II. Hệ thống câu hỏi và bài tập về phản ứng oxi hóa khử nhằm phát huy năng lực nhận thức và tư duy cho học sinh.
b. Phản ứng oxi hóa khử có nguyờn tè thay đổi nhiều nấc.
3.3.4. Bài toán điện phân Dạng : Lí thuyết điện phân
Dạng : Lí thuyết điện phân
Ion Na+ có tồn tại hay không, nếu ta thực hiện các pư hóa học sau: a) NaOH tác dụng với dd HCl. b) với dd CuCl2
c) Phân hủy NaHCO3 bằng nhiệt. d) điện phân NaOH nóng chảy e) Điện phân dd NaOH. g) điện phân NaCl nóng chảy.
Giải thích các câu hỏi và viết phương trình hóa học minh họa. Hướng dẫn:
Mục đích của bài tập này nhằm kiểm tra kiến thức về pư điện phân nhưng để giải quyết được nội dung kiến thức đó hs phải biết so sánh các cặp oxh - k khác nhau trong từng trường hợp điện phân để thấy được trường hợp nào ion Na+ bị khử thành Na kim loại. Mặt khác hs còn phải xét được trong 4 pư có 1 pư không phải pư oxh - k. Tuy nhiên những kiến thức đưa ra để lý giải trường hợp d, g, (ion Na+) bị khử, trường hợp còn lại ion Na+ không bị khử (tồn tại), chủ yếu là áp đặt hs phải công nhận vấn đề sẽ được giải quyết một cách khoa học, chặt chẽ khi hs được trang bị kiến thức cề thế điện cực. Bờn cạnh đó bài tập này yêu cầu hs phải so sánh được các cặp oxh - k trong quá trình điện phân. Xét đối với dd NaOH:
* Tại Catot: Na+, H+ (H2O) ta có tính oxh của H+ > Na+ (trong dd Na+
không tham gia điện phân) nên quá trình khử ở đây thực hiện đối với H+.
* Tại Anot: OH-, Cl- thỡ tính khử của Cl- > OH-. Nên Cl- sẽ bị oxi hóa. Hs phải phân biệt được pư oxh -khử với pư trao đổi thông qua sù thay đổi soh trong các vớ dô trên.
Hs phải phân biệt được sự điện ly với điện phân.
Bài 113[47 tr 25]:Viết các phương trình pư điện phân nóng chảy các chất sau:
a) MCl2, MxOy, M(OH)x, trong đó M là kim loại. b) Viết các phương trình pư điện phân các dd sau:
CuSO4, BaCl2 (có và không có vách ngăn). Mục đích của đề :
Yêu cầu hs viết phương trình pư điện phân của các chất.
Bài 114: [51 tr 103]: Khi điện phân có màng ngăn dd gồm NaCl, HCl. Sau từng thời gian xác định, người ta thấy các trường hợp sau đối với dd thu được sau pư :
a) Làm đỏ quỳ tím b) Không làm đổi màu quỳ tím c) Làm xanh quỳ tím. Hãy giải thích quá trình điện phân xảy ra trong mỗi trường hợp trên. Viết các phương trình pư .
Bài 115: [51 tr 103][47 tr 26] Nêu nguyên tắc chung cho trường hợp: a) Điện phân dd muối thu được dd kiềm
b) Điện phân dd muối để thu được dd axit
c) Điện phân để không thu được dd axit còng nh bazơ. d) Điện phân dd muối chỉ là điện phân nước.
Điện phân có cho thứ tự cặp oxh - k Bài 116:[51 tr 103][12 đề 96]
Viết quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực khi điện phân dd chứa: FeCl3, CuCl2, NaCl có màng ngăn. Biết thứ tự thế điện cực:
Fe3+/Fe2+ > Cu2+/Cu> Fe2+/Fe > H2O /H2> Na+/Na.
* Mục đích của đề: Giúp hs vận dụng kỹ năng viết phương trình điện phân, xét ion nào bị điện phân trước ở anot, catot.
Đây là dạng bài tập điện phân phổ biến dùa vào dãy điện hóa và thứ tự tính khử của các ion có thể có một loạt các bài tập tương tù.
Với hs khá và giỏi có thể đưa thờm cỏc giá trị định lượng để hs biện luận các khả năng xảy ra, hoặc hỏi thêm về sự biến đổi pH của dd trong quá trình điện phân (phát triển huy lực nhận thức và tư duy cho hs :khả năng suy luận, phân tích tổng hợp…)
* Ta có thể xem thêm ở [12, đề 99].
