiện tiêu chuẩn c Tính nồng độ mol chất tan thu dung dịch sau điện phân Coi thể tích dung dịch khơng đổi q trình điện phân d Nếu đem điện phân lít dung dịch D với điện cực sắt dung dịch vừa hết Cu2+ khối lượng điện cực tăng hay giảm gam? Cho Fe2+ biết trình oxi hóa anot là: Fe - 2eQ trình điện phân có hiệu suất 100% (Fe = 56; Cu = 64; S = 32; O = 16; H = 1) ĐS: a 0,64g Cu; 0,56g Fe b 0,336 lít O2 c FeSO4 0,01M; H2SO4 0,03M d Catot tăng 0,64g; Anot giảm 1,12g http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 164 Biên soạn: Võ Hồng Thái Bài tập 70 Tiến hành điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) dung dịch chứa m gam hỗn hợp CuSO4 NaCl H2O bắt đầu bị điện phân hai điện cực dừng lại Ở anot thu 6,72 lít khí (đktc) Dung dịch sau điện phân hịa tan tối đa 20,4 gam Al2O3 - Tính m - Tính độ tăng khối lượng catot - Tính độ giảm khối lượng dung dịch sau điện phân Coi nước bay không đáng kể (Na = 23; Al = 27; O = 16; S = 32; Cl = 35,5; Cu = 64) ĐS: m = 51,1g; Catot tăng 6,4g; Dung dịch giảm 28,1g Bài tập 70’ (Bộ đề TSĐH mơn hóa) Tiến hành điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp) dung dịch chứa m gam hỗn hợp gồm CuSO4 NaCl nước bắt đầu bị điện phân hai điện cực ngừng Ở anot thu 0,448 lít khí (đktc) Dung dịch sau điện phân hịa tan tối đa 0,68 gam Al2O3 - Tính m - Tính độ tăng khối lượng catot sau điện phân - Tính độ giảm khối lượng dung dịch sau điện phân Coi nước bay không đáng kể trình điện phân (Na = 23; Al = 27; O = 16; S = 32; Cl = 35,5; Cu = 64) ĐS: m = 4,473g; Catot tăng 0,853g; Dung dịch giảm 2,286g m = 5,97g; Catot tăng 1,92g; Dung dịch giảm 2,95g Bài tập 71 (Bộ đề TSĐH mơn Hóa, đề 2) Hịa tan 150 gam tinh thể CuSO4.5H2O vào 600 ml dung dịch HCl 0,6 mol/l ta thu dung dịch A (gồm hai chất tan CuSO4 HCl, coi khơng có phản ứng CuSO4 với HCl để tạo Cu(HSO4)2) Chia dung dịch A thành ba phần nhau: Tiến hành điện phân phần với dòng điện cường độ 1,34 ampe vịng Tính khối lượng kim loại catot thể tích khí (ở đktc) anot, biết hiệu suất điện phân 100% Cho 5,4 gam nhôm kim loại vào phần Sau thời gian ta thu 1,344 lít khí (ở đktc), dung dịch B chất rắn C Cho dung dịch B tác dụng với xút dư lấy kết tủa nung nhiệt độ cao khối lượng khơng đổi thu gam chất rắn Tính khối lượng chất rắn C Cho 13,7 gam bari kim loại vào phần thứ Sau kết thúc tất phản ứng, lọc lấy kết tủa, rửa đem nung nhiệt độ cao khối lượng khơng đổi thu gam chất rắn? Biết tác dụng với bazơ, Cu2+ tạo thành Cu(OH)2 (H = 1; O = 16; Al = 27; S = 32; Cu = 64; Ba = 137) ĐS: 6,4g Cu; 1,344 lít Cl2; 0,448 lít O2 11,22g (Cu, Al) 26,5g (BaSO4, CuO) Bài tập 72 (Bộ đề TSĐH mơn hóa, đề 5) http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 165 Biên soạn: Võ Hồng Thái Hịa tan 10,65 gam hỗn hợp A gồm oxit kim loại kiềm oxit kim loại kiềm thổ dung dịch HCl ta thu dung dịch B Cô cạn dung dịch B điện phân nóng chảy hồn tồn hỗn hợp muối thu anot 3,696 lít khí C (ở 27,30C 1atm) hỗn hợp kim loại D catot Tính khối lượng D Lấy m gam D cho tác dụng hết với nước ta thu dung dịch E V lít khí (ở đktc) Cho từ từ Al vào dung dịch E ngừng khí, thấy hết p gam Al có V1 lít khí (đktc) a So sánh V1 V b Tính p theo m Nếu lấy lượng hỗn hợp kim loại D (ở câu 1) luyện thêm 1,37 gam Ba thu hợp kim Ba chiếm 23,077% số mol Hỏi hỗn hợp đầu oxit kim loại kiềm, kiềm thổ nào? (O = 16; Li = 7; Na = 23; K = 39; Rb = 85,5; Al = 27; Ca = 40; Sr = 87,6; Ba = 137) 27m ĐS: 8,25g V1 = 3V; p = Li2O; BaO 27,5 Bài tập 73 (Bộ đề TSĐH mơn hố) Nêu khác trình cho - nhận electron phản ứng điện phân phản ứng oxi hóa khử? Viết phương trình phản ứng điện phân xảy điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) dung dịch chứa a mol CuSO4 b mol NaCl ba trường hợp: b = 2a; b < 2a b > 2a Bài tập 74 (Bộ đề TSĐH môn hóa, đề 24) Điện phân nóng chảy hồn tồn a gam muối A tạo kim loại M halogen X ta thu 0,96 gam kim loại M catot 0,896 lít khí (ở đktc) anot Mặt khác hòa tan a gam muối A vào nước, sau cho tác dụng với AgNO3 dư thu 11,48 gam kết tủa Hỏi X halogen nào? Trộn 0,96 gam kim loại M với 2,242 gam kim loại M’ có hóa trị nhất, đốt hết hỗn hợp oxi thu 4,162 gam hỗn hợp hai oxit Để hịa tan hồn toàn hỗn hợp oxit cần 500 ml dung dịch H2SO4 nồng độ c mol/l a Tính % số mol oxit hỗn hợp chúng b Tính tỉ lệ khối lượng nguyên tử M M’ c Tính c (nồng độ dung dịch H2SO4) (F = 19; Cl = 35,5; Br = 80; I = 127; Ag = 108; O = 16) ĐS: Cl a 66,67% oxit M; 33,33% oxit M’ b M : M’ = 12 : 56,05 c 0,12 mol/l Bài tập 75 (Bộ đề TSĐH mơn hóa) Viết phương trình phản ứng xảy điện phân dung dịch hỗn hợp gồm HCl, CuCl2, NaCl với điện cực trơ, có màng ngăn Bài tập 76 (Bộ đề TSĐH mơn hóa, đề 35) Hịa tan 1,12 gam hỗn hợp Ag Cu 19,6 gam dung dịch H2SO4 đặc, nóng (dung dịch A) thu SO2 dung dịch B Cho SO2 thoát hấp thụ hết vào nước Br2, sau http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 166 Biên soạn: Võ Hồng Thái thêm Ba(NO3)2 dư thu 1,864 gam kết tủa Cơ cạn dung dịch B, lấy muối khan hòa tan thành 500 ml dung dịch, sau điện phân 100 ml thời gian phút 43 giây với điện cực trơ cường độ dịng điện I = 0,5A Tính khối lượng Ag Cu hỗn hợp đầu a Tính nồng độ % axit H2SO4 A, biết có 10% H2SO4 phản ứng với Ag Cu b Nếu lấy dung dịch A pha lỗng để có pH = thể tích dung dịch sau pha loãng bao nhiêu? (Coi axit H2SO4 điện li hoàn toàn tạo 2H+, SO42- dung dịch) a Tính khối lượng kim loại thoát catot b Nếu điện phân với anot Cu dung dịch khơng cịn ion Ag+ khối lượng catot tăng gam khối lượng anot giảm gam? Biết anot xảy trình: Cu - 2eCu2+ (Cu = 64; Ag = 108; Ba = 137; O = 16; S = 32) ĐS: 0,864g Ag; 0,0256g Cu a H2SO4 80% b 16 lít a 0,1728g Ag; 0,256g Cu b Catot tăng 0,1728g; Anot giảm 0,0512g Bài tập 77 (Bộ đề TSĐH mơn hóa) a Hãy nêu chất trình điện phân b Những trình xảy bề mặt điện cực platin điện phân dung dịch AgNO3? Viết sơ đồ điện phân phương trình dạng tổng quát c Nếu mơi trường dung dịch sau điện phân có pH = 3, hiệu suất điện phân 80% (so với lượng AgNO3 lúc đầu), thể tích dung dịch coi khơng đổi (1 lít) nồng độ chất dung dịch sau điện phân bao nhiêu? Khối lượng AgNO3 dung dịch ban đầu bao nhiêu? (Ag = 108; N = 14; O = 16) ĐS: HNO3 0,001M; AgNO3 0,00025M; 0,2125g AgNO3 Bài tập 78 (Bộ đề TSĐH mơn hóa) Điện phân nóng chảy muối AX (A kim loại kiềm, X Cl, Br I) ta thu chất rắn A khí B Cho A tác dụng với nước dung dịch A’ khí B’ Cho B’ tác dụng với B khí D Cho D tác dụng với A’ dung dịch E Cho q tím vào dung dịch E Viết phương trình phản ứng xảy giải thích q tím có màu gì? Các q trình điện phân phản ứng xảy với hiệu suất 100% Bài tập 79 (Bộ đề TSĐH mơn hóa, đề 61) Cho 9,16 gam bột A gồm Zn, Fe, Cu vào cốc đựng 170 ml dung dịch CuSO4 1M Sau