Phương pháp giải bài tập điện phân dung dịch

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH Giáo viên trường THPT Yên Lạc Bài tập điện phân dung dịch là dạng bài tập khó trong chương trình môn Hóa THPT, từ khi Bộ Giáo dục và Đào tạ

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH

Giáo viên trường THPT Yên Lạc

Bài tập điện phân dung dịch là dạng bài tập khó trong chương trình môn Hóa THPT, từ khi Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức kỳ thi ĐH-CĐ bằng hình thức trắc nghiệm, một đề thi có từ 1 đến 2 câu liên quan tới điện phân

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Khái niệm điện phân: Điện phân là một quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng

điện một chiều đi qua

2 Các phản ứng xảy ra ở điện cực

- Khi tan vào nước, các chất phân li thành cation và anion, cation di chuyển về catot (Cực âm); anion di chuyển

về anot (Cực dương)

- Tại catot: Thực hiện quá trình khử cation, trình tự khử như sau:

Ag+→Ag, Fe3+ →Fe2+, Cu2+→Cu, 2H+ →H2, Fe2+→Fe, Zn2+ → Zn, H2O Các ion K+, Na+, Ba2+, Ca2+, Mg2+,

Al3+ không bị khử khi điện phân dung dịch

2H2O + 2e → H2 + 2OH -

- Tại anot: Thực hiện quá trình oxi hóa anion, trình tự oxi hóa như sau:

S2-→S, 2I– →I2, 2Br–→Br2, 2Cl–→Cl2, H2O Các anion NO3–, SO42–, PO43–, CO32–…không bị oxi hóa

2H2O → O2 + 4H + + 4e

Chú ý: Ion F- không bị oxi hóa trong dung dịch, nó chỉ bị oxi hóa khi điện phân nóng chảy

3 Một số lưu ý khi làm bài tập điện phân dung dịch

- Từ công thức Faraday: A.I.t

96500.n

m  Sè mol e = m.n = I.t

A 96500

Hệ quả: Tại một thời điểm bất kỳ của quá trình điện phân, ta luôn có:

I.t 96500



Sè mol e cho Sè mol e nhËn =

Trong đó:

+ I là cường độ dòng điện (A), t là thời gian điện phân (giây);

+ A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

+ m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

+ n: số electron trao đổi ở điện cực

- Khối lượng dung dịch sau điện phân giảm = Khối lượng kim loại ở catot + Khối lượng khí ở anot

- Khi bắt đầu “ thoát khí ” ta hiểu là không có khí thoát ra

- Khi giải bài tập nên sử dụng các phản ứng xảy ra ở điện cực và phương trình ion rút gọn

II MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH TRONG ĐỀ THI ĐẠI HỌC CAO ĐẲNG Bài 1- ĐHB2007: Điện phân dung dịch chứa a mol CuSO4 và b mol NaCl (với điện cực trơ, có màng ngăn xốp) Để dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của a và b là (biết ion

SO42- không bị điện phân trong dung dịch)

Giải

Phương trình điện li

CuSO4 → Cu2+ + SO42-

a mol a mol

NaCl → Na+ + Cl-

b mol b mol

Các quá trình xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

a mol ← 2a mol → 0,005 mol

2H2O + 2e → H2 + 2OH- (1’)

x mol

Anot: Cl - , SO4 2- , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e

b mol b mol 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2’)

Dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng(dung dịch sau điện phân có OH - ), do

vậy có (1’)  b=2a +x hay b>2a

Bài 2- CĐ2011: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,2M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 3,2 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là

Giải

Phương trình điện li

CuSO4 → Cu2+ + SO42-

0,1 mol 0,1 mol

Các quá trình xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu (1)

0,1mol 0,1 mol ←0,05 mol

Anot: SO4 2- , H2O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)

0,025 mol 0,1 mol

Từ số mol e nhận ở (1) là 0,1 molSố mol e nhân ở (2) cũng là 0,1mol

Thể tích khí ở anot là 0,56 lít

Bài 3- ĐHB2012: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 0,1 mol FeCl3, 0,2 mol CuCl2 và 0,1 mol HCl (điện cực trơ) Khi ở catot bắt đầu thoát khí thì ở anot thu được V lít khí (đktc) Biết hiệu suất của quá trình điện phân là 100% Giá trị của V là

Giải

Phương trình điện li FeCl3 → Fe3+ + 3Cl-

0,1 mol 0,1 mol 0,3 mol

CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-

0,2 mol 0,2 mol 0,4 mol

HCl → H+ + Cl-

0,1 mol 0,1 mol 0,1 mol

Các quá trình xảy ra ở điện cực

Catot: Fe 3+ ,Cu 2+ , H + , H2O

Fe3+ + 1e → Fe2+

0,1 mol 0,1 mol 0,1 mol

Cu2+ + 2e → Cu

0,2 mol 0,4 mol

2H+ + 2e → H2: Quá trình ứng này không xảy ra

Anot: Cl - , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,8 mol 0,25mol 0,5 mol

 V=0,25.22,4 = 5,6 lit

Bài 4- CĐ 2012: Tiến hành điện phân (với điện cực trơ) V lít dung dịch CuCl2 0,5M Khi dừng điện phân thu được dung dịch X và 1,68 lít khí Cl2 (đktc) duy nhất ở anot Toàn bộ dung dịch X tác dụng vừa đủ với 12,6 gam

Fe Giá trị của V là

Giải

Phương trình điện li CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-

x mol x mol 2x mol

Các quá trình xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

0,075mol ← 0,15 mol → 0,075 mol

Anot: Cl - , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,15 mol 0,075 mol 0,15 mol Dung dịch X gồm Cu2+: x-0,075 (mol); Cl-: 2x-0,15 (mol)

Fe + Cu2+ → Fe2+ +Cu

x-0,075 ← x-0,075

 x-0,075 = 0,225 x=0,3  V=0,6 (lít)

Bài 5- ĐHA2007: Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực trơ, sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catôt

và một lượng khí X ở anôt Hấp thụ hoàn toàn lượng khí X trên vào 200 ml dung dịch NaOH (ở nhiệt độ

thường) Sau phản ứng, nồng độ NaOH cũn lại là 0,05M (giả thiết thể tớch dung dịch khụng thay đổi) Nồng độ ban đầu của dung dịch NaOH là:

Giải

Phương trỡnh điện li: CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H 2 O

Cu2+ + 2e → Cu

0,005mol ← 0,01mol → 0,005 mol

Anot: Cl - , H 2 O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,01 mol 0,005 mol 0,01 mol

Cl2 + 2NaOHt ophòng NaCl + NaClO +H2O 0,005 mol 0,01 mol

Tổng số mol NaOH ban đầu = 0,01 + 0,2.0,05=0,02 mol  CNaOH ban đầu = 0,1 M

Bài 6- ĐHB2009: 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

Giải

Phương trỡnh điện li: CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-

0,05 mol 0,05 mol

NaCl → Na+ + Cl-

0,25 mol 0,25 mol

Ta cú ne 3860.5 0,2 mol

96500

trao đổi

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

0,05mol ← 0,1mol → 0,05 mol

2H2O + 2e → H2 + 2OH- (1’)

0,1 mol 0,1 mol

Anot: Cl - , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,25 mol 0,1mol 0,2 mol

Dung dịch sau điện phõn gồm cú Na+, Cl-,OH-: 0,1 mol

2Al + 2OH- + 2H2O → 2AlO2- + 3H2

0,1 mol ← 0,1 mol  Khối lượng của Al cần dựng là: 2,7 gam

Bài 7- ĐHA2010: 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

Giải

Phương trỡnh điện li: CuSO4 → Cu2+ + SO42-

0,2 mol 0,2 mol

NaCl → Na+ + Cl-

0,12 mol 0,12 mol

Ta cú: ne 9650.2 0,2 mol

96500

trao đổi

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

0,2 mol 0,2 mol → 0,1 mol

Anot: Cl - , SO4 2- , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,12 mol 0,06 mol 0,12 mol 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

0,02 mol 0,08 mol

Tổng số mol khớ thoỏt ra ở anot là 0,06+ 0,02 = 0,08 mol  V=1,792 lớt

Bài 8- ĐHB2010: Điện phõn (với điện cực trơ) 200 ml dung dịch CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn cũn màu xanh, cú khối lượng giảm 8 gam so với dung dịch ban đầu Cho 16,8 gam bột

sắt vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4 gam kim loại Giá trị của x là

Giải

Phương trình điện li: CuSO4 → Cu2+ + SO42-

Ban đầu a mol a mol

Các quá trình xảy ra ở điện cực

Catot: Cu 2+ , H 2 O

Cu2+ + 2e → Cu (1)

b mol 2b mol ← b mol

Anot: SO42-, H2O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)

0,5b mol 2b mol 2b mol Khối lượng dung dịch sau điện phân giảm  64b+ 32.0,5b = 8 (1)

Dung dịch Y gồm: Cu2+: a-b (mol); H+: 2b (mol), SO42-

Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu a-b (mol) a- b (mol) a-b (mol)

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2

b (mol) 2b (mol)

16,8 – 56a + 64 (a-b)= 12,4 (2); Từ (1) (2) ta có b= 0,1 mol, a= 0,25  x =1,25 M

Bài 9- ĐHA2011: Điện phân dung dịch gồm 7,45 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm đi 10,75 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể) Tất cả các chất tan trong dung dịch sau điện phân là

A KNO3, HNO3 và Cu(NO3)2 B KNO3, KCl và KOH C KNO3 và Cu(NO3)2 D KNO3 và KOH

Giải

Phương trình điện li

Cu(NO3)2 → Cu2+ + 2NO3- 0,15 mol 0,15 mol

KCl → K+ + Cl-

0,1 mol 0,1 mol

Trường hợp 1: Giả sử điện phân hết Cu2+ :

Catot: Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

0,15 mol 0,3 mol → 0,15 mol

Anot: Cl - , SO4 2- , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,1 mol 0,05 mol 0,1 mol 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

0,05 mol 0,2 mol

Ta có khối lượng dung dịch giảm là 0,15.64+ 0,05.71+ 0,05.32= 14,75 gam> 10,75  Cu2+ dư

Trường hợp 2: Điện phân Cu2+ : x (mol)

Catot: Cu 2+ , H 2 O

Cu2+ + 2e → Cu

x mol 2x mol → x mol

Anot: Cl - , SO 4 2- , H 2 O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,1 mol 0,05 mol 0,1 mol 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

y mol 4y mol

64 71.0, 05 32 10, 75 0, 025



(hợp lí)

Dung dịch sau điện phân có các ion Cu2+, K+, NO3-, H+ Chọn đáp án A

Bài 10- ĐHA2011: Hoà 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

Giải

Phương trình điện li: MSO4 → Cu2+ + SO42-

Ban đầu a mol a mol

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Khi điện phõn t giõy thỡ anot sinh ra 0,035 mol khớ, cũn nếu điện phõn 2t giõy thỡ anot sinh ra 0,07 mol

khớ, cũn lại 0,0545 mol khớ sinh ra từ khử H2O ở catot

Catot: M 2+ , H2O

M2+ + 2e → M (1)

a mol 2a mol a mol

2H2O + 2e → H2 + 2OH- (1’)

0,109 mol ← 0,054 mol

2a+0,109 = 0,28  a= 0,0855 và MM=64

Anot: SO 4 2- , H 2 O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)

0,07 mol 0,28 mol

Khi điện phõn t giõy

Catot: M 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu (1)

0,0855 mol 0,14 mol 0,07 mol

 y=0,07.64=4,88 gam

Anot: SO4 2- , H2O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)

0,035 mol 0,14 mol

Bài 11- ĐHA2012: Điện phõn 150 ml dung dịch AgNO3 1M với điện cực trơ trong t giờ, cường độ dũng điện khụng đổi 2,68A (hiệu suất quỏ trỡnh điện phõn là 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khớ Z

Cho 12,6 gam Fe vào Y, sau khi cỏc phản ứng kết thỳc thu được 14,5 gam hỗn hợp kim loại và khớ NO (sản phẩm khử duy nhất của N+5) Giỏ trị của t là

