luyện thi đại học môn hóa chuyên đề điên phân

Định nghĩa Điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li ở trạng thái nóng chảy.. 2Na

Trang 1

BÀI 3 : SỰ ĐIỆN PHÂN

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I Định nghĩa

Điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li ở trạng thái nóng chảy

Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học

Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy điều chế Na

2NaCl ñpnc→ 2Na + Cl2↑

● Điện cực: Là thanh kim loại hoặc các vật dẫn điện khác như cacbon (graphit), nhờ nó các electron

chuyển từ dung dịch trong bình điện phân vào mạch điện hoặc ngược lại, chuyển từ mạch điện vào dung dịch

+ Điện cực nối với cực âm (−) của nguồn điện được gọi là catot - cực âm

+ Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là anot - cực dương

● Điện cực trơ : Là điện cực chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, không tham gia cho nhận electron (oxi hoá - khử) trong quá trình điện phân Đó là điện cực platin (Pt), cacbon (graphit)

● Trên bề mặt catot, cation của chất điện li đến nhận electron

(tổng quát: Chất oxi hoá đến nhận electron)

Xét ví dụ trên: Na+ + 1e → Na

Vậy trên catot xảy ra sự khử, có sự chuyển electron từ điện cực đến cation chất điện li

● Trên bề mặt anot, anion của chất điện li đến nhường electron

(tổng quát: Chất khử nhường electron)

Cũng xét ví dụ trên : 2Cl− → Cl2 + 2e

Vậy trên anot xảy ra sự oxi hoá, có sự chuyển electron từ anion của chất điện li tới bề mặt điện cực

II Sự điện phân chất điện li

1 Điện phân nóng chảy

Điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm và một số phi kim như F2

Ví dụ 1 : Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al

Al2O3 →to 2Al3+ + 3O

2-Ở catot (cực âm) : 4Al3+ + 12e → 4Al (1)

Ở anot (cực dương) : 6O2- → 3O2 + 12e (2)

2Al2O3 ñpnc→ 4Al + 3O2 (3) (1), (2) là các phản ứng xảy ra trên bề mặt các điện cực, (3) là phản ứng điện phân tổng quát

Không thể điện phân nóng chảy AlCl 3 vì đó là hợp chất cộng hóa trị, ở nhiệt độ cao nó không nóng chảy thành ion mà thăng hoa

Ví dụ 2 : Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg

MgCl2

o t

→ Mg2+ + 2Cl-

Ở catot : Mg2+ + 2e → Mg

Ở anot : 2Cl-→ Cl2↑ + 2e

MgCl2 ñpnc→ Mg + Cl2

Ví dụ 3 : Điện phân nóng chảy NaOH

Trang 2

Biên soạn : Thầy giáo Tăng Văn Y – THPT Lục Nam và Thầy giáo Nguyễn Minh Tuấn – THPT Chuyên Hùng Vương

NaOH → Na+ + OH-

Ở catot : 2Na+ + 2e → 2Na

Ở anot : 2OH- → 1

2O2↑ + H2O + 2e 2NaOH ñpnc→ Na + 1

2O2 + H2O

2 Điện phân dung dịch chất điện li

a Nguyên tắc: Khi điện phân dung dịch nước, ngoài các ion của chất điện li còn có thể có các ion H+ và ion

OH− của nước và bản thân kim loại làm điện cực tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực Khi đó quá

trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào tính oxi hoá - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình

điện phân Ta xét trường hợp điện phân dung dịch với điện cực trơ

● Thứ tự khử ở catot :

Nói chung, nếu kim loại có tính khử càng yếu thì cation kim loại có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị

khử

+ Khi điện phân dung dịch nước, thường những kim loại nào đứng sau nhôm sẽ thoát ra trên catot:

Mn+ + ne → M

+ Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có cation của kim loại có tính khử mạnh (từ K+ đến Al3+),

những cation này là những chất oxi hoá yếu, chúng khó bị khử hơn các phân tử nước Khi đó, ở catot xảy ra

sự khử các phân tử nước thành khí hiđro và ion OH−:

2H2O € 2H+ + 2OH−

2H+ + 2e → H2↑

2H2O + 2e → H2↑ + 2OH−

- Thứ tự khử tại catot (cực âm) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ phải qua trái :

