DẠNG 3: BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN A. Lý thuyết ngắn gọn
a/ Khái niệm : sự điện phân là quá trình oxi hóa – 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 nóng chảy.
b/ Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở điện cực :
Tại catot (cực âm) : xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)
K+ Na+ ... Al3+ | H2O | Mn2+ ... Fe2+ H+ Cu2+ Fe3+ Ag+ Hg2+ ....
Không bị điện phân khả năng nhận e tăng dần
2H2O + 2e → H2 + 2OH– 2H+ + 2e → H2 Mn+ + ne → M Thứ tự sản phẩm được tạo thành
Ví dụ : điện phân dung dịch chứa các ion sau : Cu2+ , Fe2+, Fe3+ , Ag+ , H+ . Thứ tự điện phân sẽ xảy ra như sau :
Ag+ + 1e → Ag ; Fe3+ + 1e → Fe2+ ; Cu2+ + 2e → Cu ; 2H+ + 2e → H2 ; Fe2+ + 2e → Fe ...
2H2O + 2e → 2OH– + H2
Tại anot (cực dương) : xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)
I– Br– Cl– S2– OH– H2O | NO3– SO42– CO32– PO43–
Khả năng nhường e tăng không bị oxi hóa (không điện phân)
2Cl– → Cl2 + 2e 2OH– → ½ O2 + H2O + 2e H2O → ½ O2 + 2H+ + 2e c/ Công thức Faraday : tính khối lượng chất thu được tại các điện cực
F ne It
Trong đó :
m là khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)
A là khối lượng mol nguyên tử thu được ở điện cực (gam).
n là số e mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận.
I là cường độ dòng điện (ampe) t là thời gian điện phân (giây)
F là hằng số Faraday (F = 96500) / ne là số mol e d/ Phương pháp điều chế :
Điện phân nóng chảy : dùng điều chế kim loại mạnh IA , IIA , Al
Điều chế kim loại nhóm IA : điện phân nóng chảy muối clorua hoặc hidroxit.
Ví dụ 1 : Điều chế K bằng cách điện phân nóng chảy KCl Catot ( – ) ← KCl → Anot (+)
K+ + e → K 2Cl– → Cl2 + 2e Phương trình điều chế : 2KCl đpnc 2K + Cl2
Ví dụ 2 :Điều chế Na bằng cách điện phân nóng chảy NaOH Catot (–) ← NaOH → Anot (+)
Na+ + e → Na 2OH– → ½ O2 + H2O + 2e Phương trình điều chế : 2NaOH đpnc 2Na + ½ O2 + H2O
Tổng quát : 2 dpnc 1 2 2 MOH M 2O H O
Điều chế kim loại nhóm IIA : điện phân nóng chảy muối clorua Ví dụ 3 : điều chế Mg bằng cách điện phân nóng chảy MgCl2
Catot (–) ← MgCl2 → Anot (+)
Mg2+ + 2e → Mg 2Cl– → Cl2 + 2e Phương trình điều chế : MgCl2 đpnc Mg + Cl2
Tổng quát : M + 2 2
dpnc n
MX n X
Điều chế Al : điện phân nóng chảy Al2O3
Catot (–) ← Al2O3 → Anot (+)
Al3+ + 3e → Al 2O2– → O2 + 4e Phương trình điều chế : 2Al2O3 đpnc 4Al + 3O2
Điện phân dung dịch : dùng điều chế kim loại trung bình yếu (sau Al) bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng.
Ví dụ 4 : Điện phân dung dịch AgNO3 để điều chế kim loại Ag.
Catot ( – ) ← AgNO3 → Anot (+) Ag+ , H2O NO3– , H2O
Ag+ + e → Ag H2O → 2H+ + ½ O2 + 2e Phương trình điều chế : 2AgNO3 + H2O đpdd 2Ag + ½ O2 + 2HNO3 Ví dụ 5 : điện phân dung dịch CuCl2 để điều chế Cu
Catot ( – ) ← CuCl2 → Anot (+) Cu2+ , H2O Cl– , H2O Cu2+ + 2e → Cu 2Cl– → Cl2 + 2e Phương trình điều chế : CuCl2 đpdd Cu + Cl2
Chú ý: Khi điện phân các dung dịch sau:
+ Hidroxit của kim loại hoạt động mạnh: KOH, NaOH, Ba(OH)2,..
+ Axit có oxi: HNO3, H2SO4, HClO4,…
+ Muối tạo bởi axit có oxi và bazơ kiềm: KNO3, Na2SO4,…
→ Thực tế là điện phân H2O sinh ra khí H2 (catot) và khí O2 (anot) B. Phương pháp giải
Công thức Faraday: AIt m nF Bước 1: Tính ne trao đổi: e trao doi It
n F
Bước 2:Viết quá trình điện phân.
Bước 3: Tính lượng chất đã điện phân hoặc lượng chất thu được sau điện phân.
Chú ý:
Vkhí = Vkhí (anot) + Vkhí (catot)
mdung dịch giảm = mkim loại + mkhí thoát ra
mcatot = mkim loại (catot)
Chú ý: Nếu biết catot bắt đầu thoát khí → khí thoát ra ở cả hai điện cực. Khi đó nước bắt đầu điện phân ở catot.
2H2O + 2e → 2OH– + H2
C. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 1M với điện cực trơ, cường độ dòng điện là 5A trong thời gian 25 phút 44 giây thì dừng lại. Khối lượng dung dịch giảm sau điện phân là A. 2,88 gam.
