CHUYÊN đề điện hóa học (3)

CHUYÊN ĐỀ THAM DỰ TRẠI HÈ HÙNG VƯƠNG NĂM 2015 ĐIỆN HÓA HỌC MÃ: H12 Phần thứ MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nội dung kiến thức điện hóa học trình bày chương VI “Phản ứng oxi hóa - khử” chương trình hóa học lớp 10 chuyên chương 14 "Đại cương kim loại" chương trình hóa học lớp 12 chuyên Những kiến thức đủ để học sinh làm tập điện hóa học sách giáo khoa, sách tập chương trình phổ thông Tuy nhiên để học sinh làm đề thi học sinh giỏi, đặc biệt thi học sinh giỏi quốc gia chưa đủ Vì vậy, để giúp em có đủ kiến thức cần thiết để giải đề thi học sinh giỏi, chọn đề tài MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: Trong đề tài giới hạn số vấn đề quan trọng điện hóa học Đó số vấn đề lí thuyết số tập chủ yếu dùng cho việc ôn luyện học sinh giỏi NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI: Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài tóm tắt số kiến thức chung điện hóa học; thống kê, phân loại dạng tập vấn đề Điện hóa chương trình chuyên sâu đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế; xây dựng hệ thống tập phục vụ cho ôn tập chuyên đề NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI: Nội dung đề tài gồm chương: - Chương I: Những vấn đề lý thuyết điện cực pin điện Pin điện (nguyên tố ganvani) Cung cấp cho học sinh số kiến thức pin điện để em tiếp thu dễ dàng kiến thức trình ôn luyện - Chương II: Một số dạng tập Điện hóa thường gặp Chương đưa số tập điển hình, phương pháp giải Phần thứ hai NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ Chương I NHỮNG VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ THẾ ĐIỆN CỰC VÀ PIN ĐIỆN I.1 Một số khái niệm pin điện I.1.1 Định nghĩa Pin điện hệ điện hóa cho phép ta biến đổi phần lượng phản ứng hóa học thành điện I.1.2 Nguyên tắc biến đổi hóa thành điện Trong phản ứng oxi hóa - khử thông thường e chuyển trực tiếp từ chất khử sang chất oxi hóa lượng phản ứng hóa học biến thành nhiệt Ví dụ: Nhúng Zn vào dung dịch CuSO4, ion Cu2+ đến trực tiếp Zn để nhận e lượng phản ứng phát dạng nhiệt Bằng cách ta thực oxi hóa Zn nơi khử ion Cu 2+ nơi khác, cho e chuyển từ Zn sang ion Cu2+ qua dây dẫn, nghĩa cho e chuyển động theo dòng định lượng phản ứng biến thành điện Vậy, muốn biến hóa thành điện ta phải thực oxi hóa khử nơi khác cho e chuyển từ chất khử sang chất oxi hóa qua dây dẫn Ví dụ: Pin Zn - Cu I.1.3 Cấu tạo pin điện Pin điện gồm hai điện cực nhúng vào hai dung dịch chất điện phân, nghĩa gồm hai điện cực Ví dụ: Pin Jacobi - Daniel gồm hai điện cực, điện cực gồm Zn nhúng vào dung dịch ZnSO4, điện cực thứ hai gồm Cu nhúng vào dung dịch CuSO4 nồng độ Nối hai điện cực với dây dẫn có dòng điện (-) Zn → Zn2+ + 2e (+) Cu2+ + 2e → Cu Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu (-) Zn│ZnSO4││CuSO4│Cu (+) I.1.4 Pin nhiệt động Ví dụ: Pin Jacobi – Daniel pin tự làm việc, xảy trình Nếu mắc xung đối pin với nguồn điện bên có sức điện động lớn sức điện động pin lượng vô nhỏ, nghĩa ta làm thay đổi chiều dòng điện pin lúc pin trở thành bình điện phân bị làm việc, lúc trình xảy sau: (-) Zn2+ + 2e ⇌ Zn (+) Cu ⇌ Cu2+ + 2e Zn2+ + Cu → Zn + Cu2+ (2) So sánh (1) (2) ta thấy, hai trình ứng với pin làm việc bị làm việc ngược chiều giống chất hóa học, pin gọi pin thuận nghịch nhiệt động I.2 Những qui ước quốc tế pin điện I.2.1 Qui ước sức điện động pin (E) I.2.1.1 Định nghĩa Sức điện động pin hiệu điện lớn hai điện cực Epin = E(phải) - E(trái) = E(+) - E(-) Hiệu điện lớn hiệu điện ứng với lúc pin làm việc thuận nghịch nhiệt động không làm việc I.2.1.2 Qui ước dấu sức điện động Sức điện động pin qui ước dương (E > 0) Khi pin tự làm việc thì điện tích dương từ trái qua phải, trùng với e mạch I.2.2 Sơ đồ pin - Điện cực anot (-) bên trái , điện cực catot (+) bên phải - Ranh giới tiếp xúc hai điện cực dung dịch kí hiệu vạch thẳng đứng Nếu điện cực gồm dung dịch nhiều chất chất có dấu phẩy - Ranh giới tiếp xúc hai dung dịch kí hiệu hai vạch thẳng đứng bỏ qua khuyếch tán vạch rời không bỏ qua khuếch tán [6] Ví dụ: Zn ∣ ZnSO4 ∥ CuSO4 ∣ Cu H2(Pt), pH  1atm ∣H+ 1M││Fe3+ 1M, Fe2+ 1M ∣Pt Cu│CuSO4 (a1) CuSO4 (a2)│Cu I.2.3 Cách viết phản ứng pin Ở cực anot (-) bên trái xảy trình oxi hóa, nhường e, cực catot (+) bên phải xảy trình khử, thu e (mặc dù thực tế phản ứng pin xảy theo chiều ngược lại) Sau viết phản ứng theo qui ước, ta xét, phản ứng tự diễn biến, kết luận E > 0, sơ đồ pin Nếu phản ứng thực tế xảy theo chiều ngược lại kết luận E < sơ đồ pin xếp theo chiều ngược lại Hoặc tính sức điện động pin theo sơ đồ cho, E > kết luận sơ đồ pin đúng, phản ứng tự diễn biến Ngược lại, E < sơ đồ xếp theo chiều ngược lại [1] Ví dụ: Thiết lập sơ đồ nguyên tố ganvani dựa phản ứng: Ce4+ + Fe2+ → Ce3+ + Fe3+ Pt ∣ FeSO4, Fe2(SO4)3 ‖ Ce2(SO4)3, Ce(SO4)2 ∣ Pt I.3 Thế điện cực I.3.1 Định nghĩa Thế điện cực cân điện cực sức điện động pin hợp điện cực bên phải điện cực hiđro tiêu chuẩn bên trái (có chuẩn quy ước không) Dấu điện cực trùng với sức điện động pin I.3.2 Cách xác định giá trị dấu điện cực Nguyên tắc: Muốn xác định điện cực điện cực ta thiết lập pin gồm điện cực bên phải điện cực tiêu chuẩn bên trái Điện cực tiêu chuẩn hidro đóng vai tro anot điện cực nghiên cứu đóng vai trò catot Giá trị sức điện động đo điện cực điện cực Dấu sức điện động pin dấu điện cực cần xác định Như nói đến điện cực cặp oxi hóa - khử nói đến khử tương ứng với trình khử: Ox + ne ⇌ Kh Trong trường hợp hoạt độ phần tử cặp oxi hóa –khử nghiên cứu đơn vị , nghĩa điều kiện chuẩn, sức điện động đo pin sức điện động đo pin sức điện động tiêu chuẩn E0 điện cực đo điện cực tiêu chuẩn EOx / Kh [3] Ta tính Eopin mà đo Eo điện cực 0 Vì để đánh giá EOx / Kh phải qui ước E2 H  / H  0,00V I.3.3 Ý nghĩa điện cực [4] Ta thấy điện cực so với điện cực hidro tiêu chuẩn, so sánh Eo cặp oxi hóa – khử để kết luận khả phản ứng 0 chất oxi hóa- khử Khi Eo > có nghĩa EOx / Kh > E2 H  / H  0,00V : ion H+ oxi hóa dạng Ox H2 khử mạnh dạng khử Vì điện cực có ý nghĩa là: +) Nếu so sánh hai cặp oxi hóa- khử cặp có Eo lớn dạng oxi hóa mạnh , dạng khử yếu ngược lại +) Xác định chiều hướng phản ứng oxi hóa –khử : Phản ứng xảy dạng oxi hóa mạnh dạng khử mạnh để tạo dạng oxi hóa dạng khử yếu ( Qui tắc  ) I.3.4 Phương trình Nernst điện cực Thế điện cực E cặp phụ thuộc vào hoạt độ chất phản ứng theoo phương trình Nersnt Trong trường hợp đơn giản phản ứng  Oxh + ne ⇌  Kh Để đơn giản ta coi thừa số hệ số hoạt độ đơn vị ta có biểu thức: E = E o ox / kh + RT [ox] ln nF [kh] Thay R = 8,314 J.mol-1.K-1 ; T = toC + 273; F =96500(C) chuyển ln =2,303lg ta phương trình tính E 25oC: E= E o ox / kh 0,0592 [ox] + lg n [kh] I.4 Phân loại điện cực Căn vào chất hóa học dạng oxi hóa - khử chất tham gia phản ứng điện cực, người ta chia điện cực thành loại khác I.4.1 Điện cực loại Cấu tạo: Là hệ gồm kim loại phi kim nhúng vào dung dịch chứa ion kim loại phi kim I.4.1.1 Điện cực loại kim loại Gọi kim loại M, ion Mn+, kí hiệu: Mn+/M Phản ứng điện cực: Mn+ + ne ⇌ M Phương trình Nerst: EM n /M  E0M n  /M RT ln[M n ] nF I.4.1.2 Điện cực loại phi kim: Clo, oxi Cấu tạo: Gồm Pt phủ đầy khí phi kim nhúng vào dung dịch chứa ion phi