ĐIỆN PHÂN
Ths Nguyễn Quốc Việt
Tel: 0916505381 or 0983505381
Nhận luyện thi Đại hoc môn Hóa 8, 9, 10, 11, 12
Tại Thành Phố Hà Tĩnh
I.
KHÁI NIỆM:
Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở
bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc
dung dịch chất điện li.
Một số khái niệm
·
Trong bình điện phân: - Cực
dương là Anot (A)
- Cực
âm là Katot (K)
·
Chất điện li là: Muối,
axit, bazơ và oxit.
·
Ở trạng thái nóng chảy hoặc trong dung dịch:
chất điện li ® ion(+) +
ion(-)
·
Khi tiến hành điện phân:
-
Ion dương về cực âm (anot), xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình cho e)
-
Ion âm về cực dương (katot), xảy ra quá trình khử (quá
trình nhận e)
Phương trình
Faraday:
Khối lượng chất thoát ra ở điện cực: m = AIt/nF
Số mol electron trao đổi ở điện cực: ne traođổi = It/F
ne
trao đổi: Số mol e trao đổi ở điện cực
I: Cường độ dòng điện (Ampe)
t:
Thời gian điện phân (giây)
F
= 96.500: Hằng số Faraday
A: Khối lượng mol nguyên tử, phân tử
n: Số e trao đổi của một nguyên tử, phân tử
m:
Khối lượng chất thoát ra ở điện cực
II.
PHÂN LOẠI ĐIỆN
PHÂN:
1. Điện phân nóng chảy:
·
Mục đích: Điều chế kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, Al
Điện phân nóng chảy NaCl:
NaClnc ® Na+ + Cl-
Tại anot: 2Cl- -2e ® Cl2
Tại katot: Na+ + e ® Na
Phương trình điện phân chung: 2NaCl
2Na + Cl2
Điện phân nóng chảy Al2O3:
Al2O3nc
2Al3+
+ 3O2-
Tại anot: 2O2- - 4e ® O2
Tại katot: Al3+
+ 3e ® Al
Phương
trình điện phân chung 2Al2O3
4Al + 3O2
2. Điện phân dung dịch:
·
Mục đích: -
Tinh chế kim loai
- Mạ kim loại
- Điều chế kim loại hoạt động trung
bình và yếu
2.1.
Anot làm bằng điện
cực trơ:
·
Khái niệm điện cực trơ: là điện cực không tham gia điện phân trong
quá trình điện phân (ví dụ: điện cực Pt, grafit).
Điện phân dung dịch CuCl2 :
Trong dung dịch: CuCl2
® Cu2+ + 2Cl-
Tại
anot: 2Cl- - 2e ® Cl2
Tại
katot: Cu2+ + 2e ® Cu
Phương
trình điện phân chung: CuCl2
Cu + Cl2
Ví dụ 1: Điện phân dung dịch CuCl2 dư với điện cực trơ với
dòng điện 9,65A sau một thời gian thu được
0,32 gam Cu ở catôt và V lít khí X (ở đktc) thoát ra ở anôt. Tính V, thời gian
điện phân.
Hướng dẫn giải:
nCu =
= 0,005 mol
Tại katot: Cu2+
+ 2e ® Cu
0,01
0,005
Tại anot: 2Cl-
- 2e ® Cl2
0,01
0,005
ne traođổi = It/F =
= 0,01; t = 100 (s); VCl2
= 0,005x22,4 =0,112 lít
Điện phân dung dịch CuSO4:
Trong dung dịch: CuSO4 ® Cu2+ + SO42-
Tại anot: SO42- 2H2O - 4e ® 4H+ + O2
Tại katot: Cu2+ + 2e ® Cu
Phương
trình điện phân chung: CuSO4 + H2O
Cu + H2SO4
+
O2
Chú ý : Trong dung dịch ion gốc axit có oxi (NO3-,
SO42-...), ion OH- không bị điện phân. Khi điện
phân các ion này thì H2O sẽ điện phân
(2H2O - 4e ® 4H+ + O2)
Ví dụ 2: Điện phân dung dịch Cu(NO3)2
với I = 9,65A khi bắt đầu có khí thoát ra ở katot thì dừng lại, thời gian điện
phân 40 phút. Tính khối lượng Cu sinh ra ở katot và thể tích khí thoát ra ở
anot.
