Lịch sử vấn đề nghiên cứu [1], [4] Ðiện hóa học là một phần của bộ môn Hóa lý, có nhiệm vụ nghiên cứu những thuộc tính Hóa lý của dung dịch chất điện phân hệ ion cân bằng sự chuyển động
NỘI DUNG
Ðiện hóa học là một phần của bộ môn Hóa lý, có nhiệm vụ nghiên cứu những thuộc tính Hóa lý của dung dịch chất điện phân (hệ ion cân bằng) sự chuyển động của các ion trong dung dịch dưới tác dụng của điện trường (hệ ion không cân bằng) cũng như những hiện tượng và quá trình (cân bằng hoặc không cân bằng) xảy ra ở ranh giới pha điện cực và dung dịch điện phân với sự tham gia của các hạt tích điện (ion hoặc điện tử) Như vậy, lĩnh vực khảo sát của Ðiện hóa học rất rộng bao gồm cả hệ điện hóa đồng thể của dung dịch lẫn hệ điện hóa dị thể
Bài tập phần Điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc dạy và học phần Điện hóa nói riêng và phản ứng oxi hóa khử nói chung Muốn hiểu được cơ sở lý thuyết hóa học không thể không tinh thông việc giải các bài tập điện hóa, đặc biệt là trong dạy học sinh, sinh viên năng khiếu cho môn Hóa học Kiến thức giữa các phần, các chương của Hóa học cũng có mối liên hệ mật thiết với nhau Chính vì vậy mà số lượng bài tập về phần điện hóa rất đa dạng và phong phú Sinh viên có thể sử dụng một số tài liệu Điện hóa sau để phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu: PGS TS Lê Mậu Quyền, Cơ sở lí thuyết hóa học – Phần bài tập, NXB Khoa học kỹ thuật; Vũ Đăng Độ (chủ biên), Bài tập cơ sở lí thuyết các quá trình hóa học, NXB giáo dục Việt Nam; Lâm Ngọc Thiềm, Trần
Hiệp Hải, Nguyễn Thị Thu, Bài tập hóa lý cơ sở, NXB Khoa học kỹ thuật Bên cạnh đó, các bài tập này còn nằm ở nhiều tài liệu, ở nhiều dạng khác nhau, chưa được phân loại rõ ràng Mặt khác, nội dung kiến thức hóa học trong các kì thi học sinh giỏi, phần kiến thức về điện hóa là một trong những nội dung thường đề cập tới, với mức độ từ dễ tới khó Phần kiến thức điện hóa mang tính trừu tượng cao, đòi hỏi nhiều kỹ năng tính toán, trong khi nội dung chương trình của tài liệu giáo trình đề cập đến hệ thống bài tập vận dụng chưa nhiều nên sinh viên khó khăn trong việc tìm tòi hoặc làm các bài tập nâng cao Điện hóa học là lĩnh vực được nhiều nhà khoa học cũng như sinh viên chọn làm đối tượng nghiên cứu Một số đề tài nghiên cứu về lĩnh vực điện hóa như: Lê Thị Mỹ Trang_luận văn thạc sĩ, Xây dựng hệ thống lý thuyết, bài tập phần Hóa lý dùng trong bồi
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Ðiện hóa học là một phần của bộ môn Hóa lý, có nhiệm vụ nghiên cứu những thuộc tính Hóa lý của dung dịch chất điện phân (hệ ion cân bằng) sự chuyển động của các ion trong dung dịch dưới tác dụng của điện trường (hệ ion không cân bằng) cũng như những hiện tượng và quá trình (cân bằng hoặc không cân bằng) xảy ra ở ranh giới pha điện cực và dung dịch điện phân với sự tham gia của các hạt tích điện (ion hoặc điện tử) Như vậy, lĩnh vực khảo sát của Ðiện hóa học rất rộng bao gồm cả hệ điện hóa đồng thể của dung dịch lẫn hệ điện hóa dị thể