Xét các cation

● Thứ tự oxi hoá ở anot:

Nói chung, những phi kim có tính oxi hoá càng yếu thì anion của nó có tính khử càng mạnh và càng dễ bị

oxi hoá

Thường khi điện phân dung dịch nước, thứ tự phóng điện (điện phân) của các anion như sau :

+ Nếu trong dung dịch chất điện li có anion gốc axit không có oxi (S2−, I−, Br−, Cl− ) Những ion

này dễ bị oxi hoá hơn so với phân tử nước Thực tế trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các ion này thành nguyên

tử (phân tử) tự do: S2− → S + 2e

2X− → X2 + 2e + Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có anion gốc axit có oxi (SO42−, NO

3 −, ClO

4 − ), những anion này khó bị oxi hoá hơn các phân tử nước Do vậy trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các phân tử nước tạo ra khí

oxi và ion H+: 4H2O € 4H+ + 4OH−

4OH− → O2↑ + 2H2O + 4e

2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

K+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ … H+ Cu2+ Fe3+ Ag+

Các ion không bị điện phân

trong dung dịch

Các ion bị điện phân trong dung dịch

H2O

Trang 3

- Thứ tự oxi hóa tại anot (cực dương) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải :

Xét các anion

- Các ion tiêu biểu: Cation Na+ Cu2+ H+

Anion OH− Cl− SO42−

- Các chất tiêu biểu : CuCl2 , CuSO4 , NaCl , NaOH , H2SO4 , Na2SO4

b Các trường hợp cụ thể:

● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr ) với các kim loại từ sau nhôm

Ví dụ: + Điện phân dung dịch CuCl2

CuCl2 → Cu2+ + 2Cl−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 1× Cu2+ + 2e → Cu↓

Tại anot (+): 1× 2Cl− → Cl2↑ + 2e

Phương trình ion: Cu2+ + 2Cl− ñpdd→ Cu↓ + Cl2↑

(catot) (anot)

Phương trình phân tử : CuCl2 ñpdd→ Cu↓ + Cl2↑

● Điện phân dung dịch muối của axit có oxi (H2SO4, HNO3 ) với các kim loại từ sau nhôm

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4 , điện cực trơ

CuCl2 → Cu2+ + 2Cl−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 2× Cu2+ + 2e → Cu↓

Tại anot (+): 1× 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

Phương trình ion : 2Cu2+ + 2H2O ñpdd→ 2Cu↓ + O2↑ + 4H+

(catot) (anot)

Phương trình phân tử: 2CuSO4 + 2H2O ñpdd→ 2Cu↓ + O2↑ + 2H2SO4

● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr ) với các kim loại từ nhôm trở về trước

(Al3+, Mg2+, Na+, Ca2+, K+)

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn

NaCl → Na+ + Cl−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 1× 2H2O + 2e → H2↑ + 2OH−

Tại anot (+): 1× 2Cl− → Cl2↑ + 2e

Phương trình ion : 2Cl− + 2H2O ñpdd→ 2OH− + H2↑ + Cl2↑

3 −, ClO

4 −

Các ion bị điện phân trong dung dịch

S2- →S + 2e 2X− → X2 + 2e

Các ion không bị điện phân trong dung dịch 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

(Anot tan)

4OH−→ O2↑+ 2H2O + 4e

M → Mn+ + ne

Trang 4

Phương trình phân tử : 2NaCl + 2H2O →đpdd có màng ngăn 2NaOH + H2↑ + Cl2↑

(catot) (anot)

Nếu khơng cĩ màng ngăn, Cl2 sinh ra sẽ tác dụng với NaOH tạo thành nước Gia-ven :

2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O

● Điện phân nước:

+ Điện phân dung dịch kiềm (NaOH, KOH ):

NaOH → Na+ + OH−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 2× 2H2O + 2e → H2↑ + 2OH−

Tại anot (+): 1× 4OH− → O2↑ + 2H2O + 4e

Phương trình điện phân: 2H2O đpdd→ 2H2↑ + O2↑ (catot) (anot)

+ Điện phân dung dịch các axit cĩ oxi (ví dụ H2SO4 lỗng ):

H2SO4 → 2H+ + SO42−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 2× 2H+ + 2e → H2↑