Bài 117: Cho các pư xảy ra tại theo thứ tự tại catụt của một bình điện phân:
(I) Fe3++1e → Fe2+ (II)Cu2++ 2e→Cu. (III)2H+ + 2e →H2. (IV). Fe2++ 2e → Fe. Bình điện phân lúc đầu có những ion nào: Phân tích: (bài này hơi ngược hơn so với các bài khác là cho pư yêu cầu xác định chất tham gia điện phân )
Đỏp sè: Có thể (Fe3+, Cu2+và H+) hoặc (Fe3+, Fe2+, Cu2+ và H+)
Bài 118: Điện phân CaCl2 được chất rắn A và khí B. Cho A tác dụng với H2O được khí C và dd D. Thu khí B và khí C pư với nhau lấy sản phẩm hòa tan hoàn toàn trong nước được dd E. Cho một mẩu quỳ tím vào dd E quan sát sự thay đổi
màu của quỳ tím. Cho toàn bộ D vào dd E thì màu của giấy quỳ tím thay đổi như thế nào? Viết các phương trình pư biết rằng các pư xảy ra hoàn toàn.
Đs: A: Ca. B: Cl2; D: Ca(OH)2; C: H2; E: HCl Giấy quỳ từ màu tím chuyển sang đỏ sau đó lại chuyển về màu tím.
Điện phân nóng chảy
Bài 119: Điện phân nóng chảy a g một muối A tạo bởi kim loại M và phi kim hóa trị 1 (X) thu được 0,896 l khí nguyên chất (ở đktc). Hòa tan a g muối vào 100 ml dd HCl 1M rồi cho tác dụng với dd AgNO3 dư thu được 5,83 g kết tủa. Xác định phi kim của muối A.
Hướng dẫn:
Kí hiệu M, X lần lượt là khối lượng nguyên tử của kim loại M và phi kim X, n là hóa trị của kim loại.
MXn dp nc. →M + n/2 Cl2 (1)
x mol x mol xn/2 mol
MXn + nAgNO3 → M(NO3)n + nAgX (2)
x mol nx mol
HCl + AgNO3 → AgCl + HNO3(3)
0,1.1= 0,1 0,1
Khối lượng kết tủa AgX là: 25,83 – (0,1.143,5) = 11,48 g
nx/2 có trong muối A: 0,896/22,4 = 0,04 mol =nx/2 → nx = 0,08 n(AgX) thu được (phương trình 2) = 0,08 = nx
MAgX = 11,48/0,08 = 143,5 → X = 143,5 -108 = 35,5 → X là Cl
Điện phân dd.
- Bài tập viết phương trình pư điện phân dd: Trong dạng bài tập này hs phải so sánh thế của các cặp oxh - k với thế của nước (H2O) để xem H2O bị điện phân hay các ion trong dd điện phân ở các điện cực theo nguyên tắc: Thế điện cực của dạng oxh càng cao và thế điện cực của dạng khử càng thấp thì càng dễ điện phân và điện phân trước.
Bài 120: Điện phân 400 ml dd CuSO4 0,2 M với cường độ 10A trong thời gian t, thấy có 224 ml khí (đktc) thoát ra ở anụt. Biết rằng điện cực trơ và hiệu suất điện phân là 100%. Xác định khối lượng kim loại tạo ra ở ca tụt và thời gian điện phân
* Mục đích của bài:
Yêu cầu hs viết phương trình pư điện phân của CuSO4, áp dụng định luật Faraday tính khối lượng kim loại tạo ra, tính thời gian điện phân.
Hướng dẫn: nO2 = 0,01 mol CuSO4 + H2O dp dd. → Cu + H2SO4 + 1/2 O2 0,02 0,02 0,02 0,01 a) mcatot tăng: 0,02.64 = 1,28 g. b) Cu2+ + 2e → Cu 0,02 0,04 0,02mol t = 0,04.96500/10 = 386 giây = 6 phót 26 giây.
Bài 121: [51 tr 103] .-[ Đề 25 (cò)]: Điện phân 200 ml dd NaCl 2M (d=1,1 g/ml)
với điện cực bằng than, có màng ngăn xốp và dd luôn được khuấy đều. Khi ở catụt thoát ra 22,4 l ở 200Cvà 1atm thì ngừng điện phân. Xác định nồng độ các chất trong dd sau điện phân.