B. 3,84 gam.
C. 2,56 gam.
D. 3,20 gam.
Lời giải chi tiết
Đổi 25 phút 44 giây = 25.60 + 44 = 1544 giây Theo hệ quả của công thức Faraday:
e trao doi
It 5.1544
n 0,08 mol
F 96500
Quá trình điện phân:
Ở catot (–): Cu2+ + 2e → Cu
0,08 → 0,04 mol Ở anot (+): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
0,02 ← 0,08 mol
2
Cu O
m 0,04.64 2,56g m 0,02.32 0,64g
Ta có: mdung dịch giảm = mCu +
O2
m
→ mdung dịch giảm = 2,56 + 0,64 = 3,2 gam Chọn D.
Ví dụ 2: Điện phân 200 ml dung dịch AgNO3 0,4M với điện cực trơ, I = 5A. Sau 19 phút 18 giây, khối lượng Ag thu được ở catot là
A. 7,56 gam.
B. 4,32 gam.
C. 8,64 gam.
D. 6,48 gam.
Lời giải chi tiết
Đổi 19 phút 18 giây = 19.60 + 18 = 1158 giây
Theo công thức Faraday: Ag AIt m nF
Ag
108.5.1158 m 1.96500
→ mAg = 6,48 gam Chọn D.
Ví dụ 3: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,2M và AgNO3 0,1M với cường độ dòng điện I = 3,86A. Sau t giây, khối lượng kim loại bám trên catot là 1,72 gam. Giá trị của t là
A. 250.
B. 1000.
C. 500.
D. 750.
Lời giải chi tiết
4 3
CuSO AgNO
n 0,2.0,1 0,02 mol;n 0,1.0,1 0,01 mol
Cu2 Ag
n 0,02 mol;n 0,01 mol
Ở catot (–):
Ag+ + 1e → Ag (1) Cu2+ + 2e → Cu (2)
Nếu Ag+ điện phân hết, Cu2+ chưa điện phân: mkim loại = mAg = 0,01.108 = 1,08 gam
Nếu Ag+ và Cu2+ đều điện phân hết: mkim loại = mAg + mCu = 0,01.108 + 0,02.64 = 2,36 gam Ta thấy: 1,08 < 1,72 < 2,36 → Ag+ điện phân hết, Cu2+ điện phân một phần
Ta có: mCu = mkim loại – mAg = 1,72 – 1,08 = 0,64 gam
→ nCu = 0,01 mol
Theo (1) và (2): ne trao đổi = nAg + 2nCu = 0,01 + 2.0,01 = 0,03 mol n .Fe 0,03.96500
t 750s
I 3,86
Chọn D.
C. Bài tập tự luyện
Câu 1: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,1M (điện cực trơ) với cường độ dòng điện 10A, thời gian điện phân là 32 phút 10 giây. Tổng thể tích khí (đktc) sinh ra ở catot và anot là
A. 1,12 lít.
B. 0,56 lít.
C. 3,36 lít.
D. 2,24 lít.
Câu 2: Điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 và KCl bằng điện cực trơ, màng ngăn xốp với cường độ dòng điện không đổi. Sau thời gian t giây, ở anot thoát ra 2,688 lít hỗn hợp khí (đktc). Nếu thời gian điện phân là 2t giây, thể tích khí thoát ra ở anot gấp 3 lần thể tích khí thoát ra ở catot (đo cùng điều kiện), đồng thời khối lượng catot tang 18,56 gam. Giá trị của m là
A. 55,34.
B. 63,46.
C. 53,42.
D. 69,87.
Câu 3: Điện phân với điện cực trơ dung dịch chứa 0,2 mol Cu(NO3)2, cường độ dòng điện 2,68A, trong thời gian t giờ, thu được dung dịch X. Cho 14,4 gam bột Fe vào X, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N+5) và 13,5 gam chất rắn. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn và hiệu suất của quá trình điện phân là 100%. Giá trị của t là
A. 1,00.
B. 1,20.
C. 0,50.
D. 0,25.
Câu 4: Điện phân nóng chảy muối MCln với điện cực trơ. Khi catot thu được 16 gam kim loại M thì ở anot thu được 5,6 lít khí Cl2 (đktc). Kim loại M là
A. Mg.
B. Fe.
C. Cu.
D. Ca.
Câu 5: Điện phân đến hết 0,2 mol Cu(NO3)2 trong dung dịch với điện cực trơ, thì sau điện phân khối lượng dung dịch đã giảm bao nhiêu gam?
A. 3,2 gam
B. 12,8 gam C. 16,0 gam D. 20,0 gam
Câu 6: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,4M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 9,6 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là
A. 4,48 lít.
B. 2,24 lít.
C. 1,12 lít.
D. 1,68 lít.
Câu 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 14,9 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm 15,1 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Khối lượng kim loại thu được ở catot là
A. 15,1 gam.
B. 6,4 gam.
C. 7,68 gam.
D. 9,6 gam.
Câu 8: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65A. Khi thể tích khí thoát ra ở cả hai điện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân. Khối lượng kim loại sinh ra ở catot và thời gian điện phân là
A. 3,2 gam và 2000s B. 2,2 gam và 800s C. 6,4 gam và 3600s D. 5,4 gam và 800s
Câu 9: Điện phân dùng điện cực trơ dung dịch muối sunfat kim loại hóa trị II với cường độ dòng điện 3A. Sau 1930 giây thấy khối lượng catot tăng 1,95 gam. Muối sunfat đã điện phân là A. CuSO4.
B. NiSO4
C. MgSO4
D. ZnSO4
Câu 10: Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, hiệu suất 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây. Dung dịch thu được sau điện phân có khả năng hòa tan m gam Al. Giá trị lớn nhất của m là
A. 4,05 B. 2,70 C. 1,35 D. 5,40
ĐÁP ÁN
Câu 1 Câu 2 Câu 3 Câu 4 Câu 5 Câu 6 Câu 7 Câu 8 Câu 9 Câu 10
D B A C C D C A D B