kim Gọi điện cực A2, ion An-, kí hiệu: A2/2AnPhản ứng điện cực: A2 + 2ne ⇌ 2AnVD: Điện cực clo: Cl2/ ClPhản ứng điện cực: Cl2 + 2e ⇌2ClPhương trình Nerst: E2Cl  / Cl  E02Cl  / Cl  P RT ln Cl nF [Cl ] I.4.2 Điện cực loại Cấu tạo: Gồm kim loại bao phủ hợp chất khó tan (muối khó tan oxit, hiđroxit) kim loại nhúng vào dung dịch chứa anion hợp chất khó tan Kim loại M, hợp chất khó tan MA, anion AnĐiện cực: MA, An-/M Phản ứng điện cực: MA + ne ⇌M + AnPhương trình Nerst: EA n / MA ,M  E0A n / MA ,M  RT ln n nF [A ] Thế điện cực loại phụ thuộc vào anion hợp chất khó tan, đặc điểm điện cực loại ổn định, dễ lặp lại dùng làm điện cực so sánh Hai điện cực điển hình Calomen bạc I.4.2.1 Điện cực Calomen Cấu tạo: Hg phủ Hg2Cl2 nhúng vào dung dịch chứa Cl- Kí hiệu: Hg2Cl2, Cl- / Hg Phản ứng điện cực: Hg2Cl2 + 2e ⇌ 2Hg + 2ClPhương trình Nerst: ECl  / Hg2Cl  E0Cl ,Hg  / Hg2Cl  ,Hg RT ln n 2F [A ] I.4.2.2 Điện cực bạc Cấu tạo: Gồm Ag phủ AgCl nhúng vào dung dịch chứa ClKí hiệu: AgCl, Cl-/ Ag Phản ứng điện cực: AgCl + e ⇌ Ag + ClPhương trình Nerst: ECl  / AgCl ,Ag  E0Cl  / AgCl ,Ag  RT ln n 1F [A ] I.4.3 Điện cực oxi hóa - khử Khác với hai loại điện cực (trong dạng oxi hóa dạng khử nằm hai pha khác nhau, cực dung dịch), điện cực oxi hóa khử hệ hai dạng oxi hóa - khử tồn dung dịch kim loại Pt nhúng vào dung dịch đóng vai trò chất dẫn chuyển e Điện cực: Oxh, Kh ∣ Pt I.4.4 Điện cực khí Là hệ điện hoá gồm điện cực trơ (Pt) tiếp xúc đồng thời với khí dung dịch chất điện li I.4.4.1 Điện cực khí hiđro Viết điện cực, nửa phản ứng biểu thức liên quan tới khử điện cực hiđro với axit mạnh aixt yếu HA có số cân Ka + Axit mạnh (H+): Pt, H2(x atm)│H+(C) Nửa phản ứng: 2H+ + 2e ⇌ H2 0,0592 [ H  ] => E2H /H2 = E 2H /H2 + lg PH 2 o + + = - 0,0592pH = - 0,0592pH - 0,0592 lgPH2 0,0592 lgPH2 Nếu PH2 = atm; => E2H+/H2 = - 0,0592pH + Nếu axit yếu: HA ⇌ H+ + A=> E2HA/H2 = Eo2H+/H2 + Ka 0,0592 [ H  ] lg PH 2 = 0,0592lg[H+] (*) Với PH2=1 atm → [H+] = (Ka.[HA])1/2 ≃ (Ka.CHA)1/2 Khi biết CHA ,đo E2HA/H2 2 tính Ka I.4.4.2 Điện cực khí clo Ví dụ: Viết điện cực, nửa phản ứng biểu thức liên quan tới khử điện cực clo Hướng dẫn Điện cực Pt, Cl2( x atm)│Cl- (C) Nửa phản ứng: Cl2 + 2e ⇌ 2Cl9 => ECl2/2Cl- = EoCl2/2Cl- + 0,0592 lgPCl2/(CCl-)2 Khi x = ; => ECl2/2Cl- = EoCl2/2Cl- - 0,0592lgCClI.4.4.3 Điện cực khí oxi Ví dụ: Viết điện cực, nửa phản ứng biểu thức liên quan tới khử điện cực oxi Hướng dẫn + Với điện cực: Pt, O2( P), H2O │4OH- (C) Nửa phản ứng: O2 + 4e + 2H2O ⇌ 4OHE(O2,H2O)/OH- = Eo(O2,H2O)/OH- + (0,0592/4)lg(PO2/[OH-]4 Nếu PO2= x =1 atm, E(O2,H2O)/OH- = Eo(O2,H2O)/OH- - 0,0592lg[OH-] = Eo(O2,H2O)/OH- + 0,0592pOH = Eo(O2,H2O)/OH- + 0,0592(14 - pH) + Với điện cực: Pt, O2(P), H+(C) │2H2O Nửa phản ứng: O2 + 4e + 4H+ ⇌ 2H2O => E(O ,H  ) / H 2O = E o (O , H  ) / H 2O + Nếu PO2= x = 1atm; => E(O ,H  0,0592 lgPO2.[H+]4 ) / H 2O = E o (O , H  = E o (O , H  2 = E o (O , H (Từ E o (O ,H O ) / OH E o (O ,H  2  ) / H 2O ) / H 2O ) / H 2O  ) / H 2O + 0,0592lg[H+] - 0,0592pH - 0,0592(14 - pOH) thông qua tổ hợp cân H2O) I.5 Các loại pin điện [5] Theo quan điểm điện hóa học người ta phân loại pin điện dựa vào điện cực khác cách tổ hợp điện cực, có loại I.5.1 Pin hóa học I.5.1.1 Cấu tạo Gồm loại điện cực khác chất hóa học nhúng vào dung dịch chất điện phân hai chất điện phân khác 10 Cl2 + 2e = 2ClVậy ứng với phản ứng tổng quát cho nguyên tố Ganvani với sơ đồ: Zn ZnCl Cl Pt  Hoặc Zn ZnSO4 KCl Cl2 Pt  c) Trong phản ứng tổng quát có mặt H2, ta nghĩ điện cực phải điện cực hiđro: (Pt)H2  dung dịch điện phân Vì điện cực hiđro phụ thuộc vào hoạt độ ion H+ nên phải có phân li H2O phản ứng tổng quát xảy pin diễn sau: HgO + H2 + H2O = Hg + 2H+ + 2OHLấy phản ứng trừ phản ứng xảy điện cực Hiđro (anôt) H2 – 2e = 2H+, ta HgO + H2 + H2O = Hg + 2H+ + 2OH2H+ = H2 – 2e HgO + H2O + 2e = Hg + 2OHĐây phản ứng catôt nguyên tố phải thiết lập Catôt điện cực loại thuỷ ngân – oxi thuỷ ngân tiếp xúc với dung dịch điện phân Vậy sơ đồ nguyên tố Ganvani phải tìm là: (Pt) H2 dung dịch điện phân HgO, Hg Dung dịch điện phân thích hợp dung dịch KOH Ví dụ Cho phản ứng tổng quát xảy nguyên tố: Ag NH 2  ⇌2NH3 + Ag+ Hãy thiết lập nguyên tố điện hoá tính số không bền phức Ag NH 2  biết nửa nguyên tố 250 C: 0 = 0,7996V Ag+ + e = Ag Ag NH 2  0 = 0,373V + e = Ag + 2NH3 Bài giải Phản ứng anôt: Ag – e = Ag+ Phản ứng catoot: Ag NH 2  18 + e = Ag + 2NH3 Ag NH 2  Phản ứng tổng quát: + e = Ag+ + 2NH3 Ag AgNO3 Ag NH 2  Ag  lgKk.b = E0 0,373  0,7996   7,22 0,059 0,059 Kk.b = 6.10-8 III Tính điện cực Ví dụ Tính điện cực hiđro áp suất khí H2 1atm platin dùng làm điện cực nhúng vào dung dịch: a) Trung tính b) kiềm có pH = 13 Bài giải Xét cặp oxi hoá khử:  H aq e ⇌ H2 Trong môi trường axit: H     0,059 lg  aq 1/ H2 P a/ Trong môi trường trung tính pH = 7:  = 0,059lg 10-7= - 0,413V b/ Trong môi trường kiềm pH = 13:  KhiPH  1   0,059H aq = - 0,09pH = - 0,059 13 = - 0,767 IV Tính sức điện động pin Ví dụ Một pin điện tạo từ điện cực Một điện cực gồm Cu nhúng dung dịch CuSO4 0,5M Điện cực thứ hai dây Pt nhúng vào 19 dung dịch Fe2+, Fe3+ với lượng cho [Fe3+] = [Fe2+] Dùng dây dẫn điện trở R nối đầu Cu Pt Cho biết dấu cực pin Viết phản ứng điện cực Tính sức điện động pin Biết thể tích dung dịch CuSO4 lớn, tìm tỷ số [ Fe 3 ] [ Fe 2 ] pin ngừng hoạt động Cho chuẩn (V) cặp oxi hoá khử: Cu2+/Cu = 0,34 Fe3+/ Fe2+ = 0,77 Bài giải Xét cặp oxi hoá khử Cu2+/Cu:  0,059 lg Cu 2 Cu2+ + 2e = Cu 1  0,34  Lúc đầu 1  0,34  0,059 lg 0,5  0,331V  Đối với cặp Fe3+/ Fe2+: Fe 3+ 2+ + e = Fe [ Fe 3 ]   0,77  0,059 lg [ Fe 2 ] Lúc đầu 2 = 0,77 + 0,059lg2 = 0,788V So sánh trị số 1 với 2, thấy 2 > 1 Như đầu (+) cực Pt đầu (-) cực Cu Khi đoản mạch đầu Cu-Pt electron chuyển từ Cu sang Pt mạch Ở điện cực Cu có phản ứng oxi hoá: Cu – 2e = Cu2+ Fe3+ + e = Fe2+ Ở điện cực Pt có phản ứng khử: Phản ứng tổng quát pin là: Cu + 2Fe3+ = Cu2+ + 2Fe2+ Khi pin ngừng hoạt động sức điện động E = 2 - 1= Do thể tích dung dịch CuSO4 lớn nên xem nồng độ Cu2+ thực tế không đổi 0,5M; đó: 20 0,77  0,059 lg [ Fe 3 ]  1  0,331V [ Fe 2 ] Từ tìm tỷ số [Fe3+]/[Fe2+] = 4,8.10-8 Sức điện động khởi thuỷ bắt đầu nối mạch ngoài: E = 2 - 1 = 0,788 – 0,331 = 0,457V Ví dụ Cho pin điện với sơ đồ: Pt H  p  1 HCl a  0,15 Hg 2Cl2 , Hg 250C  Cl0  / Hg2Cl2 , Hg  0,2681 Hãy tính sức điện động E Bài giải Viết phản ứng nửa nguyên tố Tại anôt: H2 – 2e = 2H+ Tại catôt: Hg2Cl2 + 2e = 2Hg + 2Cl- Tổng quát: H2 +Hg2Cl2 = 2Hg + 2H+ + 2ClE  E0  0,059 lg a H2  aCl2   E  0,059 lg a H  aCl   E  0,059 lg a2 HCl  E  0,2681  0,118 lg 0,15  0,3653V Ví dụ Muối tự khuếch tán dung dịch đặc sang dung dịch loãng tiếp xúc Quá trình tự khuếch tán trình giải phóng lượng Ta tạo tế bào điện hoá (pin) sinh công điện nhờ trình khuếch tán ion Cu2+ từ dung dịch CuSO4 1M sang dung dịch CuSO4 0,1M a) Viết nửa phản ứng catot, anot công thức tế bào điện hoá b) Tính sức điện động 250C tế bào điện hoá Bài giải Cu – 2e  Cu2+ a) Nửa phản ứng oxi hoá anot: Nửa phản ứng khử catot : 21 Cu2+ + 2e  Cu Công thức tế bào điện hoá: (anot) Cu dd CuSO4 0,1Mdd CuSO4 1,0M Cu (catot) b) Tính sức điện động: Đây tế bào nồng độ E(tb) = Ecatôt – E anôt; E(tb) = 0,0591 [Cu 