1. Khái niệm
- Sựđiện phân quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch các chất điện li ; bao gồm điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch chất điện li trong nước ( điện phân dung dịch )
• Chú ý: trong điện phân có 2 loại điện phân là điện phân dung dịch và điện phân nóng chảy. Các em lưu ý không nên nhầm giữa 2 loại điện phân này, vì điện phân nóng chảy sử dụng chủ yếu để điện phân muối clorua của kim loại kiềm, kiềm thổ và Hidroxit, oxit của một số kim loại hoạt động mạnh. Còn điện phân dung dịch thường điện phân trong môi trường có dung môi và dung môi thường là H2O.
2. Các nguyên tắc trong điện phân
• Quy tắc chung:
- Trong bình điện phân : Anot là cực dương
và Catot là cực âm
- Tại catot xẩy ra quá trình khử: Cation nào có tính oxi hóa lớn nhất sẽ nhận electron của nguồn điện trước.
- Tại anot xẩy ra quá trình oxi hóa: Anion nào có tính khử lớn nhất sẽ nhường electron cho nguồn điện trước.
- Tổng số electron chất khử nhường ở anot bằng tổng số mol electron chất oxi hóa nhận ở
catot.
• Quy tắc khi điện phân dung dịch:
- Nếu ở Catot gồm các cation kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc Al3+.Thì dung môi nước
đóng vai trò chất oxi hóa, nhận e của nguồn
điện, còn các cation trên không bị điện phân trong dung dịch với điện cực trơ.
- Nếu ở catot gồm các cation kim loại từ
Zn → Pb thì có hai quá trình xẩy ra: Mn+ + ne → M (1)
2H2O + 2e à H2 + 2OH-(2)
Ở đây thì 2 quá trình này xảy ra đồng thời
CHUYÊN ĐỀ
ĐIỆN PHÂN
LÊ QUANG PHÁT
nhưng để dễ dàng trong việc tính toán thì ta thường chấp nhận quá trình (1).
- Nếu ở catot gồm các cation kim loại sau hidro: Cu2+, Ag+, Hg2+, Pt2+, Au3+ Thì chỉ duy nhất quá trình (2) xẩy ra.
- Nếu ở anot gồm các anion âm phía trước nhóm OH thì các anion đó sẽ nhường electron cho nguồn điện trước theo thứ tự ưu tiên từ
S2-đến Cl-
- Nếu đến anot gồm các anion gốc axit chứa oxi kể cả gốc florua thì các anion đó không nhường e cho nguồn điện mà dung môi nước đóng vai trò là chất khử theo quá trình. 2H2O - 4e à O2 + 4H+(3)
- Điện phân các dung dịch muối axit vô cơ
có chứa oxi kể cả muối florua của các cation kim loại đứng trước Zn trong dãy điện hóa với điện cực trơ thực chất là điện phân nước. - Điện phân các dung dịch muối của các axit vô cơ có chứa oxi kể cả muối florua với các cation kim loại đứng sau Al trong dãy
điện hóa với điện cực trơ thì sẽ thu được kim loại ở canot và khí O2 thoát ra ở anot đồng thời trong dung dịch thu được có chứa axit tương ứng.
- Điện phân dung dịch các axit vô cơ có chứa oxi kể axit flohidric với điện cực trơ
thực chất là điện phân nước.
- Điện phân dung dịch các bazơ của kim loại kiềm và kiềm thổ thực chất là điện phân nước.
3. Định luật Faraday
Với: m: khối lượng chất thoát ra ở điện cực( gam)
A: khối lượng mol chất tương ứng I: cường độ dòng điện
n : số electron trao đổi, ne: tổng số mol e nhường hoặc nhận T: thời gian điện phân F=96500: hằng số Faraday • Chú ý: Định luật Faraday được áp dụng để giải quyết hầu hết các bài tập về điện phân.vì vậy mà các em phải nắm vững và hiểu rõ bản chất của định luật. II. Một số bài tập áp dụng
Ví dụ 1: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4
dùng hai điện cực trơ và dòng điện 1 chiều cường độ I = 1A đến khi ở catot bắt đầu có bọt khí thoát ra thì dừng lại. Dung dịch sau
điện phân có pH =1. Biết hiệu suất phản ứng
điện phân là 100%. Tính thời gian điện phân và nồng độ mol của dung dịch CuSO4.
- Phân tích bài toán: đây là bài toán điện phân dung dịch 1 chất. ởđây bài toán chỉ cho biết dung dịch sau điện phân có pH=1 ⇒ dung dịch sau điện phân chứa H+. H+ởđây do
đâu mà ra, thì ở đây chính là do điện phân dung dịch CuSO4 tạo thành. Bài này chỉ cần áp dụng công thức Faraday là sẽ ra.