* Mục đích của bài: Yêu cầu hs viết phương trình pư điện phân dd NaCl, tính khối lượng và nồng độ các chất sau điện phân.
Đs: C% NaOH = 8,32 %
Bài 122: Điện phân 0,5 lit dd muối MCla(điện cực trơ), khi thu được 16 g kim loại M bên catot thì đồng thời có 5,6 lit khí Cl2 (đktc) bay ra ở anot. Xác định kim loại M
Mục đích: Yêu cầu hs viết phương trình điện phân, căn cứ phương trình điện phân để xác định công thức muối chưa biết.
Đs: M là Cu
* Bài 123: [12 tr 53] [56 tr 86]
Có 200 ml dd CuSO4 (d =1,25) (dd A). Sau khi điện phân dd A, khối lượng của dd giảm đi 8 g. Mặt khác để làm kết tủa hết lượng CuSO4 còn lại chưa bị điện phân phải dùng hết 1,12 lít H2S (ở đktc). Xác định nồng độ % và nồng độ M của dd CuSO4 trước khi điện phân.
Hướng dẫn:
Đs: CM = 0,15/0,2 = 0,75 M, C% =160.0,15200.1, 25 .100% = 96%
Bài 124: [12, đề 2002 – 2003] Điện phân 50 ml dd HNO3 có pH = 5,0 với điện cực than chì trong 30 giê dòng điện 1A.
1. Viết nửa pư tại các điện cực và phương trình pư chung. 2. Tính pH của dd sau khi điện phân.
3. Tính thể tích dd NaOH 0,0001 M cần để trung hoà dd sau khi điện phân. 4. Hãy cho biết nờn dựng chất chỉ thị nào để xác định điểm dừng của pư trung hoà. Coi khối lượng riêng của dd HNO3 loãng là 1g/ml.
* Mục đích của đề: Giúp hs được củng cố kiến thức và kỹ năng về phần điện phân: viết phương trình pư , tính pH của dd thể tích dd sau điện phân, kết hợp với khoảng chuyển màu của chất chỉ thị.
Dạng:điện phân dương cực tan
Bài 125: Viết phương trình pư xảy ra tại các điện cực khi điện phân dd CuSO4 với anụt làm bằng Cu, Ag, Pt.
Hướng dẫn: Catot(-) Cu2++2e→Cu
Anot(+) Điện cực Cu: Cu → Cu2++2e Điện cực Ag: Ag →Ag++e
Điện cực Pt: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bài 126: [13, đề 2001 – 2002] Điện phân 200ml dd AgNO3 với điện cực đồng. Sau một thời gian 2 giê bằng dòng điện một chiều cường độ dòng điện I bằng 4,02A với hiệu suất dòng điện là 80%, thấy khối lượng dd giảm đi 12,16 gam so với trước.
Tính nồng độ dd AgNO3 ban đầu?
* Mục đích của đề: Viết được phương trình điện phân của dd với anot tan, dùa vào biểu thức của định luật Faraday tính thời gian điện phân, nồng độ dd (AgNO3).
Đs: AgNO3 ban đầu = 0,16/0,2 = 0,8 M.
* Bài 127: [47 tr 26] [23 ĐÒ 14]: a) Viết phương trình pư điện phân xảy ra khi điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) dd chứa a mol CuSO4 và b mol NaCl trong 3 trường hợp sau: b = 2a. b < 2a. và b > 2a
b) Viết sơ đồ điện phân hỗn hợp CuCl2, HCl, NaCl. Nêu sự thay đổi pH của dd.
Hướng dẫn:
a) Trong dd cú các chất NaCl, CuSO4, H2O. * Khi b = 2a:Ta có phương trình pư điện phân
CuSO4 + 2NaCl → Cu + Cl2 + Na2SO4 (1) Sau đó nước bị điện phân:
2H2O →dp 2H2 + O2
* Khi b < 2a:
Sau pư (1) trong dd còn dư CuSO4 nờn nó bị điện phân: 2CuSO4 + H2O →2Cu + O2 + 2H2SO4
Trong dd có Na2SO4, H2O, H2SO4 sau đó:
2H2O →dp 2H2 + O2
* Khi b > 2a: Sau pư (1) trong dd còn dư NaCl nên dd NaCl bị điện phân với màng ngăn xốp:
2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaOH sau đó: 2H2O →dp 2H2 + O2
b)Khi chưa có dòng điện, dd gồmCu2+,Na+, Cl-, H+, H2O, khi có dòng điện chạy qua:
Trước tiên Cu2++ 2Cl- dpdd→Cu + Cl2 (pH của dd không đổi).