Tại anot (+): 1× 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

Phương trình điện phân: 2H2O đpdd→ 2H2↑ + O2↑ (catot) (anot)

● Điện phân dung dịch muối của các axit cĩ oxi (H2SO4, HClO4 ) với các kim loại từ nhơm trở về trước (K+, Na+, Ca2+ ):

Ví dụ: Điện phân dung dịch Na2SO4:

Na2SO4 → 2Na+ + SO42−

H2O € H+ + OH−

Tại catot (−): 2× 2H2O + 2e → H2↑ + 2OH−

Tại anot (+): 1× 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

Phương trình ion: 2H2O đpdd→ 2H2↑ + O2↑ (catot) (anot)

(Trong quá trình điện phân, nồng độ ion H 3 O + ở khu vực anot tăng và nồng độ OH− tăng ở khu vực catot Do đĩ, ở khu vực anot cĩ phản ứng axit cịn ở khu vực catot cĩ phản ứng kiềm)

Nhận xét : Trong các trường hợp điện phân dung dịch muối Na 2 SO 4 , axit H 2 SO 4 , bazơ kiềm NaOH bản chất là sự điện phân nước Khi đĩ muối, axit, kiềm chỉ đĩng vai trị chất dẫn điện Lượng chất (số mol) các chất trong dung dịch khơng thay đổi (nồng độ các chất tăng dần do nước bị điện phân, thể tích dung dịch giảm)

(Chú ý:-Trong dung dịch điện li nếu cĩ ion F− và nước thì H 2 O sẽ bị điện phân

-Nếu cĩ ion R-COO− khi bị điện phân: 2R-COO−− 2e = R-R + 2CO 2↑ )

c Điện phân hỗn hợp

+Nếu trong dung dịch chất điện li cĩ chứa nhiều ion của những kim loại khác nhau (cĩ nồng độ mol bằng nhau) thì ở catot sẽ xảy ra sự khử những ion kim loại này theo trình tự sau: Ion kim loại nào cĩ tính oxi hố mạnh hơn (đứng sau trong dãy thế điện hố) sẽ bị khử trước

Trang 5

+ Nếu trong dung dịch chất điện li có những anion gốc axit khác nhau cùng không chứa oxi như: Br−,

Cl−, S2−, I− (có cùng nồng độ mol) thì anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước Trên anot sẽ xảy

ra sự oxi hoá những anion trên theo trình tự:

S2−, I−, Br−, Cl−

Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp các muối KBr, FeCl3, CuCl2, FeCl2 Hãy viết thứ tự các phản ứng xảy ra tại các điện cực

Phương trình phân li:

KBr → K+ + Br−

Thứ tự điện phân tại catot: (Cực âm) Thứ tự điện phân tại anot: (Cực dương)

Fe3+ + 1e → Fe2+

Cu2+ + 2e → Cu

Fe2+ + 2e → Fe

sự khử nước 2H2O + 2e → H2↑ + 2OH−

2Br− → Br2 + 2e 2Cl− → Cl2↑ + 2e

sự oxi hoá nước 2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e

3 Điện phân với anot (dương cực) tan

Nếu khi điện phân ta dùng anot bằng kim loại hoặc hợp kim thì lúc đó anot bị tan dần do kim loại bị oxi hoá thành ion kim loại

Ví dụ: Khi điện phân dung dịch CuSO4 nếu thay cực dương (anot) trơ (Pt hay than chì) bằng bản đồng thì sản phẩm của sự điện phân sẽ khác

CuSO4 → Cu2+ + SO42−

H2O € H+ + OH− Tại catot (−): Cu2+ + 2e → Cu↓

Tại anot (Cu) (+): Cu → Cu2+ + 2e

Cu2+(dd) + Cu (r) → Cu (r) + Cu2+ (dd)

(anot-tan) (catot-bám)

Kết quả: Cu kim loại kết tủa ở cực âm (catot), khối lượng catot tăng, cực dương (anot) tan ra, khối lượng anot giảm, nồng độ ion Cu2+ và SO42− trong dung dịch không biến đổi Kết quả như là sự vận chuyển Cu từ anot sang catot

