CHUYÊN đề hóa học PHƯƠNG PHÁP GIẢI bài tập điện PHÂN DUNG DỊCH

TRƯỜNG THPT SÁNG SƠN CHUYÊN ĐỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH DÀNH CHO: HỌC SINH KHỐI 12 VÀ ÔN THI ĐẠI HỌC CAO ĐẲNG SỐ TIẾT THỰC HIỆN: 6 TIẾT GIÁO VIÊN: PHẠM VĂN HÙNG Sô

TRƯỜNG THPT SÁNG SƠN

CHUYÊN ĐỀ

PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH

DÀNH CHO: HỌC SINH KHỐI 12 VÀ ÔN THI ĐẠI HỌC CAO ĐẲNG

SỐ TIẾT THỰC HIỆN: 6 TIẾT

GIÁO VIÊN: PHẠM VĂN HÙNG

Sông Lô tháng 3 năm 2014

PHẦN 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, đặc biệt là trong quá trình ôn luyện cho học sinh thi học sinh giỏi các cấp và ở các kì thi Đại học; chuyên đề điện phân

dung dịch là một chuyên đề hay và khá quan trọng nên các bài tập về điện phân thường có

mặt trong các kì thi lớn của quốc gia

Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh các bài toán Hóa học là yêu cầu hàng đầu của người học; yêu cầu tìm ra được phương pháp giải toán một cách nhanh nhất, đi bằng con đường ngắn nhất không những giúp người học tiết kiệm được thời gian làm bài mà còn rèn luyện được tư duy và năng lực phát hiện vấn đề của người học

Trong thực tế tài liệu viết về điện phân dung dịch còn ít nên nguồn tư liệu để giáo viên nghiên cứu còn hạn chế do đó nội dung kiến thức và kĩ năng giải các bài tập điện phân cung cấp cho học sinh chưa được nhiều Vì vậy, khi gặp các bài toán điện phân các em thường lúng túng trong việc tìm ra phương pháp giải phù hợp

Qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu trong hai năm tôi đã hệ thống hóa các dạng bài tập điện phân dung dịch và phương pháp giải các dạng bài tập đó cho học sinh một cách dễ hiểu,

dễ vận dụng, tránh được những lúng túng, sai lầm và nâng cao kết quả trong các kỳ thi Trên

cơ sở đó, tôi mạnh dạn chọn đề tài “ Phương pháp giải bài tập điện phân trong dung dịch”

làm đề tài sáng kiến king nghiệm cho mình Với hy vọng đề tài này sẽ là một tài liệu tham khảo phục vụ cho việc học tập của các em học sinh 12 và cho công tác giảng dạy của các bạn đồng nghiệp

PHẦN 2: NỘI DUNG I/ ĐỊNH NGHĨA ĐIỆN PHÂN.

Điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một

chiều qua chất điện li ở trạng thái nc hay dung dịch

-Từ định nghĩa trên suy ra: chỉ các chất điện li như NaCl, HCl, CuSO4… mới bị điện phân ngược lại các chất không điện li như: C2H5OH; C6H12O6; CHCl3…không thể điện phân

II/ PHÂN LOẠI

1/ Dựa vào trạng thái điện của chất điện phân: chia làm hai loại

+ Điện phân dung dịch

+ Điện phân nóng chảy

2/ Dựa vào sự có mặt của màng ngăn: chia làm hai loại

+ Điện phân có màng ngăn

+ Điện phân không màng ngăn

3/ Dựa vào tính chất của điện cực: chia làm hai loại

+ Điện phân điện cực trơ

+ Điện phân cực dương tan(cực dương tham gia quá trình điện phân)

III/ CÁCH VIẾT PHƯƠNG TRÌNH VÀ SƠ ĐỒ ĐIỆN PHÂN

* Nguyên tắc: Thông thường trong khi làm bài tập ta chỉ cần viết phương trình điện phân

nhưng để viết được phương trình điện phân ta phải viết được sơ đồ điện phân.

III.1 Cách viết sơ đồ và phương trình điện phân

+ Bước1: Viết phương trình điện li

+ Bước 2: Xác định các ion có ở mỗi điện cực trong đó

- Cực âm(còn gọi là catot kí hiệu là K): có ion dương và nước(nếu là điện phândung

dịch)-_Viết bên trái sơ đồ

- Cực dương(còn gọi là anot kí hiệu là A): có ion âm và nước(nếu là điện phândung

dịch)_Viết bên phải sơ đồ.

VD: Catot : Cu2+, Na+, Mg2+, H2O anot: Cl-, S2-, NO3-, H2O

Vấn đề đặt ra là thứ tự các ion bị khử ở catôt và thứ tự các ion bị oxi hóa ở anôt xảy ra như thế nào ?

+ Bước 3: viết quá trình cho – nhận e

Tại anot: xảy ra quá trình cho e(oxi hóa) theo thứ tự:

kim loại làm anot > S 2- > I - > Br - > Cl - > RCOO - > OH - > H2O > NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- …

Vậy: Vì nước điện phân hết mới đến NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- nên các ion NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- không

bị điện phân trong dung dịch Các muối NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- cũng không bị điện phân nóng

chảy vì khi đun nóng chảy chúng đã bị phân hủy Tóm lại các ion NO 3 - ; SO 4 2- ; CO 3 2- không bị điện phân

Tại catot: xảy ra quá trình nhận e (khử) theo thứ tự:

Au3+….Cu2+ > H+ > Pb2+…Mn2+ > H 2O > Al3+….Li+

Vậy: Ta có thể nhở rằng trong dãy điện hóa cứ ion đứng sau bị khử trước khi đến nước bị

khử thì các ion đứng trước nước không bị khử nữa Vì thế các ion Al 3+ …Li + không bị điện

phân ở trạng thái dung dịch muốn điều chế các kim loại này chỉ có thể điện phân nóng chảy hợp chất của chúng.

+ Bước 4: Viết phương trình điện phân dạng ion thu gọn bằng cách tổ hợp hai quá trình xảy

ra đồng thời ở hai điện cực sao cho triệt tiêu e Từ phương trình ion thu gọn viết phản ứng

điện phân đầy đủ

+ Bước 5: Viết phản ứng phụ nếu có

 Ghi chú: nước bị điện phân ở mỗi điện cực theo sơ đồ sau:

catot: 2HOH + 2e → H2↑ + 2OH- anot: 2HOH → O2↑ + 4H+ + 4e

OH - : 4OH- → O2 + H2O + 4e

III.2.Một số VD minh họa:

Viết sơ đồ và phương trình điện phân khi:

a/điện phân dung dịch NaCl

b/điện phân dung dịch CuSO 4

c/ điện phân dung dịch K 2 SO 4

Giải

a/Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch NaCl :

NaCl → Na+ + Cl

Catot (-) Anot (+) : Cl-, H2O

H2O, Na+ (không bị điện phân) 2Cl- → Cl2 + 2e

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

→ Phương trình : 2Cl- + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

 Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : CaCl 2 , MgCl2 , BaCl2 , AlCl3

(K)

CuSO4

Cu 2+ , H2O (H2O) SO42- , H2O(A)

SO42- không bị điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2H2O → 4H+ + O2 + 4e

Tổ hợp hai quá trình trên sao cho số e bị triệt tiêu ta có:

2Cu2+ + 2H2O ¾¾¾ ®pdd ® 2Cu + O2 + 4H+

hay: 2CuSO4 + 2H2O ¾¾¾ ®pdd ® 2Cu + O2 + 2H2SO4

 Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch : Cu(NO 3)2, FeSO4, Fe(NO3)2, NiSO4,

AgNO3

c/Viết PTHH xảy ra khi điện phân dung dịch Na 2 SO 4 :

Na2SO4 → 2Na+ + SO4

Catot (-) Anot (+)

H2O, Na+ SO42-, H2O

Na+ không bị điện phân SO42- không bị điện phân

2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

→ Phương trình điện phân: 2dd4

2H O dp 2H +O

Na O

  

 Xảy ra tương tự khi điện phân các dung dịch: NaNO 3, K2SO4 , Na2CO3 , MgSO4 ,

Al2(SO4)3

→ Với những chất trên ta nói nước bị điện phân, các chất đóng vai trò làm tăng khả năng

dẫn điện của dung dịch.

IV BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN

IV.1 Bài tập lý thuyết

IV.1.1 Bài tập có lời giải

Bài 1: (Trích Đại học khối A- 2010)Điện phân (với điện cực trơ) một dung dịch gồm NaCl

và CuSO 4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện phân Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là

A khí Cl 2 và O 2 B khí H 2 và O 2 C chỉ có khí Cl 2 D khí Cl 2 và H 2

Giải

Catot: Na+, Cu2+, H2O Anot: Cl-, SO42-, H2O

Thứ tự điện phân Cu2+ > H2O Thứ tự: Cl- > H2O

Cu2+ +2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

a 2 a mol a a mol

2H2O → 4H+ + O2+ 4e

a mol

Khi catot có bọt khí thì dừng lại nghĩa là tại catot nước chưa bị khử Tổng e nhường = tổng e nhận

→ Chọn đáp án: A

Dung dịch sau điện phân có thể hoà tan được kim loại nhôm, mối quan hệ giữa a và b là

A 2a=b B 2a>b C 2a< b. D 2a # b.

Giải

CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + ½ O2

a a

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

b b

2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + H2O

Ta thấy 2a = b thì phản ứng trung hoà vừa đủ → môi trường trung tính

Để hòa tan được nhôm thì phải là môi trường kiềm hoặc môi trường axit

→ Đáp án D

Mở rộng: Nếu dung dịch sau phản ứng có tính axít thì : 2a > b

Nếu dung dịch sau phản ứng có tính ba zơ thì b> 2 a.

Bài 3 Điện phân dung dịch NaCl, điện cực trơ, không có vách ngăn Sản phẩm thu được

gồm:

A H 2 , Cl 2 , NaOH B H 2 , Cl 2 , NaOH, nước javen

C H 2 , Cl 2 , nước javen D H 2 , nước javen

Giải Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn

2NaCl +2 H2O dpdd

kmn

    2NaOH + Cl2 + H2

NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O

Nước gia ven

Chú ý: khi điện phân không màng ngăn cần chú ý các phản ứng phụ

Bài 4: Điện phân 100 dung dịch hỗn hợp gồm FeCl 3 , FeCl 2 , NiCl 2 , KCl, CuCl 2 và HCl với điện cực trơ có màng ngăn xốp Ở catot thu được chất nào trước?

Bài giải

Tại Catot có các quá trình khử xảy ra theo thứ tự

Fe3+ + 1e → Fe2+

Cu2+ + 2e → Cu↓

2H+ + 2e → H2

Ni2+ + 2e→ Ni↓

Fe2+ + 2e → Fe↓

H2O + 2e → H2 + 2OH

Vậy ta thu được Cu trước → Chọn C

IV.1.2 Bài tập tự giải

khí oxi bay ra thì ngưng Điều nào sau đây luôn đúng ?

A Khối lượng đồng thu được ở catot là 16g

B Thời gian điện phân là 9650 giây.

C pH của dung dịch trong quá trình điện phân luôn giảm

D Không có khí thoát ra ở catot.

khí thoát ra thì dung dịch sau điện phân chứa

A Na+, SO42-, Cl- B Na+, SO42-, Cu2+ C Na+, Cl- D Na+, SO42-, Cu2+, Cl-

khi NaCl và CuSO4 đều hết nếu dung dịch sau điện phân hoà tan được Fe thì

A NaCl hết trước CuSO4 B CuSO4 hết trước NaCl

C NaCl và CuSO4 cùng hết D xảy ra trường hợp A hoặc B.

Câu 4: ( ĐHKA 2009) Dãy các kim loại đều có thể được điều chế bằng phương pháp điện

phân dung dịch muối của chúng là:

A Fe, Cu, Ag B Mg, Zn, Cu C Al, Fe, Cr D Ba, Ag, Au Câu 5: Điện phân dung dịch chứa HCl và KCl với màng ngăn xốp, sau một thời gian thu

được dung dịch chỉ chứa một chất tan và có pH = 12 Vậy:

B chỉ có KCl bị điện phân.

C.HCl và KCl đều bị điện phân hết

D HCl bị điện phân hết, KCl bị điện phân một phần

hoà tan Al2O3 thìsẽ xảy ra trường hợp nào sau đây:

A NaCl dư B CuSO4 dư

C NaCl dư hoặc CuSO4 dư D NaCl và CuSO4 bị điện phân hết

nhau Nếu thêm vài giọt quỳ tím vào dung dịch sau khi điện phân thì màu của dung dịch thay đổi như thế nào?

A Không đổi màu B Dung dịch có màu đỏ

C Dung dịch có màu xanh D Không xác định được

ngăn Kết luận nào sau đây là không đúng?

A Vì Cu2+ có tính oxi hoá mạnh hơn H+ nên CuCl2 được điện phân trước

B Thứ tự điện phân sau đó là HCl  NaCl  H2O

C Quá trình điện phân HCl đi kèm với sự giảm giá trị pH

D Quá trình điện phân H2O đi kèm với sự tăng giá trị pH

Câu 9: (CĐ 2007) Trong công nghiệp, natri hiđroxit được sản xuất bằng phương pháp

B Điện phân dung dịch NaCl, có màng ngăn điện cực.

C Điện phân dung dịch NaCl, không có màng ngăn điện cực.

D Điện phân NaCl nóng chảy.

Câu 10: (CĐ 2007) Hai kim loại có thể được điều chế bằng phương pháp điện phân dung

dịch là

A Mg và Zn B Na và Fe C Al và Mg D Cu và Ag

dung dịch CuSO4 với anot bằng graphit (điện cực trơ) đều có đặc điểm chung là

ăn mòn điện hoá xảy ra khi nhúng hợp kim Zn-Cu vào dung dịch HCl có đặc điểm là:

A Phản ứng ở cực âm có sự tham gia của kim loại hoặc ion kim loại.

B Phản ứng xảy ra luôn kèm theo sự phát sinh dòng điện.

C Đều sinh ra Cu ở cực âm.

D Phản ứng ở cực dương đều là sự oxi hoá Cl–.

Đáp án lý thuyết

IV.2 BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG

IV.2.1 Chú ý khi giải bài tập.

+ Khi giải bài tập chỉ cần viết phương trình điện phân

+ Khối lượng dung dịch giảm = khối lượng khí bay ra + khối lượng kim loại thoát ra

+ Khi mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện trong các bình bằng nhau số mol e trao đổi là như nhau

* Muốn tính khối lượng các chất giải phóng ở các điện cực ta có thể tính theo phương trình điện phân

Ví dụ: dpdd

2CuSO + 2H O     2Cu + O + 2H SO

160(g ) 64(g) →11,2(lit) →1(mol) a(g) x (g) → y (lit) →z(mol)

* Khi biết cường độ dòng điện ( I) và thời gian điện phân (t) ta có thể tính theo công thức Faraday:

.

A I t m

n F

x

n

A  n F

Trong đó: m - khối lượng chất (rắn, lỏng, khí) thoát ra ở điện cực (gam)

A - Khối lượng nguyên tử (đối với kim loại) hoặc khối lượng phân tử (đối với chất khí) n

- số electron trao đổi

I - Cường độ dòng điện ( A)

t - Thời gian điện phân (s)

F - Hằng số Faraday F= 96500C

Nếu đầu bài cho I và t Thì hãy nghĩ đến tính e trao đổi

e

It n F

 = Số e nhận tại Catot = số e nhường tại Anot

IV.2.2 Ví dụ vận dụng

Bài tập 1: Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn, cường độ

dòng điện I là 1.93A Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH = 12, thể tích dung dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%.

Hướng dẫn giải

Vì dung dịch có PH = 12 → Môi trường kiềm

pH = 12 → [H+] = 10-12 → [OH-] = 0,01 M→ Số mol OH- = 0,001 mol

Na+ không bị điện phân

catot : 2H2O + 2e → H2 + 2OH- anot: Cl- → Cl2 + 2e 0,001  0,001

→ Số mol e trao đổi là : n = 0,001 mol

Áp dụng công thức Faraday : ne = I.t t=n.F 0,001.96500 50s

Bài tập 2: (Trích Đại học khối A- 2010) Điện phân (điện cực trơ) dung dịch X chứa

0,2 mol CuSO 4 và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có cường độ 2A Thể tích khí (đktc) thoát ra

ở anot sau 9650 giây điện phân là

A 2,240 lít B 2,912 lít C 1,792 lít D 1,344 lít.