2 ]catot 0,0591 1,0M lg ; E(tb) = lg  0,3V 2 [Cu ]anot 0,1M V Xác định pH dung dịch Ví dụ Sức điện động mạch gồm điện cực calomen bão hoà điện cực hiđro nhúng vào dung dịch nghiên cứu 250C có giá trị 0,562V Biết điện cực calomen bão hoà nhiệt độ 0,242V, xác định pH dung dịch nghiên cứu Bài giải Sơ đồ mạch dùng để đo pH biểu thị sau: (Pt)H2 dd đo pH Calomen Sức điện động mạch bằng: E = Cal + 0,059 pH pH = E  Cal 0,562  0,242   5,42 0,059 0,059 B BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN I Viết sơ đồ phương trình điện phân Ví dụ 1 Hãy viết sơ đồ phương trình điện phân xảy điện phân dung dịch CuSO4 với hai điện cực Platin (Pt) Sau điện phân thời gian, ngắt nguồn điện nối hai điện cực dây dẫn, có tượng xảy ra? Giải thích minh hoạ phương trình hoá học Bài giải CuSO4 = Cu2+ + SO42- Sơ đồ HOH ⇌ H+ + OHCatôt (-) Cu2+, H+ (HOH) Anôt(+) SO42-, OH- (HOH) 22 Cu2+ + 2e = Cu (1) H2O – 2e = O2  2 H  (2) Phương trình chung: Điện phân CuSO4  H 2O Cu  O2   H SO4 (3) Nếu catôt hết Cu2+ mà tiếp tục điện phân (phải có hiệu điện cao hơn) xảy tiếp: H3O+ + e = H2 + H2O (4) Còn anôt Lúc điện phân H2O có mặt H2SO4 nên xảy nhanh hơn: H 2O Điện phân (Có H2SO4) H   O2  (5) 2 Nếu dừng điện phân a xảy phản ứng (3), lúc nối cực lại, ta có pin kiểu Volta với cực (-), cực (+) Pt, dung dịch H2SO4 Pin làm việc dựa vào phản ứng hoá học: Ở cực (-): Cu – 2e = Cu2+ Ở cực (+): O2  2 H   2e  H 2O 2 pin Phương trình chung: Cu  O2  H SO4  CuSO4  H 2O (6) Phản ứng (6) dừng lại có chênh lệch điện hai cực không đủ lớn, lúc pin ngừng hoạt động Ví dụ Cho dung dịch A chứa hỗn hợp NaCl CuSO4 - Viết sơ đồ phương trình điện phân dung dịch A (có màng ngăn xốp) Bài giải Sơ đồ phương trình điện phân dung dịch A NaCl  Na+ + ClCuSO4  Cu2+ + SO42H2O ⇌ H+ + OHCatot: Cu2+; H+(H2O) Na+ Cu2+ + 2e  Cu 2H2O + 2e  2OH- + H2 23 Anot: Cl-; SO42-; OH-(H2O) 2Cl- - 2e  Cl2 H2O - 2e  1/2O2 + 2H+ Phương trình điện phân: 2NaCl + CuSO4 Cu + Na2SO4 + Cl2 đpdd Khi điện phân có CuSO4 dư CuSO4 + H2O đpdd Cu + 1/2O2 + H2SO4 đpdd mnx 2NaCl + Cl2 + H2 Khi điện phân có NaCl dư: 2NaCl + 2H2O II Tính khối lượng chất thoát điện cực Ví dụ Có 200ml dd hỗn hợp gồm CuSO4 0,25M CrCl2 0,6M Điện phân dung dịch thời gian 36 phút 30 giây với dòng điện Ampe Tính khối lượng kim loại bám vào catốt Tính thể tích khí bay lên anot Dung dịch lại có chất nào? Tính nồng độ mol/ l chất lại Giả sử thể tích dung dịch không đổi Bài giải Quá trình điện li xảy sau: CuSO4  Cu2+ + SO42CrCl2  Cr2+ + 2ClH2O ⇌ H+ + OHThứ tự catôt Cu2+ bị khử trước đến Cr2+ Cu2+ + 2e  Cu Cr2+ + 2e  (1) Cr Thứ tự anôt: 2Cl- - 2e  Cl2 (2) (3) 24 H2O – 2e  O2  H  (4) n CuSO  0,2.0,25  0,05(mol ) n CrCl  0,2.0,6  0,12(mol ) Gọi t thời gian để khử hết Cu2+ n Cu  It1 0,05.96500.2 t   1930 (giây) 96500.2 Thời gian lại để khử Cr2+ 5790 – 1930 = 3860 (giây) n Cr  It2 3860.5   0,1(mol ) 96500.2 96500.2 Tổng khối lượng kim loại bám vào catot: 0,05.64 + 0,1.52 = 8,4 (gam) Từ (1)(2)(3)(4) nCr2+ lại = 0,12 – 0,1 = 0,02 (mol) Tổng số mol e- nhận là: 0,05.2 + 0,1.2 = 0,3 (mol) Số mol e nhường Clo: 0,12.2 = 0,24 (mol) => Số mol OH- (H2O) bị oxi hoá: Số mol O2 = 0,3 – 0,24 = 0,06 (mol) 0,06 nOH    0,03(mol ) 2 Tổng thể tích khí anôt (0,03 + 0,12).22,4 = 3,36 (l) Dung dịch gồm: CrSO4 0,1M H2SO4 0,15M III Điện phân Ví dụ Xác định sức điện động phân cực điện phân dung dịch CuSO4 250C Tìm oxi điện cực Pt nhẵn phân huỷ CuSO4 1,34 V 0 oxi 1,23V Bài giải Các trình điện cực điện phân: Ở Catôt: Cu2+ + 2e  Cu 25 Ở Anôt: 2H2O - 4e  O2 + 4H+ Pin điện hình thành điện phân có sơ đồ: (Pt) O2H2SO4 + CuSO4Cu Ep = 