Trong công nghiệp, người ta lợi dụng tính tan của cực dương khi điện phân để tinh chế các kim loại, nhất

là đồng và để mạ kim loại Chẳng hạn muốn mạ một kim loại lên trên một vật nào đó, người ta để vật đó ở cực âm (catot) rồi điện phân dung dịch muối của kim loại với cực dương (anot) làm bằng chính kim loại đó

4 Định lượng trong điện phân

Công thức Faraday : m AIt

nF

=

Trong đó :

m : Khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)

A : Khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

F : Hằng số Farađay có giá trị bằng 96500

n : Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận (số electron trao đổi)

Trang 6

I : Cường độ dịng điện (ampe)

t : Thời gian điện phân (giây)

Từ cơng thức Faraday ta cĩ thể biến đổi thành :

1442443

Số mol Số mol electron trao đổi

.n

Vậy ta cĩ : nelectron trao đổi It

F

=

Trang 7

B Phương pháp giải bài tập điện phân

Phương pháp giải

- Bước 1 : Tính số mol electron trao đổi trong quá trình điện phân (nếu đề bài cho biết thời gian điện

phân và cường độ dòng điện)

n electron trao đổi = It

96500

Trong đó : I là cường độ dòng điện tính bằng ampe ; t là thời gian điện phân tính bằng giây

- Bước 2 : Xác định thứ tự khử trên catot, thứ tự oxi hóa trên anot của các ion và H 2 O ; Viết quá trình khử trên catot và oxi hóa trên anot theo đúng thứ tự ưu tiên

- Bước 3 : Áp dụng định luật bảo toàn electron cho quá trình điện phân :

Số mol electron trao đổi = Số mol electron mà các ion dương và H 2 O nhận ở catot = Số mol electron

mà các ion âm và H 2 O nhường ở anot

●Lưu ý :

Phản ứng điện phân nước ở trên các điện cực :

+ Tại anot : 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e

+ Tại catot : 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -

Trong quá trình điện phân, khối lượng dung dịch giảm bằng khối lượng của các khí thoát ra và kim loại

sinh ra bám vào điện cực

►Các ví dụ minh họa◄

Dạng 1 : Điện phân nóng chảy

Ví dụ 1: Điện phân nóng chảy a gam muối A tạo bởi kim loại M và halogen X thu được 0,96 gam M ở catot

và 0,896 lít khí ở anot Mặt khác hoà tan a gam muối A vào nước rồi cho dung dịch trên tác dụng với AgNO3

dư được 11,48 gam kết tủa X là halogen nào ?

Hướng dẫn giải

Gọi công thức của muối A là MXn với số mol là b, ta có phản ứng :

2MXn ñpnc→ 2M + nX2

mol : b → b → nb

2

MXn + nAgNO3 → M(NO3)2 + nAgX

mol : b → nb

Suy ra :

nb 0, 896

0, 04

2 22, 4

nb(108 X) 11, 48







⇒ X=35,5 Vậy halogen là clo

Đáp án B

Trang 8

Ví dụ 2: Điện phân nóng chảy Al2O3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100%) thu được m kg Al ở catot

và 67,2 m3 (đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16 Lấy 2,24 lít (đktc) hỗn hợp khí X sục vào dung dịch nước vôi trong (dư) thu được 2 gam kết tủa Giá trị của m là :

A. 54,0 B. 75,6 C 67,5 D 108,0

Hướng dẫn giải Cách 1 :

Phương trình phản ứng :

2Al2O3 ñpnc→ 4Al + 3O2

C + O2 →to CO2

2C + O2 →to 2CO

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

mol: 0,02 ← 0,02

Trong quá trình điện phân nóng chảy oxit nhôm, ở anot giải phóng khí O2, oxi sinh ra sẽ phản ứng với anot than chì tạo ra CO, CO2 và có thể có O2 dư

Đặt số mol của CO, CO2, O2 dư trong 67,2 m3 hỗn hợp khí X là x, y, z ta có :

x + y + z = 67,2.1000

3000

Mặt khác tỉ khối của X với hiđro là 16 nên suy ra :

28x 44y 32z

16.2 32

x y z

Thành phần phần trăm về số mol của CO2 trong hỗn hợp là :

x y z= 0,1

+ + (3)