Bài tập phần Điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc dạy và học phần Điện hóa nói riêng và phản ứng oxi hóa khử nói chung Muốn hiểu được cơ sở lý thuyết hóa học không thể không tinh thông việc giải các bài tập điện hóa, đặc biệt là trong dạy học sinh, sinh viên năng khiếu cho môn Hóa học Kiến thức giữa các phần, các chương của Hóa học cũng có mối liên hệ mật thiết với nhau Chính vì vậy mà số lượng bài tập về phần điện hóa rất đa dạng và phong phú Sinh viên có thể sử dụng một số tài liệu Điện hóa sau để phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu: PGS TS Lê Mậu Quyền, Cơ sở lí thuyết hóa học – Phần bài tập, NXB Khoa học kỹ thuật; Vũ Đăng Độ (chủ biên), Bài tập cơ sở lí thuyết các quá trình hóa học, NXB giáo dục Việt Nam; Lâm Ngọc Thiềm, Trần
Hiệp Hải, Nguyễn Thị Thu, Bài tập hóa lý cơ sở, NXB Khoa học kỹ thuật Bên cạnh đó, các bài tập này còn nằm ở nhiều tài liệu, ở nhiều dạng khác nhau, chưa được phân loại rõ ràng Mặt khác, nội dung kiến thức hóa học trong các kì thi học sinh giỏi, phần kiến thức về điện hóa là một trong những nội dung thường đề cập tới, với mức độ từ dễ tới khó Phần kiến thức điện hóa mang tính trừu tượng cao, đòi hỏi nhiều kỹ năng tính toán, trong khi nội dung chương trình của tài liệu giáo trình đề cập đến hệ thống bài tập vận dụng chưa nhiều nên sinh viên khó khăn trong việc tìm tòi hoặc làm các bài tập nâng cao Điện hóa học là lĩnh vực được nhiều nhà khoa học cũng như sinh viên chọn làm đối tượng nghiên cứu Một số đề tài nghiên cứu về lĩnh vực điện hóa như: Lê Thị Mỹ Trang_luận văn thạc sĩ, Xây dựng hệ thống lý thuyết, bài tập phần Hóa lý dùng trong bồi dưỡng học sinh giỏi và chuyên hóa THPT, Trường ĐHSP thành phố Hồ Chí Minh; Cao
Cự Giác – luận văn thạc sĩ, Hệ thống lý thuyết – Bài tập dung dịch chất điện li dùng bồi dưỡng học sinh giỏi và học sinh chuyên ngành hóa, Đại học sư phạm Hà Nội Tuy nhiên, trong thực tế giảng dạy ở các trường phổ thông, các trường chuyên nói chung cũng như đại học chuyên ngành nói riêng việc dạy và học phần kiến thức về điện hoá gặp một số khó khăn:
- Đã có tài liệu giáo trình dành riêng cho học sinh chuyên hóa, học sinh chuyên ngành hóa học nhưng nội dung kiến thức lí thuyết về điện hoá còn sơ sài, một số kiến thức còn trừu tượng khiến sinh viên gặp khó khăn trong việc nghiên cứu
- Tài liệu tham khảo về mặt lí thuyết thường là những tài liệu thuộc các ngành kỹ thuật, nhiều tài có nội dung chưa phù hợp để sinh viên tham khảo Khi áp dụng những tài liệu này cho sinh viên gặp rất nhiều khó khăn
- Trong các tài liệu giáo khoa chuyên hóa lượng bài tập rất ít, bài tập cơ bản nếu chỉ làm các bài trong đó thì sinh viên không đủ “lực” để thi HSGQG, Quốc Tế vì nội dung các đề thi hằng năm thường rộng và sâu hơn nhiều
- Tài liệu phần bài tập vận dụng các kiến thức lí thuyết về điện hoá cũng rất ít, chưa có chuyên đề tổng hợp các đề thi điện hóa học qua các kì thi HSGQG, Quốc tế để sinh viên tham khảo, rèn luyện kĩ năng, tư duy giải toán logic.