Tiếp đến: 2H++ 2Cl- dpdd→H2 + Cl2 (pH dd tăng dần đến 7 (do [H+] giảm) Sau đó 2Cl- + 2H2O dpdd→Cl2 +H2 +2OH- (pH của dd > 7 (do [OH-] tăng)
Khi NaOH điện phân hết thì H2O bị điện phân
2H2O →dp 2H2 +O2 (pH của dd > 7 và tăng dần).
Bài 128: [47 tr 88][23 đÒ 19]: Tiến hành điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp)
mét dd chứa m (g) hỗn hợp CuSO4 và NaCl cho tới khi H2O bắt đầu bị điện phân ở cả hai điện cực thì dừng lại. Ở anụt thu được 0,448 lit khí (đktc). Dd sau điện phân có thể hòa tan tèi đa 0,68 g Al2O3.
1.Tính khối lượng của m.
3. Khối lượng dd giảm trong quá trình điện phân .
Thông qua các bài tập suy luận trong nhiÒu thể loại khác nhau, hs có hệ thống lý thuyết được củng cố vững vàng hơn, tạo tư duy sâu hơn, đọng lại trong đầu tiến trình luận giải các thể loại, đây là khâu nền tảng để tháo gỡ từng mắt xích trong hệ thông bài tập hỗn hợp.
Điện phân hỗn hợp 2 kim loại. Bài 129: [56 tr 93] ( 2. 0,804 = 4. 0,402)
Có 200 ml dd Cu(NO3)2 và AgNO3. Để điện phân hết các ion kim loại trong dd cần dùng I = 0,402 A, t = 4 h. Giả thiết h = 100%. Tính nồng độ mol của các muối nitrat trong dd ban đầu, biết rằng khối lượng các kim loại thoát ra ở catot là 3,44 g.
Mục đích của bài:
Yêu cầu hs viết các phương trình pư điện phân, áp dụng công
thức của định luật Faraday tính thời gian điện phân, nồng độ mol của các muối. Hướng dẫn giải: (có 2 cách)
Cách 1: + Xét xem ion nào điện phân trước, viết phương trình pư điện phân dd
Gọi a, b : nồng độ mol ban đầu của AgNO3, Cu(NO3)2
Do ion Ag+ có tính oxh mạnh hơn Cu2+ nên AgNO3 bị điện phân trước rồi đến Cu(NO3)2
2AgNO3 + 2H2O dpdd→2Ag↓ + 2HNO3 + O2↑
0,2 a 0,2a
Cu(NO3)2 + 2H2O dpdd→Cu↓ + 2HNO3 + O2↑ 0,2b 0,2 b
+Lập phương trình đại sè: Theo 3,44 g kim loại 108.0,2a + 64.0,2 b = 3,44 (I)
+Tính thời gian t1để điện phân hết ion Ag+, t2 để điện phân hết ion Cu2+
t1 = 1 1 1 . . 0, 2 .96500.1 24004,975. ( ) . 0, 402 m n F a a s A I = = và t2 = 48009,95 b(s) Ta có 24004,975a + 48009,95b = 7200 (II) +Giải (I) và (II)) tìm được a = b = 0,1 M
Cách 2 + Tính điện lượng:Q = It = 0,402. 4.A.h = 1,068A.h Ta có quá trình khử kim loại
Cu2+ + 2e→Cu và Ag+ + e→Ag
+ Sè mol (e) đã di chuyển :ne = Q/26,8 = 1,608/26,8 = 0,06 mol. +Gọi sè mol Cu2+, Ag+ là a, b ta có
2a + b= 0,06 và 64a + 108b = 3,44 từ đó →a = b = 0,02 Nồng độ ban đầu: AgNO3 = 0,1 M và Cu(NO3)2 = 0,1 M
Bài 130:[47 tr 27][Đề thi ĐHSP II 1997]
Tiến hành điện phân dd hỗn hợp gồm HCl 0,01M + CuCl20,1M +
NaCl 0,1 M (điện cực trơ, có màng ngăn xốp). Vẽ đồ thị biểu diễn sự biến thiên pH của dd theo quá trình điện phân.