1,23 – 0,34 = 0,89V O = 1,35 – 0,89 = 0,46V Ví dụ Để mạ đồng lên vật liệu người ta hay dùng dung dịch chứa CuSO4 H2SO4 Liệu đồng có thoát khí hiđro không; Biết oxi Pt 0,46V hiđro Cu 0,23V Bài giải Trong trường hợp có Cu thoát hình thành pin điện sau: CuCuSO4 + H2SO4O2 (Pt) Với sức điện động phân cực Ep 1,23 – 0,34 = 0,89V Vì kim loại Cu catot không đáng kể nên phân huỷ CuSO4 bằng: EPh = 0,89 + 0,46 = 1,35 V Trong trường hợp có khử ion H+ hình thành nguyên tố điện hoá phân cực sau: (Pt) H2H2SO4O2 (Pt) Với sức điện động phân cực E’p bằng: E’p = 1,23 – = 1,23V Quá xuất trường hợp này, bằng:  = 0,23 + 0,46 = 0,69 V Thế phân huỷ H2SO4 bằng: EPh = 1,2 + 0,69 = 1,92 V So sánh hai giá trị phân huỷ CuSO4 H2SO4 ta đến kết luận điện phân hiệu điện không vượt 1,6V giải phóng hoàn toàn Cu mà thoát khí hiđro 26 IV Tìm công thức phân tử Ví dụ Cho dòng điện 0,5A qua dung dịch muối axit hữu Kết sau trình điện phân catôt tạo 3,865 gam kim loại anôt có khí etan khí cacbonic thoát Cho biết muối kim loại bị điện phân? Biết 5,18 gam kim loại đẩy 1,59 gam Cu từ dung dịch đồng sunfat Cho biết muối axit hữu bị điện phân? Viết phương trình phản ứng xảy điện cực Bài giải Điện lượng Q = It = 0,5 x x 3600 = 3600 coulomb dùng để tạo 3,865g kim loại Từ định luật Faraday, đương lượng: A 3.865 x9650   103,6 n 3600 Khối lượng mol kim loại A = n.∍ Vì kim loại đẩy đồng khỏi dung dịch nên đương lượng Cu: ∍Cu = A/2 = 63,6/2 = 31,8 từ phản ứng: 2∍+ Cu2+ = Cu + ∍+ Ta có: ∍: 31,8 = 5,19 suy ∍ = 103,6 Trong phản ứng đẩy Cu, kim loại có mức oxi hoá từ đến 3, chọn khối lượng nguyên tử từ khả sau: A1 = 103,6 x = 103,6 A2 = 103,6 x = 207,2 A3 = 103,6 x = 310,8 Vì nguyên tố với A> 240 104 có tính kim loại có mức oxi hoá +1 Do kim loại phải tìm Pb (A = 207,6) Tại anoot điện phân có C2H6 CO2 thoát sản phẩm oxi hoá anion hữu cơ, muối có công thức Pb(RCOO)2 tạo êtan (CH3 - CH3) CO2 từ nhóm COO- chứng tỏ muối điện phân Pb(CH3COO)2 R R Các phản ứng xảy điện cực: Tại catôt: Pb2+ + e = Pb Tại anôt: CH3COO- - e = CH3COO 27 CH3COO = CH3 + CO2 CH3 = C2H6 Tổng quát: CH3COO- - 2e = C2H6 + CO2 Ví dụ Điện phân dung dịch muối Natri axit hữu lần axit Sản phẩm khí trình điện phân dẫn qua dung dịch Ba(OH)2 NaOH Khí thoát anôt làm đục dung dịch Ba(OH)2 Khí thu catôt sau qua dung dịch không bị biến đổi thể tích Sau kết thúc trình điện phân, thể tích khí lại Đốt cháy thu nước Riêng khí tách anôt đốt cháy nước có CO2 Khí có tỉ khối so với không khí 1,037 cacbon chiếm 80% khối lượng Bài giải Khối lượng phân tử hiđrocacbon tách anôt: M = 29.1,037 = 30 đvc Số nguyên tử cacbon có phân tử hiđrocacbon: 30.80  nguyên tử 100.12 Số nguyên tử hiđro có phân tử hiđrocacbon: 30.24  nguyên tử Công thức hiđrocacbon: C2H6 Thể tích khí thu sau tinh chế chứng tỏ mol hiđro bị oxi hoá tương ứng với mol anton axit (RCOO-) Các phản ứng xảy điện cực: Catôt: 2H2O + 2e  H2 + 2OH- Anôt: 2RCOO- - 2e  R – R + CO2 Anion axit chứa gốc -CH3, điện phân dung dịch CH3COONa Tức muối axit axetic Ví dụ 28 Hoà tan 4,5 gam tinh thể XSO4.5H2O vào nước thu dd A Điện phân dung dịch A với điện cực trở Nếu thời gian điện phân t (giây) thu kim loại catot 0,007mol khí anot Nếu thời gian điện phân 2t giây thu 0,024mol khí a Xác định XSO4.5H2O b Cho I = 1,93A Tính thời gian t Bài giải a Đặt mol XSO4.5H2O = a mol Khi điện phân dung dịch XSO4.5H2O Anot (+) Catot (-) OH-(H2O) OH+(H2O) X2+ H2O – 2e  2H+ + 1/2 O2 2H2O + 2e  2OH- + H2 t giây có 0,007 mol khí 0,02mol 0,01 mol + 2e  X 2t giây có 0,014 mol khí (0,024mol khí) X2 Vậy có H2 thoát catot: a mol 2a mol a mol 0,024 – 0,014 = 0,01 mol H2O – 2e  2H+ + 1/2 O2 0,050 0,014 mol  số mol e nhường =  số mol e nhận , nên ta có: 2a + 0,02 = 0,056 => a = 0,018 X  4,5  186  64 => CTPT tinh thể: CuSO4.5H2O 0,018 b Áp dụng công thức m = A.I t 0,007.96500.4   1400( s) 96500n 1,93 V Mạ điện Ví dụ Tiến hành mạ huân chương bạc có tiết diện 8cm2 với dung dịch điện phân AgNO3, anôt làm Ag, mật độ dòng 1A/dm2 thời gian điện phân 16 phút 29 giây, hiệu suất điện phân 80% Tính bề dày lớp mạ (theo micrromets, ), biết khối lượng riêng Ag 10,5g/cm3 Bài giải Qúa trình điện phân dung dịch AgNO3 Ag+ + 1e  Ag catôt: (Thực tế phải điện phân dung dịch, phức chất Ag+) Lượng Ag thoát (theo lý thuyết) m Ag  1,8 965 100  0,0864 / gam 1.96500 108 Lượng bạc thực tế thoát ra: m Ag  0,0864 80  0,06912 / gam 100 Vậy bề dày lớp mạ (tính theo ) 0,096.12 10 l  8,23 10,05 Ví dụ Điện phân dung dịch muối với catôt Fe có diện tích 100cm2 Xác định bề dày lớp kẽm phủ điện phân 25 phút với mật độ dòng trung bình 2,5 A/dm2 Khối lượng riêng Zn 7,15g/cm3 Bài giải Lượng kẽm phủ catôt bằng: m 7.It 65,38  2,5.10,25.60  12,7( g ) 96500 2.96500 Thể tích lớp kẽm phủ bằng: Bề dày lớp kẽm phủ: V 12,7  1,776(cm3 ) 7,15 1,776  1,776.10 3 (cm) 1000 Ví dụ Cần lít dung dịch CuSO4 0,01M có pH = để mạ điện a Tại dung dịch cần pH thấp vậy? 30 b Trong phòng thí nghiệm có muối CuSO4 5H2O, nước nguyên chất, H2SO4 98% (D = 1,89g/ml) Hãy trình bày cách chuẩn bị dd (bỏ qua chất phụ) Có vật cần mạ, đồng, dung dịch vừa chuẩn bị nguồn điện thích hợp a Hãy trình bày sơ đồ hệ thống để thực mạ điện Viết phương trình phản ứng xảy điện cực b Tính thời gian thực mạ điện biết I = 0,05 ampe; lớp mạ có diện tích 10cm2, bề dày 0,17mm, khối lượng riêng đồng 8,89g/cm3; hiệu suất điện phân đạt 80% Bài giải a Tính theo định nghĩa pH = - lg [H+] Từ pH = -> CH+ = 10-2M Vậy dung dịch có nồng độ axit lớn để tránh thuỷ phân muối CuSO4 + 2H2O ⇌ Cu (OH)2 + H2SO4 b CuSO4.5H2O ứng với 0,02 mol gam (0,02.250) H2SO4 để đảm bảo lít CuSO4 có pH = 0,55 ml 98% (d = 1,84) Cách pha: + Lấy bình có vạch chuẩn lít cho vào lít nước cất + Thêm vào bình 55nl H2SO4 98% (d=1,84) lắc + Thêm tiếp 0,5 gam CuSO4.5H2O lắc cho tan hết + Thêm tiếp nước cất cho vạch lít lắc a Cách lắp thiết bị A Anot (bản Cu) C Catot (vật cần mạ) K: Khuấy N: Nguồn điện D: Dung dịch vừa pha chế 31 Dưới tác dụng dòng điện xảy phản ứng Tại anôt: Có hoà tan Cu – 2e  Cu2+ Tại catôt: Có kết tủa Cu2+ + 2e  Cu b Thể tích lớp mạ: V = Sxl = 10.0,017 = 0,17cm3 Khối lượng Cu cần: m = 8,89.0,17 = 1,5113gam Thời gian mạ: Theo lý thuyết: Với hiệu suất = 80% t = 96500.m.n  9115,028( s) A.I 9115,028  11393,785s) 0,8 Hay phút 53,785 giây Phần thứ ba KẾT LUẬN Trên số vấn đề lý thuyết tập Điện hóa mà sưu tầm biên soạn trình bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi quốc gia áp dụng thành công số năm Đây chuyên đề khó đề thi học sinh giỏi quốc gia tài liệu nhiều thiếu sót chưa đầy đủ Mong đồng nghiệp em học sinh góp ý 32 [...]... H+││Cl- ∣ Cl2, Pt (+) I.5.1.2 Đặc điểm của pin hóa học Công điện sinh ra là do phản ứng hóa học I.5.2 Pin nồng độ Đặc điểm: Công điện sinh ra không phải do phản ứng hóa học mà do sự san bằng nồng độ và quá trình xảy ra trong pin nồng độ là theo chiều san bằng nồng độ Được chia làm hai loại: I.5.2.1 Pin nồng độ loại 1 Cấu tạo: Gồm hai điện cực có cùng bản chất hóa học nhưng khác nhau về thành phần định lượng... (Pt)H2 dd đo pH Calomen Sức điện động của mạch bằng: E = Cal + 0,059 pH pH = E  Cal 0,562  0,242   5,42 0,059 0,059 B BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN I Viết sơ đồ và phương trình điện