Bài tập hóa học
1.2.1 Vai trò và ý nghĩa của bài tập Hóa học
Trong thực tiễn dạy học, bài tập hóa học giữ vai trò rất quan trọng trong việc thực hiện mục tiêu đào tạo BTHH vừa là mục đích, vừa là nội dung lại vừa là phương pháp dạy học hiệu quả, nó không chỉ cung cấp cho sinh viên kiến thức, con đường giành lấy kiến thức mà còn mang lại niềm vui của quá trình khám phá, tìm tòi, phát hiện của việc tìm ra đáp số Đặc biệt BTHH còn mang lại cho người học một trạng thái hưng phấn, hứng thú nhận thức Đây là một yếu tố tâm lý quan trọng của quá trình nhận thức đang được chúng ta quan tâm
Bên cạnh vai trò quan trọng như trên, BTHH còn mang ý nghĩa to lớn đối với học sinh, sinh viên về các mặt trí dục, đức dục, giáo dục kỹ thuật tổng hợp, giáo dục kỹ thuật hướng nghiệp cụ thể như sau: a) Ý nghĩa trí dục
Làm chính xác hóa các khái niệm hóa học Củng cố, đào sâu và mở rộng kiến thức một cách sinh động, phong phú, hấp dẫn Chỉ khi vận dụng được các kiến thức vào việc giải bài tập, sinh viên mới nắm được các kiến thức một cách sâu sắc Ôn tập, hệ thống hóa kiến thức một cách tích cực nhất, hệ thống hóa cụ thể bài tập từng chương, từng phần hoặc nhiều chương liên quan với nhau Rèn luyện các kỹ năng hóa học như cân bằng phương trình phản ứng, tính toán theo công thức hóa học và phương trình hóa học
Nếu là bài tập thực nghiệm sẽ rèn các kỹ năng thực hành, góp phần vào việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp cho sinh viên Rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn đời sống, lao động sản xuất và bảo vệ môi trường Rèn luyện kỹ năng sử dụng ngôn ngữ hóa học và các thao tác tư duy BTHH còn là phương tiện để kiểm tra kiến thức, kỹ năng của sinh viên một cách chính xác b) Ý nghĩa phát triển
Phát triển ở sinh viên những năng lực tư duy logic biện chứng, khái quát độc lập, thông minh và sáng tạo; phát huy một cách tích cực trí lực và hình thành phương pháp học tập hợp lý cho sinh viên c) Ý nghĩa giáo dục
BTHH giúp rèn luyện đức tính chính xác, kiên nhẫn, trung thực và lòng say mê khoa học Hóa học Bài tập thực nghiệm còn có tác dụng rèn luyện văn hóa lao động (lao động có tổ chức, có kế hoạch, gọn gàng, ngăn nắp, sạch sẽ nơi làm việc ) Ngoài ra, BTHH còn có tác dụng góp phần giáo dục cho sinh viên về những đổi thay của đất nước, về nguồn tài nguyên vô giá của đất nước Những tác dụng của BTHH là to lớn, nếu thầy cô giáo biết khai thác nó, sử dụng theo đúng mục đích của chương trình học, phù hợp với tính khoa học của bộ môn và kết hợp chặt chẽ với thực tiễn giảng dạy sẽ đạt được hiệu quả cao nhất
1.2.2 Hệ thống bài tập điện hóa
Hóa lý là bộ môn quan trọng đảm nhiệm giảng dạy các học phần thuộc khối kiến thức cơ sở ngành và một số chuyên đề thuộc khối kiến thức nhóm chuyên ngành trong chương trình đào tạo cử nhân Hóa học bao gồm cả chương trình đào tạo cử nhân tài năng và tiên tiến ngành hóa học của khoa Hóa học, Hóa Dược, Sư phạm Hóa học, Công nghệ kỹ thuật hóa học Các kiến thức Hóa lý thường được sử dụng vào các đề thi chọn HSG, thi Olympic hóa học sinh viêntrong đó các phần ứng dụng của điện hóa rất rộng rãi đi kèm với hệ thống kiến thức lý thuyết đa dạng nên thường có mặt trong các kỳ thi Olympic hóa học sinh viên Điện hóa là một lĩnh vực rộng bao hàm nhiều dạng bài tập khác nhau như các bài tập liên quan tới sức điện động, các loại điện cực loại 1, thế điện cực tiêu chuẩn, quan hệ giữaG với suất điện động
Khi phân tích nội dung các đề thi olympic sinh viên, ta thấy phần bài tập điện hóa được sử dụng đa dạng với mức độ bài tập từ dễ đến khó kích thích tư duy của sinh viên Các nội dung chủ yếu của điện hóa thường được đề cập tới đó là: Tính thế điện cực dựa vào phương trình Nernst (không dùng hoạt độ), hệ thức Luther; Tính sức điện động nguyên tố Galvani (không dùng hoạt độ); ứng dụng tính pH, tích số hòa tan; Xác định chiều và tính hằng số cân bằng của phản ứng oxy hóa khử Đây là những bài tập căn bản của điện hóa trong thường có mặt trong các đề thi HSG cũng như Olympic hóa học sinh viên Mỗi năm sẽ có những nội dung thi khác nhau, cách ôn tập khác nhau nhưng nếu ta xây dựng được một tài liệu hệ thống hóa kiến thức lý thuyết cũng như bài tập thì sẽ đem lại hiệu quả cao
1.3 Một số khái niệm cơ bảnvề điện hóa [5], [9], [10]
* Khái niệm chất điện li: là những hợp chất hóa học có khả năng phân li (hoàn toàn hay một phần) trong dung dịch thành những hạt mang điện trái dấu nhau được gọi là các ion (cation và anion)
Nguyên nhân cơ bản của sự phân ly phân tử thành ion là do tương tác giữa chất điện ly và các phân tử dung môi để tạo thành các ion bị hiđrat hóa
Ví dụ: NaCl +mH 2 O Na + nH 2 O + Cl - (m-n)H 2 O
Các giá trị m, n thường không xác định được và phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ nên thường được viết:
NaCl + aq Na + aq + Cl - aq aq-lượng nước không xác định
+ Các phân tử axit, bazơ, muối hòa tan thì bị phân ly thành các phần tử mang điện (ion)
+ Trong dung dịch, sự phân li các phân tử thành các ion là không hoàn toàn, tức là không phải tất cả các phân tử chất điện li, mà chỉ một phần nào đó của chúng, gọi là độ điện li, phân li thành các ion; phần các phân tử còn lại không phân ly
+ Sự phân li được coi như một phản ứng hóa học và tuân theo định luật tác dụng khối lượng
- Một số hạn chế của thuyết điện ly Arrhenius:
+ Thuyết này không tính đến tương tác các ion với lưỡng cực (dipol) nước hoặc của các dung môi khác tức là tương tác ion-dipol
+ Thuyết Arrhenius xem ion như những phần tử độc lập, không tính đến tương tác ion-ion do cực Coulomb gây ra
+ Theo thuyết Arrhenius thì α là đại lượng đặc trưng, có giá trị không đổi dù cho bằng phương pháp nào và α < 1
* Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li
- Độ dẫn điện riêng: là độ dẫn điện của một khối dung địch có chiều dài l = 1cm và tiết diện S = 1cm 2
- Độ dẫn điện đương lượng là độ dẫn điện của một khối dung dịch chứa đúng một đương lượng gam chất tan, đặt giữa hai điện cực cách nhau 1cm
- Phương pháp đo độ dẫn điện và ứng dụng trong chuẩn độ điện dẫn
+ Phương pháp đo: đo bằng cầu dòng xoay chiều nhằm mục đích không làm xuất hiện gradien thế hóa học khi các ion chuyển động
+ Ứng dụng: Xác định độ điện ly α của chất điện li yếu; Tính độ tan của chất ít tan; Xác định thành phần của phức chất; Chuẩn độ dẫn điện kế
1 3.2 Điện cực -Phân loại điện cực a) Khái niệm về điện cực: là kim loại hay vật dẫn loại 1 nằm tiếp xúc với dung dịch chất điện phân Chẳng hạn, điện cực Cu,CuSO 4 là tấm kim loại đồng nhúng trong dung dịch CuSO 4 , trên bề mặt của nó xảy ra quá trình khử ion Cu 2+ hoặc oxi hoá đồng kim loại b) Phân loại điện cực Điện cực loại 1: Đó là một hệ gồm kim loại hoặc á kim đóng vai trò chất khử được nhúng vào dung dịch chứa ion của kim loại hoặc á kim đó
Ký hiệu: M n+ /M hoặc Me n- /Me
Phản ứng điện cực: M n+ + ne M hoặc: Me + ne Me n-
Phương trình Nernst đối với điện cực kim loại: φ Mn+/M = φ 0 Mn+/M + RT nF ln a Mn+ a
M (1) Phương trình Nernst đối với điện cực á kim: φ Me/Men− = φ 0 Me/Men− + RT nF ln a a Me
Người ta xem hoạt độ ở nhiệt độ đã cho của các chất rắn nguyên chất là không đổi và đưa vào thế tiêu chuẩn Do đó, phương trình điện cực (1), (2) được viết lại:
HỆ THỐNG BÀI TẬP
Bài tập về thế điện cực và pin điện
2.1.1 Tính thế điện cực chuẩn
2.1.1.1 Thế điện cực chuẩn chỉ liên quan tới phản ứng oxi hóa-khử
Bài 1 Cho giản đồ các quá trình khử - thế khử: quá trình khử diễn ra theo chiều mũi tên, thế khử chuẩn được ghi trên các mũi tên và đo ở pH=0