Hướng dẫn giải

n e (trao đổi)= 

F

I.t 0,2 mol Catot (-) Anot (+)

(Cu2+; Na+, H2O) (SO42-, Cl-, H2O)

Na+ không điện phân SO42- không điện phân

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

0,2 0,4 → Cu2+ còn dư

0,12 0,12

2H2O → 4H+ +O2 + 4e

0,02  0,08

Vkhí = (0,06 + 0,02) 22,4 = 1,792 lít → Đáp án C

I = 3.86A.Tính thời gian điện phân để được một khối lượng kim loại bám bên catot là 1.72g ?

A 250s B 1000s C 500s D 750s

Hướng dẫn giải

Số gam kim loại Ag tối đa được tạo thành : 0,01.108 = 1,08 gam

Số gam Cu tối đa tạo thành : 0,02.64 = 1,28 gam

Vì 1,08 < 1,72 < 1,08 + 1,28 → Điện phân hết AgNO3 , Và còn dư một phần CuSO4

→ Khối lượng Cu được tạo thành : 1,72 – 1,08 = 0,64 gam → n Cu = 0,01 mol

Tổng ne =2 nCu + nAg = 0,02 + 0,01 = 0,03 mol

e

It

n

F

 → t = 750 s → Chọn Đáp án D

NaCl 0,6M (điện cực trơ, hiệu suất điện phân 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây Dung dịch thu được sau điện phân có khả năng hoà tan m gam Al Giá trị lớn nhất của

m là

A 4,05 B 2,70 C 1,35 D 5,40

Hướng dẫn giải

Số mol e trao đổi khi điện phân : 0 , 2

96500

3860 5 F

I.t

n Cu(NO3)2 = 0,1.0,5 = 0,05 mol ; n NaCl = 0,5.0,6 = 0,3 mol

→ n Cu2+ = 0,05 mol , n Cl- = 0,3 mol → Vậy Cl- dư , Cu2+ hết , nên tại catot sẽ có phản ứng điện phân nước (sao cho đủ số mol e nhận ở catot là 0,2)

Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e

2H2O + 2e → H2 + 2OH

-0,1 (0,2-0,1) → 0,1

Dung dịch sau khi điện phân có 0,1 mol OH- có khả năng phản ứng với Al theo phương trình : Al + OH- + H2O → AlO2- + 3/2 H2

0,10,1

mAl max = 0,1.27= 2,7 (g) → Chọn Đáp án B

Chú ý: Nếu dung dịch sau điện phân có tính axit thì ở cực dương có quá trình oxi hóa nước.( dư H + )

Nếu dung dịch có thể hòa tan hợp chất lưỡng tính thì xét 2 trường hợp.

ngăn) đến khi nước bắt đầu điện phân ở cả 2 điện cực thì dừng lại Dung dịch sau điện phân

có khối lượng giảm 22,04(g) so với dung dịch ban đầu và dung dịch này hòa tan tối đa

điện là:

Bài giải

Bài toán có 2 trường hợp:

TH1: Tạo môi trường kiềm ( y > 2x)

Tại Catôt

Cu2+ + 2e→ Cu

0,2x 0,4x 0,2x

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

0,2y-0,4x 0,2y-0,4x

Tại Anot 2Cl- → Cl2 + 2e 0,2y 0,1 y 0,2y

Khối lượng dung dịch giảm: 64.0,2x + 71.0,1y +0,2(y-2x) = 22,04(I)

Dung dịch hòa tan Zn(OH)2

Zn(OH)2 + 2OH- → ZnO22- + 2H2O

0,08 0,16 mol

→ 0,2y-0,4x = 0,16( II)

Từ I và II → x = 0,6 và y = 2 → I = 2A → Chọn B

TH2 : Tạo môi trường axít ( y<2x)

Tại Catôt

Cu2+ + 2e→ Cu

0,2x 0,4x 0,2x

Tại Anot 2Cl- → Cl2 + 2e 0,2y 0,1 y 0,2y 2H2O → 4H+ + O2 + 4e

0,4x-0,2y Khối lượng dung dịch giảm

64.0,2x + 71.0,1y + 8.(0,4x-0,2y)= 22,04 (I)