Từ (1), (2), (3) ta có :

x 1800

y 600

z 600

 =

 =



 =



O trong Al O CO CO O

n =n +2.n +2.n =1800 2.600 2.600+ + =4200 mol

Trong oxit nhôm :

Al

O

Cách 2 :

MX =16.2 32 gam / mol= ⇒ Hỗn hợp X có CO, CO2 và còn có thể có O2 dư

Vì khối lượng mol của O2 là 32 mà khối lượng mol trung bình của hỗn hợp X cũng là 32 nên suy ra khối lượng mol trung bình của hỗn hợp CO và CO2 cũng bằng 32

Áp dụng sơ đồ đường chéo cho hỗn hợp CO và CO2 ta có :

CO

n 28 44 – 32 = 12

32

2

CO

CO CO

Trang 9

%CO2= 0,02=20%⇒%CO 60%, %O= 2 =20%

Từ đó suy ra trong 3000 mol hỗn hợp có 600 mol CO2, 1800 mol CO và 600 mol O2

Đáp án B

Dạng 2 : Điện phân dung dịch

a Điện phân dung dịch chứa một chất tan

● Sử dụng phản ứng xảy ra trên các điện cực và định luật bảo toàn electron

Ví dụ 1: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với cường độ dòng điện là 1,93A tới khi catot bắt đầu có bọt khí thoát ra thì dừng lại, cần thời gian là 250 giây Thể tích khí thu được ở anot (đktc) là :

A 28 ml B 0,28 ml C 56 ml D 280 ml

nelectron trao đổi = 1, 93.250 0, 005

96500 = mol

Phản ứng xảy ra tại anot :

2H2O → 4H+ + O2 + 4e

Khí thoát ra ở anot là O2, số mol khí O2 là 0, 005

4 = 0,00125 mol, thể tích khí O2 là :

2

O

V =0,00125.22,4 = 0,028 lít = 28 ml

Đáp án A

Ví dụ 2: Hòa tan 13,68 gam muối MSO4 vào nước được dung dịch X Điện phân X (với điện cực trơ, cường

độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khí ở anot Còn nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là 0,1245 mol Giá trị của y là :

Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian t giây :

Áp dụng bảo toàn electron ta có :

2 2 2

4.n =2.n + ⇒n + =0, 07 mol⇒n =0, 07 mol

Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi) trong thời gian 2t giây :

n =2.0,035 0,07 mol= ⇒n =0,0545 mol⇒M2+đã bị điện phân hết

Áp dụng bảo toàn electron ta có :

4.n =2.n + +2.n ⇒n + =0,0855 mol⇒n =0, 0855 mol

⇒M + 96 = 13,68

160 M 64 (Cu)

0,0855= ⇒ = Vậy y =64.0,07 = 4,48 gam

Đáp án A

Trang 10

● Sử dụng phản ứng điện phân ở dạng phân tử

Ví dụ 3: Người ta điều chế H2 và O2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường

độ dòng điện 0,67A trong thời gian 40 giờ Dung dịch thu được sau điện phân có khối lượng 100 gam và nồng độ NaOH là 6% Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phân là (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể)

Bản chất của phản ứng điện phân dung dịch NaOH là phản ứng điện phân nước

Ta có :

0,67.40.3600

96500

2H2O → 2H2 + O2 (1)

mol: 0,5 ← 0,5

Vậy nồng độ phần trăm của dung dịch NaOH trước điện phân là :

NaOH

100.6%

100 0,5.18

+

Đáp án C

Ví dụ 4: Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn còn màu xanh, có khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban đầu Cho 16,8 gam bột Fe vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4 gam kim loại Giá trị của x là

2CuSO4 + 2 H2O ñpdd→ 2Cu↓ + 2H2SO4 + O2↑ (1)

mol : 2a → 2a → 2a → a

Theo (1) và giả thiết ta có : 2a.64 + 32a = 8 ⇒ a = 0,05 mol

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 (2)

mol : 0,1 ← 0,1

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu (3)

mol : b → b

Theo (2), (3) và giả thiết ta có :

16,8 – (0,1 + b).56 + 64b = 12,4 ⇒ b = 0,15 mol

Vậy tổng số mol của CuSO4 ban đầu là : 2a + b = 0,25 mol ⇒ x = 0, 25 1, 25M

0, 2 =

Đáp án C

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	428,42 KB