Giải

Phương trỡnh điện li

AgNO3 → Ag+ + NO3-

Ban đầu 0,15 mol 0,15 mol 0,15 mol

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Ag + , H2O

Ag+ + 1e → Ag (1)

a mol a mol a mol

Anot: NO3 - , H2O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e (2)

a mol a mol Dung dịch Y gồm Ag+: 0,15-a; H+: a mol, NO3-: 0,15 mol

Fe + Ag+ + H+ + NO3- → Fe2+ + NO + Ag, Fe

0,225 0,15-a a 0,15 b a/4 0,15-a 0,225-b (mol)

Ta cú hệ (0,15-a).108 + 56 (0,225-b)=14,5 (I)

0,15-a +3/4a -2b=0 (II)  a=0,1 và b=0,0625

Giỏ trị của 96500.0,1 3600

2, 68

Bài 12- ĐHB2012: Người ta điều chế H2 và O2 bằng phương phỏp điện phõn dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dũng điện 0,67A 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)

Giải

Phương trỡnh điện li: NaOH → Na+ OH-

Ta cú: ne 40.3600.0, 67 1 mol

96500

trao đổi

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Na+, H 2 O

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

1 mol → 0,5 mol

Anot: OH-, H 2 O

2H2O → O2 + 4H+ + 4e 0,25 mol ← 1 mol Khối lượng NaOH trước phản ứng là 100.6= 6 gam

100

Khối lượng dung dịch NaOH trước phản ứng la 100+ 0,5.2 + 0,25.32=109 gamC%NaOH =6.100 5, 5%

109 

ban đầu

Bài 13- Dung dịch X chứa HCl, CuSO4, Fe2(SO4)3 Lấy 400 ml dung dịch X đem điện phõn bằng điện cực trơ cường độ dũng điện 7,72 ampe, đến khi catot thu được 5,12 gam đồng thỡ dừng lại Khi đú ở anot thu được 2,24 lớt một thứ khớ bay ra (đktc) Tớnh thời gian điện phõn và tớnh nồng độ mol/l của Fe2(SO4)3 trong dung dịch đầu?

Giải

Phương trỡnh điện li: HCl → H+ + Cl

a mol a mol a mol

CuSO4 → Cu2+ + SO42-

b mol b mol

Fe2(SO4)3→ 2Fe3++ 3SO4

c mol 2c mol

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: H + , Cu 2+ , Fe 3+ , H2O

Fe3+ + 1e→ Fe2+

2c 2c 2c mol

Cu2+ + 2e → Cu

0,08 mol 0,16 mol

Anot: Cl - , SO4 2- , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,1 mol 0,2 mol

Tớnh t: t=96500.0,2=2500s

7,72

Từ phản ứng ở điện cực ta cú 2c+ 0,16=0,2 c=0,02 mol

Fe2 SO

4 3

C =0,05M

Bài 14- Hũa tan 50 gam tinh thể CuSO4.5H2O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6 M thu được dung dịch X Đem điện phõn dung dịch X (cỏc điện cực trơ) với cường độ dũng điện 1,34A trong 4 giờ Khối lượng kim loại thoỏt ra ở catot và thể tớch khớ thoỏt ra ở anot (ở đktc) lần lượt là:

A 6,4 gam và 1,792 lớt B 10,8 gam và 1,344 lớt

C 6,4 gam và 2,016 lớt D 9,6 gam và 1,792 lớt

Giải

CuSO4 5H2O → Cu2+ + SO42- + H2O 0,2 mol 0,2 mol

HCl → H+ + Cl 0,12 mol 0,12 mol 0,12 mol

Ta cú: ne 4.3600.1, 34 0,2 mol

96500

trao đổi

Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: H + , Cu 2+ , H2O

Cu2+ + 2e → Cu

0,2 mol 0,2 mol 0,1 mol

Anot: Cl - , SO4 2- , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e 0,12 mol 0,06mol 0,12 mol 2H2O → O2 + 4H+ + 4e 0,02 mol 0,08 mol

Khối lượng kim loại thoỏt ra ở catot là 0,1.64=6,4 gam

Bài 15- Viết phương trỡnh điện phõn dung dịch NaCl điện cự trơ, cú màng ngăn xốp

Giải

NaCl→Na+ + Cl

-Cỏc quỏ trỡnh xảy ra ở điện cực

Catot: Na + , H2O

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

Anot: Cl - , H2O

2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trỡnh điện phõn: 2NaOH + H 2O → 2NaOH + Cl2   H 2 