4 4 SO H 1 = 2,01 - 4 059 , 0 log 2 2 4 4 SO H 1 1,96 V
Khi pin đạt trạng thỏi cõn bằng thỡ SĐĐ là Ecb = 0,00 V.
2.2.4. Chuyờn đề điện phõn 2.2.4.1. Cơ sở lý thuyết 2.2.4.1. Cơ sở lý thuyết
1. Định nghĩa: Điện phõn là quỏ trỡnh oxi húa khử xảy ra trờn bề mặt điện cực dưới tỏc dụng của dũng điện một chiều đi qua dụng dịch chất điện li hoặc chất điện li núng chảy.
Trong điện phõn cú 2 điện cực:
- Cực õm (-) gọi là catot (kớ hiệu K): tại đõy xảy ra quỏ trỡnh oxi húa - Cực dương (+) gọi là anot (kớ hiệu A): tại đõy xảy ra quỏ trỡnh khử
Vớ dụ: Điện phõn dung dịch CuCl2:
Ta cú trong dung dịch: CuCl2Cu2+ + 2Cl- Tại catot (K - ): Cu2+ + 2e Cu Tại anot (A + ): 2Cl- Cl2 + 2e Phương trỡnh điện phõn: CuCl2 dp Cu + Cl2
* Hai loại điện phõn chủ yếu: điện phõn núng chảy và điện phõn dung dịch
2. Điện phõn núng chảy (muối, bazơ, oxit)
a. Điện phõn núng chảy muối (muối halogen của kim loại kiềm và kiềm thổ):
Cụng thức muối: MXn (n là húa trị của M, X= F, Cl, Br, I) MXn nc Mn+ + nX-
Tại K (-): Mn+ + ne M Tại A (+): 2Cl- Cl2 + 2e
Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt : MXn dpncM + X2
Vớ dụ : Điện phõn núng chảy NaCl, CaCl2 - Điện phõn núng chảy NaCl : NaCl nc
Na+ + Cl-
Tại K (-) : Na+ + 1e Na; Tại A (-): 2Cl- Cl2 + 2e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt: 2NaCl dpnc
2Na + Cl2 - Điện phõn núng chảy CaCl2 : CaCl2ncCa2+ + 2Cl-
Tại K (-) : Ca2+ + 2e Ca; Tại A (-): 2Cl- Cl2 + 2e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt: CaCl2dpncCa + Cl2
b. Điện phõn núng chảy hiđroxit M(OH)n (M là kim loại kiềm, kiềm thổ)
M(OH)n nc Mn+ + nOH-
Tại K (-): Mn+ + ne M Tại A (+): 4OH- 2H2O + O2 + 4e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt : 4M(OH)n dpnc4M + 2nH2O + nO2
Vớ dụ: Điện phõn núng chảy NaOH:
NaOH nc
Na+ + nOH-
Tại K (-): Na+ + e Na Tại A (+): 4OH- 2H2O + O2 + 4e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt : 4NaOH dpnc
4Na + 2H2O + O2
Tại K (-): Mn+ + ne M Tại A (+): 2O2- O2 + 4e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt : 2M2On dpnc4M + nO2
Vớ dụ: Điện phõn núng chảy Al2O3 Al2O3 nc2Al3+ + 3O2-
Tại K (-): Al3+ + 3eAl Tại A (+): 2O2- O2 + 4e Phương trỡnh điện phõn tổng quỏt: 2Al2O3 dpnc4Al + 3O2
3. Điện phõn dung dịch
a. Vai trũ của H2O trong điện phõn:
- Giỳp chất điện li phõn li ra ion - Vận chuyển cỏc ion đến cỏc điện cực
- Cú thể tham gia vào quỏ trỡnh oxi húa khử tại bề mặt cỏc điện cực, tức tham gia vào quỏ trỡnh điện phõn, cụ thể:
Tại K(-): 2H2O + 2e 2OH- + H2 Tại A (+): 2H2O 4H+ + O2 + 4e
b. Quy luật chung
Ở catot (cực õm)
- Cỏc cation kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và ion nhụm khụng bị điện phõn vỡ chỳng cú tớnh oxi húa yếu hơn H2O; H2O bị điện phõn theo phương trỡnh:
2H2O + 2e → H2 + 2OH–.
- Cỏc cation kim loại sau nhụm bị khử theo phương trỡnh: Mn+ + ne → M Sau khi hết cỏc ion đú, nếu tiếp tục điện phõn thỡ H2O sẽ điện phõn theo phương trỡnh: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–.