phản ứng hoàn toàn, thu dung dịch B kết tủa C’ Nung C’ khơng khí nhiệt độ cao đến khối lượng khơng đổi, 12 gam chất rắn Chia B thành hai phần nhau: - Thêm dung dịch NaOH dư vào phần 1, lọc kết tủa, rửa, nung khơng khí đến khối lượng không đổi, thu 5,2 gam chất rắn D http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 167 Biên soạn: Võ Hồng Thái - Điện phân phần với điện cực trơ 10 phút với dịng điện cường độ 10 ampe a Tính khối lượng chất thoát bề mặt điện cực b Tính thể tích dung dịch HNO3 5M để hòa tan hết hỗn hợp A, biết phản ứng tạo khí NO Các phản ứng xảy hoàn toàn (Zn = 65; Cu = 64; Fe = 56; O = 16) ĐS: 1,9896g Cu; 0,4974g O2; 96 ml dd HNO3 5M CÂU HỎI ÔN PHẦN ĐIỆN PHÂN Điện phân gì? Sự điện phân khác với điện ly nào? Cho thí dụ cụ thể để minh họa So sánh giống khác q trình oxi hóa, q trình khử phản ứng oxi hóa điện phân Cho thí dụ minh họa Tại điện phân nước cần dung dịch axit, dung dịch bazơ dung dịch muối (như dung dịch H2SO4; dung dịch NaOH; dung dịch KNO3)? Viết trình xảy điện cực điện phân dung dịch (dùng điện cực trơ) Trình bày điện phân dung dịch sau (điện cực không tan, có vách ngăn): KCl; KOH; CuCl2; FeSO4; HCl; Mg(NO3)2; AgNO3; NaBr; NiSO4; ZnCl2 Sự điện phân dung dịch với điện phân nóng chảy, điện phân tốn hơn? Tại sao? Sự điện phân nóng chảy thường dùng để làm gì? Trình bày điện phân nóng chảy chất sau đây: KCl; KOH; Al2O3 Trong điện phân Al2O3 nóng chảy nhằm thu kim loại nhôm (Al) catot, người dùng thêm chất criolit (Na3AlF4, AlF3.3NaF) để làm gì? Phát biểu định luật Faraday Viết biểu thức định luật Faraday nêu ý nghĩa đại lượng biểu thức Theo dõi định phân dung dịch hỗn hợp gồm HCl NaCl, dùng điện cực trơ, có vách ngăn pH dung dịch thay đổi trình điện phân dung dịch hỗn hợp trên? Tại điện phân mà dùng điện cực anot tan, anot có q trình oxi hóa điện cực mà khơng có q trình oxi hóa khác? Cho thí dụ minh hoạ 10 Tại điện phân dung dịch NaCl; dung dịch K2SO4; dung dịch CaCl2; dung dịch Mg(NO3)2 catot có q trình nước bị khử mà khơng có trình khử khác? http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái Giáo khoa hóa vô 168 Biên soạn: Võ Hồng Thái 11 Tại có nước bị khử catot hay nước bị oxi hóa anot khơng có q trình khác điện phân dung dịch? 12 Cho vài giọt dung dịch chất thị màu phenolptalein vào dung dịch KI đem điện phân dung dịch điện cực than chì (carbon graphit), ta thấy có sủi bọt khí điện cực, vùng dung dịch quanh điện cực có màu tím hồng, cịn vùng dung dịch quanh điện cực cịn lại thấy có màu vàng Hãy giải thích tượng Cho biết phenolptalein khơng có màu mơi trường axit trung tính, có màu tím hồng môi trường kiềm http://vietsciences.free.fr http://vietsciences.org Võ Hồng Thái ... HNO3 5M CÂU HỎI ÔN PHẦN ĐIỆN PHÂN Điện phân gì? Sự điện phân khác với điện ly nào? Cho thí dụ cụ thể để minh họa So sánh giống khác q trình oxi hóa, q trình khử phản ứng oxi hóa điện phân Cho thí... (Anot) Trường hợp 2: CuSO4 điện phân hết trước NaCl chưa điện phân hết Khi điện phân vừa hết CuSO4, thu dung dịch gồm: NaCl dư; Na2SO4; H2O Nếu tiếp tục điện phân, tức điện phân dung dịch NaCl dư... anot III SỰ ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI Khi điện phân dung dịch chất điện li tùy trường hợp, dung mơi nước dung dịch tham gia điện phân catot hay anot Nếu nước tham gia điện phân thì: - Ở catot: