Chuyên đề sự điện phân: Điện phân dung dịch và điện phân nóng chảy, quá trình oxi hóa khử diễn ra ở các điện cực. Bài tập điện phân có hướng dẫn giải chi tiết. Tài liệu luyện thi đại học và luyện thi học sinh giỏi.
Trang 1SỰ ĐIỆN PHÂN
I Lý thuyết
1 Khái niệm:
Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi đó dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li
2 Bản chất của sự điện phân:
Như vậy, theo khái niệm trên ta có thể kết luận bản chất của sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt điện cực
-Năng lượng dùng cho phản ứng là điện năng dòng điện một chiều
-Sự cho và nhận e không xảy ra trực tiếp giữa các ion tham gia phản ứng mà phải truyền qua dây dẫn
Chú ý:
-Về bản chất, quan điểm về anot, catot trong pin điện hóa và trong bình điện phân hoàn toàn giống nhau:
+ Catot là nơi xảy ra sự khử
+ Anot là nơi xảy ra sự oxi hóa
_ Tuy nhiên, sự phát sinh dòng điện trong pin điện hóa và sự điện phân là hai quá trình ngược nhau (một quá trình tạo ra dòng điện, một quá trình nhờ tác dụng của dòng điện) Vì vậy, dấu của điện cực là ngược nhau
+ Trong pin: anot là cực âm, catot là cực dương
+ Trong bình điện phân: anot là cực dương, catot là cực âm
* Các trường hợp điện phân
1 Điện phân nóng chảy:
Phương pháp điện phân nóng chảy chỉ áp dụng điều chế các kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al…
a) Điện phân nóng chảy oxit:
VD1 : Điện phân Al2O3
Quá trình điện phân:
Catot (-): 2Al3+ + 6e → 2Al
Anot (+): 6O2- → 3O2 + 12e
Phương trình sự điện phân: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra ở anot ăn mòn:
2C + O2 → 2CO↑
2CO + O2 → 2CO2↑
Vì vậy, trong quá trình điện phân nóng chảy oxit, tại anot thường thu được hỗn hợp khí
CO, CO2, O2
VD2 : Điện phân MgO
MgO n/c Mg2+ + O
2-(-) : Mg2+ + 2e → Mg (+) : 2O2- → O2 + 4e
Trang 2b) Điện phân nóng chảy hidroxit kim loại kiềm:
Quá trình điện phân:
_ Catot (-): 2M+ + 2e → 2M
_ Anot (+): 2OH- → O2↑ + H2O+ 2e
Phương trình điện phân (tổng quát): 2MOH → 2M + O2↑ + H2O↑
VD3 : Điện phân NaOH
NaOH n/c Na+ + OH
-(-) : Na+ + 1e → Na (+) : 2OH- → H2O + 1/2O2 + 2e Phương trình điện phân: 2NaOH 2Na + 1/2O2 + H2O
c) Điện phân muối clorua:
Quá trình điện phân:
_ Catot (-): Mx++ xe → M
_ Anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e
VD4 : Điện phân NaCl
NaCl n/c Na+ + Cl
(+) : Cl- → Cl2 + 2e (sự khử)
2 Điện phân dung dịch
• Trong dung dịch quá trình cho nhận electron tại các điện cực phụ thuộc tính oxi hóa
và tính khử của các ion tại các điện cực đó
• Áp dụng điều chế kim loại trung bình và yếu
• Trong điện phân dung dịch, nước giữ vai trò quan trọng:
_ Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực
_ Đôi khi nước tham gia vào quá trình điện phân
+ Ở catot: H2O + 2e → 2
1
H2 + OH
-+ Anot: H2O 2
1
O2 + 2H+ + 2e
Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn (l = 0) Do vậy, muốn điện phân nước cần hòa thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh,…
Để viết được các phương trình điện li một cách đầy đủ và chính xác, chúng ta cần lưu
ý một số quy tắc, kinh nghiệm sau:
Quy tắc 1: Quá trình khử xảy ra ở catot:
_ Các ion kim loại từ Al trở về đầu dãy thực tế không bị khử tành ion kim loại khi điện phân dung dịch
_ Các ion sau Al thì bị khử thành kim loại, với thứ tự ưu tiên ngược từ dưới lên
Trang 3_Trong đó đặc biệt chú ý ion H+ luôn bị khử cuối cùng trong dãy ưu tiên trên (khi điện phân dung dịch muối)
Quy tắc 2: Quá trình oxi hóa ở anot:
_ Các kim loại trung bình và yếu dùng làm điện cực
_ Thứ tự: S2- > I- > Br- > Cl- > OH-
+ Nếu khi điện phân ở anot chứa đồng thời kim loại và anion (ion âm) thì anion không
bị điện phân
+ Các anion chứa oxi như: NO3-; SO42-; CO32-; SO32-; PO43-; ClO4-… không điện phân
+ Điện phân với điện cực trơ (graphit)
* Điện phân dung dịch tạo bởi cation nhận e và anion cho e:
- VD 1: Điện phân dung dịch CuCl2
CuCl2 Cu2+ + 2Cl
-Catot (-) Cu2+, H2O : Cu2+ + 2e → Cu
Anot (+) Cl-, H2O : 2Cl- → Cl2 + 2e
* Điện phân dung dịch tạo bởi cation nhận e và anion không cho e:
- VD 2: Sơ đồ điện phân dung dịch CuSO4 điện cực trơ
CuSO4 Cu2+ + SO4
2-Catot (-): Cu2+, H2O: Cu2+ + 2e Cu
Anot (+): SO42-, H2O: H2O 2
1
O2 + 2H+ + 2e Phương trình điện phân: CuSO4 + H2O Cu + H2SO4 + 2
1
O2
- VD 3: điện phân dung dịch AgNO3
AgNO3 Ag+ + NO3
-Catot (-): Ag+, H2O: Ag2+ + e Ag
Anot (+): NO3-, H2O: H2O 2
1
O2 + 2H+ + 2e Phương trình điện phân: 2AgNO3 + H2O 2Ag + 2HNO3 + 2
1
O2
* Điện phân dung dịch tạo bởi cation không nhận e và anion cho e:
Sự điện phân dung dịch clorua kim loại kiềm xảy ra qua 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: 2MCl + H2O 2MOH + Cl2 + H2 (điện phân có màng ngăn)
Khi hết Cl-, chuyển sang giai đoạn 2: điện phân dung dịch MOH, thực chất là điện
1
2 O2
Trang 4Nếu điện phân không có màng ngăn, Cl2 tác dụng với MOH sinh ra hỗn hợp muối MCl
và MClO (nước Gia-ven)
- VD: điện phân dung dịch NaCl
NaCl Na+ + Cl
-Catot (-): Na+, H2O: 2H2O + 2e H2 + 2OH
-Anot (+): Cl-, H2O: Cl- Cl2 + 2e
Phương trình điện phân: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2
* Điện phân dung dịch tạo bởi cation không nhận e và anion không cho e:
Ví dụ: Điện phân dung dịch Na2SO4
Catot (-) Anot (+)
Na+, H2O SO42-, H2O
2H2O + 4e → H2 + OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
+ Điện phân với điện cực tan
VD: điện phân dung dịch CuSO4 với anot đồng
ở anot (+): Cu bị oxi hoá thành Cu2+ đi vào dung dịch :
Cu (r) Cu2+
(dd) + 2e
ở catot (-): ion Cu2+ bị khử thành Cu bám trên bề mặt catot:
Cu2+
(dd) + 2e Cu(r)
Phương trình điện phân: Cu (r) + Cu2+
(dd) Cu2+
(dd) + Cu (r)
Anot catot
=> nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch không đổi, sự điện phân là sự chuyển kim loại
Cu từ anot về catot
Định luật Faraday
Công thức Faraday: nF
AIt
m
Trong đó: m: lượng chất thu được ở điện cực (g)
A: khối lượng mol nguyên tử / phân tử I: cường độ dòng điện (A)
t: thời gian điện phân (s) n: số e nguyên tử cho hoặc nhận
F = 96500: hằng số Faraday
* Phương pháp làm bài tập:
1 Cách làm bài tập điện phân nóng chảy chất điện phân:
_ Xác định các phản ứng oxi hóa khử xảy ra ở các điện cực
Trang 5_ Tương tác của sản phẩm điện phân thu được với điện cực (nếu có).
_ Nếu điện phân dung dịch muối hoặc hidroxit của các kim loại (Li, Na, Ba, Mg) không bao giờ thu được các kim loại đó ở catot
2 Trình tự khảo sát quá trình điện phân dung dịch chất điện li:
Bước 1: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân đồng thời kèm theo phương trình điện li của nước
Bước 2: Viết phương trình cho, nhận e của các ion tại các điện cực:
* Tại catot (cực âm): Các ion dương nhận e để thực hiện quá trình khử Các ion dương nhận e theo trình tự tính oxi hóa giảm dần, nghĩa là kim loại càng đứng sau (trong dãy hoạt động hóa học) thì ion dương ưu tiên nhận e trước Cụ thể là:
_ Thứ tự 1: Các cation từ Au3+ → Zn2+ theo nguyên tắc: Mn+ + ne → M
Đặc biệt:
• H+ của axit: 2H+ + 2e → H2
• Nếu dung dịch có chứa ion Fe3+ và một số ion dương khác thì Fe3+ sẽ nhận e theo nguyên tắc sau:
Giai đọan 1: Fe3+ + 1e → Fe2+
Giai đọan 2: Fe2+ trở về đúng vị trí của nó Fe2+ + 2e → Fe
_Thứ tự 2: H+ của nước nhận e theo phương trình: 2H2O + 2e → 2OH- + H2
_Thứ tự 3: Các cation từ Al3+ → K+: không bao giờ nhận e tại catot mà thay vào đó H+
của nước sẽ nhận e theo phương trình như ở thứ tự 2
* Tại anot (cực dương): Các anion sẽ đến cho e Tại đây thực hiện quá trình oxi hóa theo thứ tự tính khử của các anion giảm dần Cụ thể là:
_ Thứ tự 1: S2- > I- > Br- > Cl- : S2- → S + 2e
2X- → X2 + 2e
_Thứ tự 3: OH- của bazơ: 4OH- → 2H2O + O2 + 4e
_Thứ tự 5: Các gốc axit có oxi (trừ axit hữu cơ) như NO3-, SO42-, PO43-… và F-: không bao giờ cho e tại anot mà thay vào đó là OH- của H2O sẽ cho e theo phương trình như thứ tự 4
Cần xác định hệ số các bán phương trình tại các điện cực sao cho số e cho nhận tại các điện cực bao giờ cũng bằng nhau
Bước 3: Cộng vế theo vế các bán phương trình đã xác định ở bước 2 để được phương trình điện phân chung
II Bài tập ví dụ
Ví dụ 1: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch (đpdd) NaCl
Trang 6Bước 1: NaCl → Na+ +
Cl-H2O → H+ + OH
Phương trình điện phân: 2NaCl + H2O → 2NaOH + H2 + Cl2
(Chú ý: Nếu không có màng ngăn sẽ xảy ra phản ứng:
2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O
Ví dụ 2: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch AgNO3
AgNO3 → Ag+ + NO3
Phương trình điện phân:
4AgNO3 + 2H2O → 4HNO3 + 4Ag + O2
Ví dụ 3: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch Na2SO4
Bước 1: Na2SO4 → 2Na+ + SO4
2H2O + 2e → 2OH- + H2 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bước 3: Phương trình điện phân: 2H2O → 2H2 + O2
Ví dụ 4: Khảo sát quá trình điện phân hỗn hợp dung dịch gồm FeSO4, CuSO4,
Fe2(SO4)3
Bước 1: FeSO4 → Fe2+ + SO4
2-CuSO4 → Cu2+ + SO4
2-Fe2(SO4)3 → 2Fe3+ + 3SO4
Fe2+, Cu2+, Fe3+, H2O SO42-, H2O
Fe3+ + e → Fe2+
Fe2+ + 2e → Fe
Phương trình điện phân:
2Fe2(SO4)3 + 2H2O → 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2
2FeSO4 + 2H2O → 2Fe + 2H2SO4 + O2
Trang 7Ví dụ 5: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4, KCl
Bước 1: CuSO4 → Cu2+ + SO4
2-KCl → K+ + Cl
2H2O + 2e → 2OH- + H2 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bước 3: Phương trình điện phân chung:
CuSO4 + 2KCl → Cu + K2SO4 + Cl2
• Nếu b < 2a, xảy ra thêm phương trình:
2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2
• Nếu b > 2a, xảy ra thêm phương trình:
2KCl + 2H2O → 2KOH + H2 + Cl2
3 Các trường hợp lưu ý:
+ Cần nắm dãy điện hóa kim loại:
+ Khi catot bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là các ion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết, tại catot H2O bắt đầu bị điện phân
+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai loại)
có thể bị điện phân đã bị điện phân hết Khi đó tiếp tục điện phân sẽ là H2O bị điện phân
+ Chất rằn thoát ra có thể là kim loại (có thể là kết tủa của một kim loại hay có cả hai) + Chất khí thoát ra sau điện phân gồm cả khí thoát ra ở catot và anot (trừ khí gây ra phản ứng phụ, tạo sản phẩm tan trong dung dịch) Nếu đề yêu cầu tính lượng khí, phải xác định rõ khí ở điện cực nào, hay khí thu được tất cả sau điện phân
+ Với quá trình điện phân có sinh ra kết tủa hay giải phóng khí: khối lượng dung dịch sau điện phân = khối lượng dung dịch trước điện phân – khối lượng kết tủa – khối lượng khí
+ Nếu điện phân các bình nối tiếp nhau thì Q = I.t qua mỗi bình bằng nhau Sự thu hoặc nhường electron ở các cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau
+ Khi 2 bình điện phân mắc song song, nếu R1 = R2 thì I1 = I2
+ Nếu đề cho 2 yếu tố cường độ dòng điện, thời gian điện phân, thì trước tiên tính số mol electron: Rồi biện luận tiếp theo trật tự điện phân, ngược lại cho lượng chất thoát
ra ở điện cực hay sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì tìm cách tính cường độ dòng điện ne rồi thay ne vào công thức trên
Trang 8+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh
Bài tập tự giải:
Bài 1:Điện phân dung dịch chứa muối nào sau đây sẽ điều chế được kim loại tương ứng?
Bài 2:Trong trường hợp nào sau đây ion Na+ bị khử thành Na
Bài 3: (ĐH-A-08) Khi điện phân NaCl nóng chảy (điện cực trơ), tại catot xảy ra:
Hướng dẫn:
NaCl n/c Na+ + Cl
(+) : Cl- → Cl2 + 2e (sự khử)
Bài 4:Phương trình điện phân: 2NaCl 2Na + Cl2
Trong quá trình điện phân CaCl2 nóng chảy, ở anot xảy ra phản ứng:
Bài 5:Điện phân Al2O3 nóng chảy Tại catot xảy ra quá trình:
Bài 6:Điện phân dung dịch ZnSO4 ở anot xảy ra quá trình:
C H2O + 2e 2OH- + ½ H2 D H2O ½ O2 + 2H+ + 2e
Bài 7:Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, ở catot thu được sản phẩm gì ?
Bài 8:Điện phân dung dịch NaCl, điện cực trơ, không có vách ngăn, sản phẩm thu được gồm :
A H2, Cl2, NaOH B H2, Cl, NaOH, nước javel
C H2, Cl2, nước javel D H2, nước javel
Trang 9Bài 9:Điện phân với điện cực trơ, màng ngăn giữa 2 điện cực dung dịch nào sau đây thì dung dịch sau điện phân có pH > 7 ?
Bài 10: Dung dịch nào sau đây khi điện phân thực chất là điện phân nước :
Bài 11: Điện phân dung dịch hỗn hợp (CuSO4, KBr), trong đó nồng độ mol/l của
2 muối bằng nhau Nếu thêm vài giọt quỳ tím vào dung dịch sau khi điện phân thì màu của dung dịch thay đổi như thế nào?
Bài 12: (ĐH-A-10) Các phản ứng điện phân dung dịch CuCl2 (với điện cực trơ)
và phản ứng ăn mòn điện hoá xảy ra khi nhúng hợp kim Zn-Cu vào dung dịch HCl
có đặc điểm là:
A phản ứng ở cực dương đều là sự oxi hoá Cl
-B phản ứng ở cực âm có sự tham gia của kim loại hoặc ion kim loại
C đều sinh ra Cu ở cực âm
D phản ứng xảy ra luôn kèm theo sự phát sinh dòng điện
Bài 13: Khi điện phân dung dịch CuCl2 (dư) bằng điện cực trơ trong một giờ với
cường độ dòng điện 5 ampe Lượng đồng giải phóng ở catot là:
Hướng dẫn :
Điện phân dung dịch CuCl2
CuCl2 Cu2+ + 2Cl
-(-) : Cu2+ + 2e → Cu (+) : 2Cl- → Cl2 + 2e
AIt
m
t = 1 giờ = 3600 giây
=> mCu =
64.5.3600 2.96500 = 5,97 gam
Bài 14: Cho dòng điện 3A đi qua dung dịch đồng (II) nitrat (dư) trong 1 giờ thì lượng đồng kết tủa trên catot là:
Trang 10Hướng dẫn:
Cu(NO3)2 Cu2+ + 2NO3
-Catot (-): Cu2+, H2O: Cu2+ + 2e Cu
Anot (+): NO3-, H2O: H2O 2
1
O2 + 2H+ + 2e Phương trình điện phân: Cu(NO3)2 + H2O Cu + 2HNO3 + 2
1
O2
AIt
m
t = 1 giờ = 3600 giây
=> mCu =
64.3.3600 2.96500 = 3,58 gam
Bài 15: Điện phân có màng ngăn (điện cực trơ) 100ml dung dịch MgCl2 0,15M với cường độ dòng điện 0,1A trong 9650 giây Nồng độ mol/l của dung dịch MgCl2
sau khi điện phân là:
Bài 16: Điện phân bằng điện cực trơ dung dịch muối sunfat của kim loại hóa trị II với dòng điện có cường độ 6A Sau 29 phút thấy khối lượng catot tăng 3,46g Kim loại đó là:
Bài 17: Điện phân hoàn toàn 1,9 gam muối MCl2 nóng chảy đuợc 0,48g kim loại
M ở catot CTPT của muối là:
Bài 18: Điện phân dung dịch chứa 1,35g muối clorua của một kim loại M hóa trị (II) đến khi catot có khí thoát ra thì ngưng , thu được 224 ml khí ở anot (đktc) M là :
Bài 19: Điện phân muối clorua của 1 kim loại M nóng chảy thu được 6g kim loại thoát ra ở catot và 3,36 lit khí (đktc) Công thức của muối đem điện phân là:
Bài 20: Điện phân 500g dung dịch NaCl 3,51% (điện cực trơ, có màng ngăn), khí thu được ở catot là khí nào? có thể tích là bao nhiêu lit?
Bài 21: (ĐH-A-10) Điện phân (với điện cực trơ) một dung 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:
Trang 11A khí Cl2 và O2 B khí Cl2 và H2
Hướng dẫn:
Catot:
Cu2+ + 2e Cu
x 2x
2H+ + 2e H2
Anot:
2Cl- Cl2 + 2e
x x 2H2O 2H+ + ½ O2 + 2e x
=> sản phẩm thu được ở anot là khí Cl2 và O2
Bài 22: (ĐH-B-07) 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 (biết ion SO42- không bị điện phân trong dung dịch):
Hướng dẫn:
Catot:
Cu2+ + 2e Cu
a 2a
2H2O + 2e H2 + 2OH
-Anot:
Cl- ½ Cl2 + e
b b 2H2O 2H+ + ½ O2 + 2e
Để dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì ở catot phải xảy ra sự điện phân nước trước anot => 2a < b
Bài 23: (ĐH-A-07) Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực trơ, sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catot và một lượng khí X ở anot Hấp thụ hoàn toàn khí X trên vào 200ml dung dịch NaOH ở nhiệt độ 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 NaOH là:
Hướng dẫn:
nCu = 0,005 mol => nCl2 = 0,005 mol
Cl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O
=> nNaOH phản ứng = 0,01 mol
nNaOH còn lại = 0,05.0,2 = 0,01 mol
nNaOH ban đầu = 0,02 mol