- Cation cú tớnh oxi húa càng mạnh thỡ càng dễ nhận e, vớ dụ tại K(-) gồm: Ag+; Fe3+; Cu2+; H+; H2O thi thứ tự nhận electron sẽ như sau:
Ag+ + 1e Ag (1) Fe3+ + 1eFe2+ (2) Cu2+ + 2eCu (3) 2H+ + 2eH2 (4) Fe2+ + 2eFe (5) 2H2O + 2e2OH- + H2 (6) Ở anot (cực dương):
* Đối với anot trơ (là anot khụng tham gia vào quỏ trỡnh phản ứng)
- Nếu anot cú mặt cỏc anion: I-; Br-; Cl-; S2-; RCOO-; … thỡ cỏc anion này sẽ nhường electron cho điện cực (bị oxi húa) và anion cú tớnh khử càng mạnh càng dễ nhường electron và thứ tự nhường electron đó được thực nghiệm tỡm ra như sau:
S2- > I-> Br- > Cl- > RCOO- > H2O
Vớ dụ tại A(+): Cl-, I-; H2O thỡ thứ tự nhường electron như sau: 2I-I2 + 2e (1);
2Cl-Cl2 + 2e (2); 2H2O4H+ + O2 + 4e (3)
- Nếu anot cú mặt cỏc anion gốc axit vụ cơ chứa O như: NO3
; SO42-; CO32-; ... và F-; OH- thỡ những anion này khụng nhường electron (khụng bị oxi húa) mà H2O sẽ nhường electron thay: 2H2O 4H+ + O2 + 4e
* Đối với anot hoạt động: đú là anot làm bằng cỏc kim loại Cu, Zn, ...thỡ cỏc
anot sẽ tham gia vào quỏ trỡnh oxi húa, nú sẽ nhường electron thay cho cỏc anion: Zn Zn2+ +2e; CuCu2+ +2e
Chỳ ý: Hiện tượng dương cực tan thỡ:
Độ tăng khối lượng tại K = độ giảm khối lượng tại A
4. Biểu thức định luật Farađõy
Dựng để tớnh khối lượng cỏc chất thoỏt ra ở điện cực, giả sử tại điện cực A hay K thoỏt ra chất X, ta cú: X A . . m . X e I t n F (gam) hay nX = . e I t n F (mol) (1) Với: AX là khối lượng mol của X (gam/mol)
ne là số electron trao đổi tại điện cực I là cường độ dũng điện (A)
F hằng số Farađõy : F = 96500 (Culong/mol.s) nếu t tớnh bằng giõy (second) hoặc F =26,8 nếu t tớnh bằng giờ (hour)
t (times) : thời gian tớnh bằng giõy (s) hoặc giờ (h)
Chỳ ý:
- Khi tớnh theo (1) thỡ phương trỡnh điện cực cỏc chất ở điện cực phải viết theo hệ số nguyờn tối giản.
- Từ (1) ta cú: . ( ) . ( / ) X e X m g I t n
F A g mol = số mol electron trao đổi đõy là hệ quả rất quan trọng ta sẽ sử dụng đề tớnh toỏn trong cỏc bài tập điện phõn.
- Điện phõn là quỏ trỡnh oxi húa khử nờn số mol electron nhường tại A= số mol electron nhận tại K.
2.2.4.2. Bài tập vận dụng
A. Bài tập trắc nghiệm khỏch quan
Bài 71. Cho cỏc anion I─, Br─, Cl─, OH─ v à H2O. Thứ tự nhường electron trờn anot khi điện phõn là:
A. I─, Br─, Cl─, OH─ , H2O. B. H2O, I─, Br─, Cl─, OH─ . C. H2O, Br─, Cl─, I─, OH─ . D. H2O, Cl─, I─, Br─, OH─ Bài 72. Trong quỏ trỡnh điện phõn dung dịch CuSO4 với anot bằng Cu nhận thấy
A. nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch tăng dần. B. nồng độ Cu2+ trong dung dịch tăng dần. C. nồng độ Cu2+ khụng thay đổi.