Hướng dẫn:
H2O ƒ H+ + OH- HCl → H+ + Cl-
CuCl2 → Cu2+ + 2Cl- NaCl → Na+ + Cl-
(dd điện phân)
CH+ = CHCl = 0,01 M → pH = -lgCH+ = 2
* Catot (-): H+, Cu2+, Na+. Thứ tự điện phân Cu2+> H+ còn Na+ không điện phân Cu2++ 2e→ Cu Tiếp đến: 2H+ + 2e → H2
* Anot (+): OH-, Cl-. Thứ tự điện phân Cl- > OH-
2Cl- → Cl2 + 2e Tiếp đến: 2OH-→ ẵ O2 + H2O +2e Phương trình điện phân tổng quát:
+ Mới đầu:
CuCl2 dpdd→Cu + Cl2 (1) Xong (1) xảy ra tiếp:
2HCl dpdd→ H2 + Cl2 (2) Xong (2) xảy ra tiếp:
2NaCl + 2HOH dp ddmn x→H2 + Cl2 + 2NaOH (3)
a) Từ bắt đầu điện phân đến (1) vừa xong: pH dd thực tế không đổi (pH = 2). Vì nồng độ HCl không đổi.
c) Khi (2) vừa xong, trong dd chỉ có NaCl, pH = 7.
d) Khi (3) xảy ra, nồng độ NaOH tăng dần, pH tăng 7< pH < 14 + lg10-1 =13 (thể tích dd xem không đổi).
e) Khi (3) vừa xong, dd chỉ có NaOH 0,1 M nên pOH- = -lg0,1 =1 →pH = 14-1 = 13.
f) pư (3) xong, nếu tiếp tục điện phân thì chỉ H2O được điện phân, lượng NaOH không đổi nhưng H2O mất dần nên pH hơi tăng.
Bài 131: Có hai bình điện phân đặt nối tiếp nhau. Bình 1 chứa V lít dd CuCl2 có nồng độ 2x mol/l. Bình 2 chứa 2V lít dd AgNO3 có nồng độ x mol/l. Thực hiện sự điện phân với điện cực trơ trong thời gian 50 phót, I =1,94A.Trộn 2 dd sau khi điện phân có 0,08 mol ion Cl-. Xác định nồng độ mol/l của dd ban đầu.
Mục đích của bài: Yêu cầu hs viết phương trình pư điện phân, áp dụng biểu thức định luật Faraday xác định nồng độ chất trong dd (chó ý khi bình điện phân nối tiếp thì thời gian điện phân là như nhau).
Hướng dẫn:
nCuCl2 = nAgNO3 = V.2x = 2V.x = a, nCu2+ = a → nCl-= 2a nAg+= a Sau khi điện phân: mCu = 64.50.60.1,93
96500.2 = 1,92 g hay 0,03 mol Cu mAg = 108.50.60.1,93
96500.1 = 6,48 g hay 0,06 mol Ag Sè mol các ion còn lại: (nCu2+: a - 0,03, n : 2a - 0,06Cl- ,nAg+: a - 0,06) Khi trộn: Ag+ + Cl-→ AgCl ta có:(2a -0,06) –(a -0,06) = 0,08 → a = 0,08. CM (CuCl2) = 2x = V 08 , 0 mol/l CM (AgNO3) = x = V 04 , 0 mol/l
Bài 132[47 tr 31]: Mắc song song 3 bình điện phân A, B, C đựng 3 dd tương ứng
CuCl2, XSO4, AgNO3. Sau một thời gian điện phân thấy khối lượng kim loại thoát ra trên catot C nhiều hơn catot A 1,0698 g và khối lượng kim loại thoát ra trên catot B nhiều hơn A 0,1353 g.
Tính khối lượng nguyên tử X? Biết tỷ lệ cường độ dòng điện đi vào 3 bình điện phân A, B, C tương ứng là 3: 5:4.
Hướng dẫn:
Bình A: CuCl2 →Dp dd. Cu +Cl2↑
Bình B: XSO4 + H2O →Dp dd. X + H2SO4 +1/2 O2 ↑ Bình C: 2AgNO3 + H2O →Dp dd. 2Ag +2HNO3+ 1/2 O2↑
Số đương lượng gam điện húa các kim loại thoỏt trờn điện cực tỉ lệ thuận