(Cr 2 O 7 2- ) Cr(V) Cr(IV) Cr 3+ Cr 2+ Cr
2 Dựa vào tính toán, cho biết Cr(IV) có thể dị phân thành Cr 3+ và Cr(VI) được không?
3 Viết quá trình xảy ra với hệ oxi hóa - khử Cr 2 O 7 2- /Cr 3+ và tính độ biến thiên của hệ ở nhiệt độ 298K, khi pH tăng 1 đơn vị pH
Cho: E Cr 0 2 O 7 2− Cr ⁄ 3+ = 1,33V; Hằng số khí R = 8,345.J.K -1 mol;
(Đề thi chọn đội tuyển Olympic Quốc tế năm 2010)
1 Từ giản đồ, ta có: n 3 E 3 = n 1 E 1 + n 2 E 2 3.(-0,744) = -0,408 + 2.E y 0
2 Theo nhiệt động học Cr(IV) có thể dị phân thành Cr 3+ và Cr(IV) khi ΔG 0 của phương trình [Fe 2+ ] = C Fe 2+= 0,020M vì K a1 rất bé
Vì E Ag < E Pt nên cực Ag là anot; cực Pt là catot Phản ứng trong pin: anot: 2Ag + CrO 4 2- Ag 2 CrO 4 + 2e catot: 2x Fe 3+ + e Fe 2+
2Ag + CrO 4 2- + 2Fe 3+ Ag 2 CrO 4 + 2Fe 2+
Vậy suất điện động của pin là:
2.2.2 Tính các hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa-khử
Bài 1.Trong không khí dung dịch natri sunfua bị oxy hóa một phần để giải phóng ra lưu huỳnh Viết phương trình phản ứng và tính hằng số cân bằng
(Đề thi chọn học sinh giỏi quốc gia năm 2008) Phân tích
Phản ứng oxi hóa S 2- bởi không khí:
Ag /Ag Au ,Ag Fe /Fe Fe /Fe
1 a Thiết lập một sơ đồ pin để xấc định tích số tan của AgI Viết các phưng trình phản ứng xảy ra trong mỗi điện cực và trong pin b Tính độ tan (s) tại 25 o C của AgI trong nước
2.a Lập pin điện trong đó xảy ra sự oxi hoá ion Fe 2+ thành ion Fe 3+ và ion Au 3+ bị khử thành ion Au + Viết các phương trình phản ứng xảy ra trên mỗi điện cực và trong pin b Tính sức điện động chuẩn của pin và hằng số cân bằng của phản ứng xảy ra trong pin này
(Đề thi chọn đội tuyển quốc tế-năm 2009) Phân tích:
1 a Để xác định tích số tan K S của AgI, cần thiết lập sơ đồ pin có các điện cực Ag làm việc thuận nghịch với Ag + Điện cực Ag nhúng trong dung dịch nào có [Ag + ] lớn hơn sẽ đóng vai trò catot Rõ ràng dung dịch không có AgI kết tủa sẽ có [Ag + ] lớn hơn Sơ đồ pin như sau:
(-) Ag I - (aq), AgI (r) Ag + (aq) Ag (r) (+)
Hoặc (-) Ag, AgI(r) I - (aq) Ag + (aq) Ag (r) (+)
Phản ứng ở cực âm: Ag (r) + I - (aq) AgI + e K 1 -1
Phản ứng ở cực dương: Ag + (aq) + e Ag (r) K 2
Phản ứng trong pin: Ag (r) + I - (aq) AgI K s -1 (1)
= 10 1, 0.10 16 K s 1, 0.10 16 b Gọi S là độ tan của AgI trong nước nguyên chất, ta có:
Vì quá trình tạo phức hidroxo của Ag + không đáng kể, I - là anion của axit mạnh HI, nên
2 Theo qui ước: quá trình oxi hóa Fe 2+ xảy ra trên anot, quá trình khử Au 3+ xảy ra trên catot, do đó điện cực Pt nhúng trong dung dịch Fe 3+ , Fe 2+ là anot, điện cực Pt nhúng trong dung dịch Au 3+ , Au + là catot:
(-) Pt Fe 3+ (aq), Fe 2+ (aq) Au 3+ (aq), Au + (aq) Pt(+)
Phản ứng ở cực âm: 2x Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + e K 1 -1
Phản ứng ở cực dương: Au 3+ (aq) + 2e Au + (aq) K 2
Phản ứng trong pin: Au 3+ (aq) + Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + Au + (aq) K (2)
Tính thế khử chuẩn của cặp Fe 3+ / Fe 2+ :
Ở điều kiện tiêu chuẩn, sức điện động của pin trên là:
0 0 0 pin Au /Au Fe /Fe
Bài tập điện phân
2.3.1 Thứ tự điện phân, tách các ion trong dung dịch bằng phương pháp điện phân
Bài 1.Cho dòng điện 0,5A đi qua dung dịch muối của một axit hữu cơ trng 2 giờ Kết quả sau quá trình điện phân trên catot tạo ra 3,865 gam một kim loại và trên anot có khí etan và khí cacbonic thoát ra
1 Cho biết muối của kim loại nào bị điện phân? Biết rằng 5,18 gam của kim loại đó đẩy được 1,59 gam Cu từ dung dịch đồng sunfat
2 Cho biết muối của axit hữu cơ nào bị điện phân
3 Viết các phương trình phản ứng xảy ra trên các điện cực
(Kỳ thi chọn học sinh giỏi quốc gia Việt Nam năm 2002 – Bảng A) Phân tích
1 Điện lượng Q = It = 0,5 x 2 x 3600 = 3600 coulomb dùng để tạo ra 3,865 g kim loại
Từ định luật Faraday, đương lượng
Khối lượng mol của kim loại: A= .n Vì kim loại này đẩy đồng ra khỏi dung dịch nên đương lượng của Cu:
Cu = A/2 = 63,6/21,8 và từ phản ứng:
2 M+ Cu 2+ Cu + 2M + ta có:M : 31,8 = 5,18 : 1,59, suy ra M = 103,6
Trong phản ứng đẩy Cu, kim loại chỉ có thể có mức oxi hoá từ 1 đến 3, do đó sẽ chọn khối lượng mol nguyên tử từ 3 khả năng sau:
Vì không có nguyên tử với A > 240 và bằng 104 có tính kim loại và có mức oxi hoá là +1
Do đó kim loại phải tìm chỉ có thể là Pb (A = 207,6)
2 Tại anot khi điện phân có C 2 H 6 và CO 2 thoát ra là sản phẩm của sự oxi hoá anion hữu cơ, muối này có công thức Pb(RCOO)2 Sự tạo ra etan
(CH 3 - CH 3 ) và CO 2 từ nhóm COO - chứng tỏ muối điện phânlà Pb(CH 3 COO) 2
3 Các phản ứng xảy ra trên các điện cực:
Tại anot: CH 3 COO - - e CH 3 COO
2 CH 3 C 2 H 6 Tổng quát: 2 CH 3 COO - 2e C 2 H 6 + CO 2
2.3.2 Hiện tượng cực dương tan, mạ điện
Bài 1.Người ta mạ niken lên mẫu vật kim loại bằng phương pháp mạ điện trong bể mạ chứa dung dịch niken sunfat Điện áp được đặt lên các điện cực của bể mạ là 2,5 V Cần mạ 10 mẫu vật kim loại hình trụ; mỗi mẫu có bán kính 2,5cm, cao 20 cm Người ta phủ lên mỗi mẫu một lớp niken dày0,4 mm Hãy: a Viết phương trình các phản ứng xảy ra trên các điện cực của bể mạ điện b Tính điện năng (theo kWh) phải tiêu thụ
Cho biết: Niken có khối lượng riêng D = 8,9 g/cm 3 ; khối lượng mol nguyên tử là 58,7(g/mol); hiệu suất dòng bằng 90% ; 1 kWh = 3,6.106J