Hướng dẫn giải
t = 40*60 =2400 (s)
ne traođổi = It/F =
= 0,24 mol
Tại Katot: Cu2+ + 2e ® Cu
0,24 0,12
Tại anot: NO3- 2H2O -
4e ® 4H+ + O2
0,24 0,06
mCu = 0,12*64 = 7,68 gam; VO2 = 0,06x22,4 = 1,344 lít
Ví dụ 3: Điện phân dung dịch CuSO4
dư trong 40 phút thu được 1,92 gam Cu. Tính I
Hướng dẫn giải:
nCu =
= 0,03 mol; t = 40*60 =2400 (s)
Tại katot: Cu2+ + 2e ® Cu
0,06
0,03
ne trao đổi = It/F =
= 0,06; I = 2,4125 A
Ví dụ 4: Điện phân 400 ml dung dịch CuSO4
0,2M với cường độ dòng điện 10 A trong một
thời gian thu được 0,224 lit khí (đktc) ở anot. Biết điện cực đã dùng là điện cực
trơ và H=100%. Tính khối lượng catot tăng.
Hướng dẫn giải
nCuSO4 = 0,4*0,2 = 0,08 mol
nO2 =
= 0,01 mol
CuSO4
® Cu2+
+ SO42
Tại anot: SO42-, H2O 2H2O - 4e ® 4H+ + O2
0,04 0,01
Tại katot: Cu2+ + 2e ® Cu
0,02 0,04
0,02
nCu2+(đp) = 0,02 < nCu2+(bđ)
= 0,08 Þ Cu2+ chưa điện phân hết
mCu = 0,02*64 = 1,28 gam
Điện phân
dung dịch NaCl:
NaCl
® Na+
+ Cl-
Tại
anot: 2Cl-
-2e ® Cl2
Tại katot: Na+ 2H2O + 2e ® 2OH- + H2
Phương
trình điện phân chung: 2NaCl + 2H2O
2NaOH + Cl2 + H2
Chú ý: Trong dung dịch ion kim loại từ K+
đến Al3+ không bị điện phân. Khi điện phân các ion này thì H2O
sẽ bị điện phân (2H2O + 2e ® 2OH- + H2)
Ví dụ 5: Cho dòng điện I = 5A qua dd KCl (có màng ngăn), khi ngừng điện
phân ở anot thu được 3,36 lit khí (đkc). Biết dung dịch sau khi điện phân chứa
2 chất tan. Tính thời gian điện phân và thể tích khí thoát ra ở katot.
Hướng dẫn giải:
Dung dịch sau khi điện phân chứa 2 chất tan Þ KCl chưa điện phân hết ở anot chỉ có khí Cl2 nCl2 =
= 0,15 mol
Tại anot:
2Cl- - 2e
® Cl2
0,3
0,15
Tại katot: Na+ 2H2O + 2e ® 2OH- + H2
0,3 0,15
ne trao đổi = It/F =
= 0,3; t = 5790 s; VH2 = 0,15x22,4 = 3,36 lít
Ví
dụ 6: Điện phân 500 ml dung dịch KCl 0,4 M (có màng ngăn), khi ngừng điện phân ở
katot thu được 6,72 lit khí (đkc). Tính thể tích khí thoát ra ở anot.
Hướng dẫn giải:
nKCl = 0,5x0,4 = 0,2 mol
KCl ® K+ + Cl-
Tại katot: K+ 2H2O + 2e ® 2OH- + H2
0,6 0,3
nH2
=
= 0,3 mol
Tại anot: 2Cl-
- 2e ® Cl2
0,2 0,2 0,1
2H2O
- 4e ® 4H+ + O2
0,4 0,1
Ví dụ 7: Điện
phân 2 lit dung dịch KOH 6% (D = 1,05 gam/ml) với I = 5A. Sau một thời gian điện
phân nồng độ dung dịch thay đổi 2%. Tính thời gian điện phân.