- Hướng dẫn giải: pH=1 ⇒ [H+] = 0,1 M m = . . . A I t n F hay ne= I t. F 26
⇒ n H+ = 0,01 mol Các quá trình điện phân: Catot : Cu2+ + 2e → Cu 0,005…….0,01 Anot: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e 0,01 → 0,01 Theo CT Faraday thì: t= . . . m n F A I = . e. n n F I . Ta có: n.ne = tổng số mol e trao đổi ⇒ t= n F. I = 0, 01.96500 1 = 965s ⇒ [CuSO4 ] = 0, 005 0,1 = 0,05 M - Kết luận: với những bài đơn giản như thế này chúng ta chỉ cần áp dụng công thức Faraday và phương pháp bảo toàn mol e. ở đây, trong công thức Faraday các em chỉ lưu ý 1 điều là: ∑ne= n.ne với n: số mol chất tạo ra ởđiện cực và ne là số e trao đổi.
Ví dụ 2: Điện phân dung dịch chứa 0,02 mol FeSO4 và 0,06 mol HCl với I = 1,34A trong 2h (điện cực trơ, màng ngăn). Bỏ qua sự hòa tan của khí clo trong nước, coi hiệu suất điện phân là 100%. Tính khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (đktc) thoát ra
ở anot?
- Phân tích bài toán: trước tiên nhìn vào bài toán thấy đây là bài toán điện phân dung dịch hỗn hợp. ở đây là điện phân hỗn hợp FeSO4 và HCl. Chú ý rằng đây là điện phân hỗn hợp nên không thể viết phương trình điện phân từng chất mà phải là điện phân 2 chất cùng lúc. - Hướng dẫn giải: Tổng số mol e trao đổi = I t. F = 0,1 mol. Quá trình điện phân: Catot Anot Fe2+ 2e → Fe 2Cl- -2e → Cl2 0,02 0,04 0,02 0,06 0,06 0,03
Vì ởđây tổng số mol e trao đổi phải là 0,1 mà
ở 2 cực mới chỉ có tối đa là 0,06 mol e trao
đổi ở anot nên H2O phải điện phân ở cả 2 cực.
⇒ 2H2O à 4H+ + O2 + 4e
0,01 0,04
⇒ mFe = 0,02*56 = 1,12(g) và V khí = 0,04*22,4 = 0,896 mol
- Kết luận: các em lưu ý trong bài toán
điện phân dung dịch hh các chất thì phải chú ý là tổng số mol e trao đổi ở 2 cực phải bằng nhau và chú ý xem là tổng số mol e trao đổi mà bài cho có bằng với theo pt không, nếu không bằng thì H2O sẽ bịđiện phân ở các cực như bài trên.
VD3: Mắc nối tiếp 2 bình điện phân : bình (1) chứa dung dịch MCl2 và bình (2) chứa dung dịch AgNO3. Sau 3 phút 13 giây thì ở catôt bình (1) thu được 1,6 gam kim loại còn ở
catôt bình (2) thu được 5,4 gam kim loại. Cả
hai bình đều không thấy khí ở catôt thoát ra.
Xác định kim loại M?
- Phân tích bài toán: đây là bài toán điện phân dung dịch ở 2 bình điện phân khác nhau. Khi mắc nối tiếp nhau thì cường độ dòng điện
ở 2 bình điện phân là như nhau. Ởđây bài cho không có khí thoát ra ở catot nên chứng tỏ 1
điều rằng H2O chưa bịđiện phân ở catot. - Hướng dẫn giải: Ở bình 2: n Ag = 0,05 mol ⇒ I = n n F. .e. t = 25A ⇒ Bình 1 : I = 25A.ta có: tổng số mol e = I t. F = 0,05 mol ⇒ n MCl2 = 0,025mol ⇒ M M = 1, 6 0, 025 = 64 (Cu)
- Kết luận: khi gặp bài toán bình điện phân mắc nối tiếp thì lưu ý rằng cường độ dòng
điện trong các bình là như nhau.
Ví dụ 4: Sau một thời gian điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 ( d = 1,25 g/ml) với điện cực graphit (than chì) thấy khối lượng dung dịch giảm 8 gam. Để làm kết tủa hết ion Cu2+ còn lại trong dung dịch sau điện phân cần dùng 100 ml dung dịch H2S 0,5 M. Nồng
độ phần trăm của dung dịch CuSO4 ban đầu?
- Phân tích bài toán: ở đây khối lượng dung dịch giảm chính là khối lượng O2 và Cu. - Hướng dẫn giải: nH2S= 0,05 mol Phương trình điện phân: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4 x x x/2 Cu2+ + S2- → CuS 0,05 0,05 ⇒ 64x + 16x = 8 ⇒ x = 0,05 mol
⇒ Tổng số mol CuSO4 ban đầu = 0,1 mol ⇒ [CuSO4] = 0,1
0, 2 = 0,5 M