(Đề thi chọn học sinh giỏi quốc gia năm 2006, bảng A) Phân tích a Phương trình các phản ứng xảy ra trên bề mặt các điện cực của bể mạ:
Catot: Ni 2+ + 2e Ni b Thể tích của 1 mẫu vật kim loại hình trụ là:
Lớp phủ Niken ở mỗi mẫu vật có bề dày là 0,4mm nên ở mỗi mẫu vật này bán kính tăng tới r = 2,5 + 0,04 = 2,54cm; chiều cao tăng h = 20+0,04.2 = 20,08cm
Vậy thể tích của mỗi mẫu vật này tăng thêm một lượng là:
Tổng số thể tích tăng thêm của 10 mẫu vật là:
V 10 V 10.14,281 142,81cm 3=V Ni (phủ lên 10 mẫu vật cần mạ)
Khối lượng tương ứng là: m = V.D = 142,81.8,9 = 1271,01(g) hay 1271,01 n = = 21,6526mol 58,7 Áp dụng biểu thức định luật Faraday, ta có:
Số điện năng tương ứng là: m w = ItU = 96500.n.U
Với Ni ta có n = 2; theo trên đã có (m/A) = 21,6526 (mol); theo đề bài U = 2,5 V thay vào biểu thức (1), ta được: w = 21,6526.96500.2.2,5 = 10447379,5J
Vì hiệu suất dòng điện là 90% và 1kWh = 3,6.10 6 J nên số điện năng thực tế cần dùng là:
Bài 2 Muối KClO 4 được điều chế bằng cách điện phân dung dịch KClO 3 Thực tế khi điện phân ở một điện cực, ngoài nửa phản ứng tạo ra sản phẩm chính là KClO 4 còn đồng thời xẩy ra nửa phản ứng phụ tạo thành một khí không màu Ở điện cực thứ hai chỉ xẩy ra nửa phản ứng tạo ra một khí duy nhất Hiệu suất tạo thành sản phẩm chính chỉ đạt 60%
1 Viết ký hiệu của tế bào điện phân và các nửa phản ứng ở anot và catot
2 Tính điện lượng tiêu thụ và thể tích khí thoát ra ở điện cực (đo ở 25 0 C và 1atm) khi điều chế được 332,52g KClO 4
(Đề thi chọn học sinh giỏi quốc gia năm 2007) Phân tích
1 Kí hiệu của tế bào điện: Pt KClO 3 (dd) Pt
Phản ứng chính: anot: ClO 3 - -2e + H 2 O ClO 4 - + 2H + catot: 2H 2 O + 2e H 2 + OH -
ClO 3 - + H 2 O ClO 4 - + H 2 Phản ứng phụ: anot: H 2 O - 2e 2H + + 1/2O 2 catot: 2H 2 O + 2e H 2 + OH -
3 Khí ở catot là khí hidro
Khí ở anot là oxi: n F tạo ra O 2 = 8.0,4 = 3,2F
ĐỀ XUẤT CÁC BÀI TẬP
Pin điện và dung dịch
Bài 1 (*).Tính thế của các cặp oxh – khử chưa biết sau: a) Cho 2+ 2+
E = 0,34(V); Ks CuS = 10 Tính E o CuS/Cu
Phân tích: a) Tổ hợp cân bằng oxi hoá-khử và cân bằng tạo phức:
b) Tổ hợp cân bằng oxi hoá-khử và cân bằng tạo hợp chất ít tan:
Bài 2 [6] Tính suất điện động E của pin được viết như sau ở 25 o C:
Xác định dấu của các điện cực và viết phản ứng tự diễn biến trong pin Cho
Theo sơ đồ pin đã cho, điện cực trái (anot) có phản ứng oxi hóa thiếc:
Sn Sn 2+ + 2e Điện cực phải (catot) có phản ứng khử Pb 2+ :
Pb 2+ + 2e Pb Phản ứng trong pin: Sn + Pb 2+ Sn 2+ + Pb
E