D. chỉ cú nồng độ SO42- là thay đổi.
Bài 73. Điện phõn (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch chứa Fe2(SO4)3 0,2M, CuSO4 0,5M và H2SO4 0,5M bằng điện cực trơ cho tới khi khối lượng catot tăng 3,2 gam. Thể tớch khớ (đo ở đktc) đó thoỏt ra tại anot là
A. 1,008 lớt. B. 0,784 lớt. C. 2,016 lớt. D. 1,344 lớt. Bài 74. Điện phõn (với điện cực trơ, hiệu suất là 100%) 400 ml dung dịch chứa CuSO4 0,2M với cường độ dũng điện là 5A. Thời gian điện phõn để thu được dung dịch cú pH = 1,0 là (Bỏ qua sự thay đổi thể tớch dung dịch)
A. 579 giõy. B. 772 giõy. C. 386 giõy. D. 965 giõy.
Bài 75. (Trớch đề thi đại học khối B năm 2012)
Người ta điều chế H2 và O2 bằng phương phỏp điện phõn dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dũng điện 0,67 A trong thời gian 40 giờ. Dung dịch thu được sau điện phõn cú khối lượng 100 gam và nồng độ NaOH là 6%. Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phõn là (giả thiết lượng nước bay hơi khụng đỏng kể)
A. 5,08% B. 6,00% C. 5,50% D. 3,16%
Bài 76. (Trớch đề thi đại học khối B năm 2009)
Điện phõn núng chảy Al2O3 với anot than chỡ (hiệu suất điện phõn 100%) thu được m kg Al ở catot và 67,2 m3 (ở đktc) hỗn hợp khớ X cú tỉ khối so với hiđro
bằng 16. Lấy 2,24 lớt (ở đktc) hỗn hợp khớ X sục vào dung dịch nước vụi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa. Giỏ trị của m là
A. 108,0. B. 75,6. C. 54,0. D. 67,5.
Bài 77. (Trớch đề thi đại học khối A năm 2011)
Điện phõn dung dịch gồm 7,45 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khớ khối lượng dung dịch giảm đi 10,75 gam thỡ ngừng điện phõn (giả thiết lượng nước bay hơi khụng đỏng kể). Tất cả cỏc chất tan trong dung dịch sau điện phõn là:
A. KNO3 và KOH. B. KNO3, KCl và KOH. C. KNO3 và Cu(NO3)2. D. KNO3, HNO3 và Cu(NO3)2.
Bài 78. (Trớch đề thi đại học khối A năm 2011)
Hũa tan 13,68 gam muối MSO4 vào nước được dung dịch X. Điện phõn X (với điện cực trơ, cường độ dũng điện khụng đổi) trong thời gian t giõy, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khớ ở anot. Cũn nếu thời gian điện phõn là 2t giõy thỡ tổng số mol khớ thu được ở cả hai điện cực là 0,1245 mol. Giỏ trị của y là
A. 4,480. B. 3,920. C. 1,680. D. 4,788.
Bài 79. (Trớch đề thi đại học khối A năm 2010).
Điện phõn (điện cực trơ) dung dịch X chứa 0,2 mol CuSO4 và 0,12 mol NaCl bằng dũng điện cú cường độ 2A. Thể tớch khớ (đktc) thoỏt ra ở anot sau 9650 giõy điện phõn là
A. 2,240 lớt. B. 2,912 lớt. C. 1,792 lớt. D. 1,344 lớt.
Bài 80. (Trớch đề thi cao đẳng năm 2011).
Điện phõn 500 ml dung dịch CuSO4 0,2M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 3,2 gam kim loại thỡ thể tớch khớ (đktc) thu được ở anot là
A. 3,36 lớt. B. 1,12 lớt. C. 0,56 lớt. D. 2,24 lớt.
Bài 81. (Trớch đề thi đại học khối B năm 2010).
Điện phõn (với điện cực trơ) 200 ml dd CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn cũn màu xanh, cú khối lượng giảm 8g so với dung dịch ban đầu. Cho 16,8g bột Fe vào Y, sau khi cỏc phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4g kim loại. Giỏ trị của x là
Bài 82. (Trớch đề thi đại học khối B năm 2009).