Hướng dẫn giải:
mddKOH
= VxD =2000x1,05 = 2100 gam; mKOH =2100x
=
126 gam
KOH → K+
+ OH-
Tại anot: OH- 2H2O - 4e ® 4H+ + O2
Tại katot: K+ 2H2O + 2e ® 2OH- + H2
Điện phân dung dịch KOH là điện
phân H2O Þ trong quá trình điện phân, khối lượng chất
tan không đổi, nồng độ chất tan tăng lên
C%KOH = 6 + 2 = 8%; mddKOH sau đp =
126x
=
1575 gam
mH2O đp = 2100 – 1575 = 525 gam; nH2O
=
mol
2H2O
2H2
+ O2
2H+1
+2e → H2
ne trao đổi = It/F =
=
; t = 1125833 s = 312 giờ 43 phút 53 giây
Điện phân dung dịch hổn hợp gồm HCl, CuCl2,
FeCl3
HCl ® H+ + Cl-
CuCl2 ® Cu2+ + 2Cl-
FeCl3 ® Fe3+ + 3Cl-
Tại anot: 2Cl-
-2e ® Cl2
Tại katot: Fe3+ + 1e ® Fe2+
Cu2+
+ 2e ® Cu
2H+
+ 2e ® H2
Fe2+
+ 2e ® Fe
Chú ý:
Tại katot: ion dương,
phân tử nào có tính oxi hóa mạnh hơn bị điện phân trước
Tại anot: ion âm, phân
tử nào có tính khử mạnh hơn bị điện phân
trước
Ví dụ 8: Điện phân dung dịch B gồm 0,04 mol Cu(NO3)2
và 0,08 mol AgNO3 trong thời gian 38 phút 36 giây với điện cực trơ,
cường độ dòng điện 5A. Tính khối lượng kim loại thoát ra ở katot.
Hướng dẫn giải
t = 38*60 + 36 = 2316 s; ne
trao đổi = It/F =
= 0,12
mol
Tại
katot : Ag+ + 1e ® Ag
0,08 0,08
0,08
Cu2+
+ 2e ® Cu
0,02 0,04
0,02 (Cu2+ dư 0,04 –
0,02 = 0,02 mol)
Khối lượng kim loại thoát ra ở katot: m =
0,08*108 + 0,02*64 = 9,92 gam
Ví dụ 9: Điện phân 250 ml dung dịch gồm AgNO3 và Cu(NO3)2
với I=0,429A, sau 5 giờ thì điện phân hoàn toàn. Khối lượng kim loại thu được
là 6,36 gam. Tính CM các muối
trong dung dịch ban đầu
Hướng dẫn giải
t = 5*60*60 = 18000 s; ne trao đổi = It/F =
= 0,08
mol
Tại
katot : Ag+ + 1e ® Ag
x x x
Cu2+
+ 2e ® Cu
y
2y y
Ta có: ne
= x + 2y = 0,08; mkim loại =
108x + 64y = 6,36
x
= 0,05; y = 0,015
CM
AgNO3 =
= 0,2M ; CM Cu(NO3)2 =
= 0,06M
Điện phân
dung dịch chứa a mol NaCl và b CuSO4:
Tại anot: 2Cl- - 2e ® Cl2
Khi Cl- hết, H2O bị điện
phân: 2H2O - 4e ® 4H+ + O2
Tại katot: Cu2+
+ 2e ® Cu
Khi Cu2+ hết, H2O bị điện phân: 2H2O + 2e ® 2OH- + H2
Phương trình điện phân chung: CuSO4 + 2NaCl → Cu + Na2SO4
+ Cl2
Nếu CuSO4 dư (a < 2b): CuSO4 +
H2O → Cu + H2SO4 + ½ O2
Nếu NaCl dư (a > 2b): 2NaCl + 2H2O → 2NaOH +
Cl2 + H2
Ví dụ 10: Tiến
hành điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp) 1 dung dịch chứa m gam hỗn hợp
CuSO4 và NaCl cho tới khi nước bắt đầu bị điện phân ở cả 2 điện cực
thì dừng lại, thu được 0,448 lít khí (đktc). Dung dịch sau điện phân có môi trường
axit và có thể hoà tan tối đa 0,68 gam Al2O3. Tính m.