phân Ví dụ 1 1 Hãy viết sơ đồ và phương trình điện phân xảy ra khi điện phân dung dịch CuSO4 với hai điện cực bằng Platin (Pt) 2 Sau khi điện phân được một thời gian, ngắt nguồn điện ngoài nối hai điện cực trên bằng dây dẫn,... thứ ba KẾT LUẬN Trên đây là một số vấn đề lý thuyết và bài tập về Điện hóa mà chúng tôi đã sưu tầm và biên soạn trong quá trình bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi quốc gia và đã áp dụng thành công trong một số năm Đây là một chuyên đề rất khó trong đề thi học sinh giỏi quốc gia vì vậy tài liệu này còn nhiều thiếu sót và chưa đầy đủ Mong các đồng nghiệp và các em học sinh góp ý 32 ... 0,059 13 = - 0,767 IV Tính sức điện động của pin Ví dụ 1 Một pin điện được tạo ra từ 2 điện cực Một điện cực gồm một tấm Cu nhúng trong dung dịch CuSO4 0,5M Điện cực thứ hai là một dây Pt nhúng vào 19 dung dịch Fe2+, Fe3+ với lượng sao cho [Fe3+] = 2 [Fe2+] Dùng một dây dẫn điện trở R nối 2 đầu Cu và Pt Cho biết dấu của 2 cực pin Viết các phản ứng điện cực Tính sức điện động của pin Biết rằng thể... → Điện cực nào nhúng vào dung dịch có nồng độ lớn hơn là cực âm c) Pin nồng độ loại hai với hai điện cực khí làm việc thuận nghịch với cation (-) Pt, H2 ∣ H+ (a1) ‖ H+ (a2) ∣ H2 , Pt (+) (-) H2 ⇄ 2H+ (a1) + 2e (+) 2H+ (a2) + 2e ⇄ H2 2H+ (a2) → 2H+ (a1) E  E0  RT a1 ln nF a2 → Điện cực nào nhúng vào dung dịch có nồng độ nhỏ hơn là cực âm 13 Chương II MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN HÓA HỌC A BÀI TẬP PIN ĐIỆN... tán) Cấu tạo: Gồm hai điện cực giống nhau về bản chất hóa học và vật lý được nhúng vào hai dung dịch của cùng một chất điện phân chứa anion của hai bản cực đó nhưng có nồng độ khác nhau a) Pin nồng độ loại hai với hai điện cực kim loại Ví dụ: (-) Zn ∣ ZnSO4 (a1) ∥ ZnSO4 (a2) ∣ Zn (+) (-) Zn ⇄ Zn2+ (a1) + 2e (+) Zn2+ (a2) + 2e ⇄ Zn Zn2+ (a2) → Zn2+ (a1) b) Pin nồng độ loại hai với hai điện cực khí làm việc... thể tạo ra một tế bào điện hoá (pin) sinh công điện nhờ quá trình khuếch tán ion Cu2+ từ dung dịch CuSO4 1M sang dung dịch CuSO4 0,1M a) Viết các nửa phản ứng tại catot, anot và công thức của tế bào điện hoá b) Tính sức điện động ở 250C của tế bào điện hoá Bài giải Cu – 2e  Cu2+ a) Nửa phản ứng oxi hoá ở anot: Nửa phản ứng khử ở catot : 21 Cu2+ + 2e  Cu Công thức của tế bào điện hoá: (anot) Cu dd... phản ứng xảy ra ở điện cực Ví dụ 1 Cho hai nửa phản ứng với các thế chuẩn tương ứng: Fe2+ + 2e = Fe 0 = - 0,44V Cu2+ + 2e = Cu 0 = 0,34V Hãy thiết lập sơ đồ pin điện Tính E0 và cho biết chiều của dòng điện ở mạch ngoài Bài giải Khi ghép hai điện cực để tạo ra pin điện thì do thế chuẩn của Fe thấp hơn đồng Cu mà Fe khử được ion Cu2+: Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu Vậy sự oxi hoá xảy ra ở điện cực sắt: Fe –... trình hoá học Bài giải CuSO4 = Cu2+ + SO42- 1 Sơ đồ HOH ⇌ H+ + OHCatôt (-) Cu2+, H+ (HOH) Anôt(+) SO42-, OH- (HOH) 22 Cu2+ + 2e = Cu (1) 1 2 H2O – 2e = O2  2 H  (2) Phương trình chung: Điện phân CuSO4  H 2O 1 Cu  O2   H 2 SO4 (3) 2 Nếu ở catôt hết Cu2+ mà tiếp tục điện phân (phải có hiệu điện thế mới cao hơn) thì xảy ra tiếp: H3O+ + e = 1 H2 + H2O (4) 2 Còn anôt thì vẫn như trên Lúc đó điện phân... 1/2O2 + 2H+ Phương trình điện phân: 2NaCl + CuSO4 Cu + Na2SO4 + Cl2 đpdd Khi điện phân có CuSO4 dư CuSO4 + H2O đpdd Cu + 1/2O2 + H2SO4 đpdd mnx 2NaCl + Cl2 + H2 Khi điện phân có NaCl dư: 2NaCl + 2H2O II Tính khối lượng các chất thoát ra ở điện cực Ví dụ Có 200ml dd hỗn hợp gồm CuSO4 0,25M và CrCl2 0,6M Điện phân dung dịch trên trong 1 thời gian 1 giờ 36 phút 30 giây với dòng điện 5 Ampe 1 Tính khối