Điện phõn cú màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, hiệu suất điện phõn 100%) với cường độ dũng điện 5A trong 3860 giõy. Dung dịch thu được sau điện phõn cú khả năng hoà tan m gam Al. Giỏ trị lớn nhất của m là
A. 4,05 B. 2,70 C. 1,35 D. 5,40 Bài 83. Tiến hành điện phõn 400 ml dung dịch CuSO4 0,5M với cường độ dũng điện 1,34A trong vũng 24 phỳt. Hiệu suất điện phõn coi 100%. Khối lượng kim loại thoỏt ra ở catot và thể tớch khớ (đktc) bay ra ở anot là:
A. 0,64g Cu và 0,224 l O2 B. 0,64g Cu và 0,112 l O2 C. 0,32g Cu và 0,224 l O2 D. 0,32g Cu và 0,112 l O2
Bài 84. Khi điện phõn (cú màng ngăn) dung dịch hỗn hợp HCl, NaCl, CuCl2 thỡ thứ tự điện phõn là: CuCl2, HCl, NaCl. Nếu cho một ớt qựy tớm vào dung dịch rồi tiến hành điện phõn tới hết NaCl thỡ màu qựy tớm biến đổi từ
A. tớm đỏ xanh B. đỏ xanh tớm C. xanh đỏ tớm D. đỏ tớm xanh
Bài 85. Tiến hành điện phõn hoàn toàn dung dịch X (ở catot bắt đầu thoỏt ra H2) chứa hỗn hợp AgNO3 và Cu(NO3)2 thu được 56gam hỗn hợp kim loại ở catot và 4,48 lớt khớ ở anot (đktc). Tớnh số mol mỗi muối trong X?
A. 0,1 mol AgNO3 và 0,1 mol Cu(NO3)2 B. 0,2 mol AgNO3 và 0,1 mol Cu(NO3)2 C. 0,4 mol AgNO3 và 0,2 mol Cu(NO3)2 D. 0,3 mol AgNO3 và 0,3 mol Cu(NO3)2 B. Bài tập trắc nghiệm tự luận
* Bài tập viết sơ đồ và phương trỡnh điện phõn
Bài 86. Viết sơ đồ và phương trỡnh điện phõn cỏc muối sau: a. Điện phõn núng chảy BaOH2
b. Điện phõn dung dịch AgNO3, KBr.
Hướng dẫn a. Sơ đồ điện phõn:
Catot- Ba(OH)2 Ba2+ Ba2+ + 2e Ba +Anot OH- 4OH- O2 + 2H2O + 4e Phương trỡnh điện phõn: 2BaOH 2Ba + O2 + 2H2O b. AgNO3 Sơ đồ điện phõn: Catot- AgNO3 Ag+, H2O Ag+ + 1e Ag +Anot NO3 - ,H2O 2H2O 4H+ + O2 4e Phương trỡnh điện phõn: 4AgNO3+ 2H2O 4Ag + O2+ 4HNO3 - KBr Sơ đồ điện phõn: Catot- KBr K+, H2O 2H2O + 2e 2OH-+ H2 +Anot Br-, H2O 2Br- Br2 + 2e Phương trỡnh điện phõn: 2KBr + 2H2O2KOH + Br2 H2
Bài 87. Viết sơ đồ và phương trỡnh phản ứng xảy ra khi điện phõn dung dịch hỗn hợp CuSO4, NaBr . Trong quỏ trỡnh điện phõn, pH của dung dịch thay đổi như hế nào? Biết nồng độ mol của CuSO4, NaBr bằng nhau.
Hướng dẫn Catot- CuSO4, NaBr +Anot Na+, Cu2+, H2O SO42-,Br-, H2O
Cu2+ + 2e Cu 2Br-Br2 + 2e Phương trỡnh điện phõn:
CuSO4 + 2NaBr Cu + Br2 + Na2SO4 a/2 a
Vỡ nồng độ mol của 2 muối bằng nhau nờn trong dung dịch hỗn hợp, số mol của 2 muối phải bằng nhau. Gọi a là số mol của mỗi muối thỡ sau (1) cũn dư a/2 mol CuSO . Do muối CuSO
đpnc
CuSO4 + 2H2O CuOH + H2SO4
Trong quỏ trỡnh điện phõn dung dịch CuSO4 thỡ pH giảm dần do nồng độ H+ tăng dần. Tiếp đến nước bị điện phõn: 2H2O 2H2+ O2
Do nước cạn dần nờn nồng độ H+ tăng dần, do đú pH giảm dần nhưng giảm chậm do nước cạn đi chậm.
Bài 88. Cỏc phản ứng oxi húa và khử xảy ra ở cỏc điện cực cú giống nhau khụng nếu ta điện phõn dung dịch NiSO4 với
a. Cỏc điện cực trơ (Pt) b. Cỏc điện cực tan (Ni)
Hướng dẫn
Cỏc quỏ trỡnh khử ở catot giống nhau, cỏc quỏ trỡnh oxi húa ở anot là khỏc nhau. a. Điện cực trơ Sơ đồ điện phõn Catot (-) Ni2+, H2O Ni2+ +2e Ni NiSO4 (H2O) Anot (Pt) (+) SO4-, H2O 2H2OO2 +4H+ +4e Catot: tạo ra Ni kim loại
Anot: tạo ra khớ O2. b. Điện cực tan Sơ đồ điện phõn Catot (-) Ni2+, H2O Ni2+ +2e Ni NiSO4 (H2O) Anot (Pt) (+) SO4-, H2O Ni2+ +2e Ni * Bài tập điện phõn một chất điện phõn
Bài 89. Điện phõn 200ml dung dịch muối nitrat kim loại M húa trị I điện cực trơ cho đến khi trờn bề mặt catot xuất hiện bọt khớ thỡ ngừng điện phõn. Để trung hũa dung dịch sau điện phõn, phải dựng 250ml dung dịch NaOH 0,8M.
Mặt khỏc, nếu ngõm một thanh kẽm cú khối lượng 50g vào 200ml dung dịch muối nitrat kim loại núi trờn, phản ứng xong khối lượng thanh kẽm tăng thờm 30,2% so với khối lượng ban đầu.
a. Tớnh nồng độ mol/l của dung dịch muối nitrat trước điện phõn.
b. Tỡm cụng thức húa học của muối nitrat kim loại M. Hướng dẫn
Cỏc phương trỡnh phản ứng:
4MNO3+ 2H2O 4M + 2O2+ 4HNO3 (1) HNO3+NaOHNaNO3+H2O (2)
Zn+2MNO3 Zn(NO3) 2 +2M (3)
Số mol NaOH tham gia ở phản ứng (2): nNaOH = 0,8ì250=0,2(mol) Khối lượng thanh Zn tăng thờm là:
m=30,2ì50=15,1(g) a/ Nồng độ mol/l của dung dịch MNO3:
Theo (2) và (1): nNaOH = nHNO3 = nMNO3 = 0,2(mol) Nồng độ mol/l của dung dịch muối nitrat kim loại M là 1M
b/ Cụng thức húa học của nitrat kim loại M: Đặt X (g) là phõn tử khối của kim loại M.
0,2X - 6,5 = 15,1(g)X= 108g/mol. M là Ag Vậy cụng thức muối nitrat kim loại là AgNO3.
Bài 90. Điện phõn 50 ml dung dịch HNO3 cú pH = 5,0 với điện cực than chỡ trong 30 giờ, dũng điện 1A.
a. Viết nửa phản ứng tại cỏc điện cực và phương trỡnh húa học chung. b. Tớnh pH của dung dịch sau khi điện phõn.
c. Tớnh thể tớch dung dịch NaOH 0,0001 mol/l cần để trung hoà dung dịch sau khi điện phõn.
d. Hóy cho biết nờn dựng chất chỉ thị nào để xỏc định điểm dừng của phản ứng trung hoà. Coi khối lượng riờng của dung dịch HNO3 loóng là 1 g/ml.
Hướng dẫn
a. Nửa phản ứng oxi hoỏ ở anot: H2O 2 H+ + 1/2 O2 + 2e Nửa phản ứng khử ở catot: 2 H+ + 2 e H2
H2O H2 + 1/2 O2 b. Tớnh pH của dung dịch sau khi điện phõn
1000
nH2 =
2F 1,11917F
= 0,559585 0,56 mol Số mol nước bị điện phõn là 0,56 mol.
Khối lượng nước bị điện phõn: 0,56 mol 18 g/mol = 10,08 g Khối lượng dung dịch trước khi điện phõn là 50 g
Khối lượng dung dịch sau khi điện phõn là 50 10,08 = 39,92 (g) 40 (g) Thể tớch dung dịch sau khi điện phõn là: V = 40 ml = 0,04 (l)
Số mol HNO3 = 0,05 105 = 5. 107 (mol) CHNO3 = H+ = 04 , 0 10 . 5 5 = 1,25.105 M pH = lg H+ = lg (1,25.105) = 4,903 4,9 c. Phản ứng: NaOH + HNO3 NaNO3 + H2O
nNaOH = nHNO3 = 5. 107 mol Vdd NaOH = 4 7 10 10 . 5