Hướng dẫn giải:
nkhí
=
=
0,02 mol; nAl2O3 =
=
mol
Phương trình điện phân chung:
CuSO4 + 2NaCl → Cu + Na2SO4
+ Cl2 (1)
0,01 0,02 0,01 (nCl2 = nkhí – nO2)
Dung dịch sau điện phân có môi trường axit Þ sau (1), CuSO4 dư
CuSO4 dư + H2O → Cu + H2SO4
+ ½ O2
0,02 0,02
0,01
Khi nước bắt
đầu bị điện phân ở cả 2 điện cực thì dừng lại Þ CuSO4
dư điện phân vừa hết
Al2O3 + 3H2SO4
→ Al2(SO4)3 + 3H2
m = 0,03x160 + 0,02x58,5
= 5.97 gam
Ví dụ 11: Điện
phân 200ml dung dịch Y gồm KCl 0,1M và Cu(NO3)2 0,2M với
cường độ dòng điện 5A trong thời gian 1158 giây, điện cực trơ, màng ngăn xốp.
Giả sử nước bay hơi không đáng kể. Tính độ giảm khối lượng của dung dịch sau
khi điện phân.
Hướng dẫn giải:
nKCl
= 0,1x0,2 = 0,02 mol; nCu(NO3)3 = 0,2x0,2 = 0,4 mol
ne trao
đổi = It/F =
= 0,06 mol
Tại anot: 2Cl-
- 2e ® Cl2↑
0,02 0,02
0,01
2H2O - 4e ® 4H+ + O2 ↑
0,04
0,01
(ne H2O cho = ne
trao đổi – 0,02)
Tại katot:
Cu2+ + 2e ® Cu↓
0,03 0,06
0,03 (Cu2+
dư: 0,04 – 0,03 = 0,01)
Độ giảm khối
lượng của dung dịch sau khi điện phân:
Ví dụ 12: Điện phân 1 lít dung dịch chứa 14,9 gam KCl và 13,5 gam CuCl2
điện cực trơ, cho đến khi anot thoát ra 3,36 lít khí (ở đktc) thì dừng điện
phân. Tính pH của dung dịch sau điện phân (Vdd không thay đổi)
Hướng dẫn giải
nKCl =
= 0,2 mol; nCuCl2 =
= 0,1 mol; nCl- = 0,4 mol
Tại anot: 2Cl- - 2e ® Cl2
0,3 0,15
nCl2
=
= 0,15
mol (Cl- dư: 0,4 – 0,3 =
0,1 mol)
Tại katot: Cu2+ + 2e ® Cu
0,2
0,1
2H2O
+ 2e ® 2OH- + H2
0,1 0,1
CM
OH- =
= 0,1 M Þ pOH = 1 Þ pH = 13
Ví dụ 13: Điên phân 400 ml dung dịch chứa HCl và KCl có
màng ngăn, I=9,65 A trong 20 phút. Dung dịch sau điện phân chỉ chứa một chất
tan có pH = 13. Tại anot chỉ thu được một loại khí. Tính CM các chất
trong dung dịch ban đầu
Hướng
dẫn giải
ne
trao đổi =
=
= 0,12 mol
pH = 13 ; pOH = 1 ; nOH-
=0,1*0,4 = 0,04 mol
Anot chỉ thu được một loại khí, dung dịch sau điện phân chỉ chứa một chất
tan
Þ các chất điện phân vừa hết
Tại anot : 2Cl- - 2e ® Cl2
0,12 0,12
0,06
Tại
katot : 2H+ + 2e ® H2
x
x
2H2O
+ 2e ® 2OH- + H2
0,04 0,04
Ta có: x + 0,04 = 0,12; x = 0,08
nHCl = 0,08 mol; nKCl =
0,12 – 0,08 = 0,04mol
CM HCl =
= 0,2 M; CM
KCl =
= 0,1 M
Ví dụ 14: Điện phân 500 ml
dung dịch chứa HCl aM và Cu(NO3)2 bM điện cực trơ cho đến
khi anot thoát ra 2,24 lít khí (ở đktc) thì dừng đện phân. Dung dịch sau điện
phân phản ứng vừa đủ với 500 ml dung dịch NaOH 1M thu được 9,8 gam kết tủa.
Tính a và b
Hướng dẫn giải
nNaOH = 0,5*1 = 0,5 mol; nCu(OH)2
=
= 0,1 mol
dd sau điện phân + dd NaOH → kết tủa Þ Cu2+ dư, H+ chưa điện phân
Tại anot: 2Cl-
- 2e ® Cl2
x
2x x
2H2O
- 4e ® 4H+ + O2 (H2O
có thể chưa bị điện phân)
4y y
nkhí =
= 0,1 mol
Tại katot: Cu2+
+ 2e ® Cu
0,15 0,3
dd sau điện phân + dd NaOH
H+
+ OH- ® H2O
0,3 0,3
Cu2+
+ 2OH- ® Cu(OH)2
0,1 0,2 0,1
Ta có:
khí = x + y = 0,1;
H+ = 2x + 4y = 0,3 Þ x = 0,05; y = 0,05
(Nếu ở anot H2O chưa bị điện phân, hệ phương
trình vô nghiệm)
ne trao đổi = 2x + 4y = 0,3 mol
Cu2+ = 0,15 + 0,1 = 0,25 mol
nHCl = 0,05*2 = 0,1 mol
CM HCl =
= 0,2 M; CM Cu(NO3)2 =
= 0,5 M
Điện phân dung dịch Fe2(SO4)3
Fe2(SO4)3
® 2Fe3+ + 3SO42-
Tại anot: SO42- 2H2O
- 4e ® 4H+ + O2
Tại katot:
Fe3+ + 1e ® Fe2+
2H+ + 2e ® H2
Phương trình điện phân chung: 2Fe2(SO4)3 + 2H2O
® 4FeSO4 +2H2SO4
+ O2
Dung dịch sau khi điện phân có FeSO4
và H2SO4
Chú ý: Khi điện phân dung dịch muối có gốc axit chứa
oxi của kim loại đứng trước hiđro là quá trình điện phân H2O
Ví dụ 15: Hoà tan a mol Fe3O4
bằng dung dịch H2SO4 vừa đủ, thu được dung dịch X. Điện
phân X điện cực trơ bằng dòng điện cường độ 9,65A. Sau1000 giây thì katot bắt đầu thoát khí. Tính a.
Hướng dẫn giải
ne
trao đổi = It/F =
= 0,1 mol
Fe3O4
+ 3H2SO4 ® FeSO4+ Fe2(SO4)3 + 3H2O
a a a
Dung dịch
X: a mol FeSO4, a mol Fe2(SO4)3
Tại anot: SO42- 2H2O - 4e ® 4H+ + O2
Tại katot:
Fe3+ + 1e ® Fe2+
2a
2a
2H+ + 2e ® H2
Khi katot bắt đầu thoát khí, Fe3+
vừa điện phân hết. Ta có
2a = 0,1; a
= 0,05 mol
2.2.
Anot làm bằng điện
cực tan:
Điện phân dung
dịch CuSO4, anot làm bằng điện cực Cu
Trong dung dịch: CuSO4
® Cu2+
+ SO42-
Tại
anot: SO42-, H2O Cu - 2e ® Cu2+
Tại
katot: Cu2+ +
2e ® Cu
Ví dụ 16: Điện phân 300ml dung dịch chứa AgNO3 0,2M với anôt bằng Cu, cường
độ dòng điện 5A, sau một thời gian thấy khối lượng anôt giảm 1,28 gam. Tính khối
lượng kim loại thoát ra trên catôt.
Hướng dẫn giải
nAgNO3 = 0,2*0,3 = 0,06 mol
manot giảm = mCu bị oxi hóa Þ nCu =
= 0,02 mol
Tại anot: Cu ® Cu2+ + 2e
0,02 0,02 0,04
Tại katot : Ag+
+ 1e ® Ag
0,04 0,04
0,02 (Ag+ dư: 0,06 –
0,04 = 0,02 mol)
Khối lượng kim loại thoát ra trên Katot: m =
0,04*108 = 4,32 gam
Ví dụ 17: Điện phân 100ml dung dịch chứa AgNO3
0,2M với anôt bằng Cu, cường độ dòng điện 5A, sau một thời gian thấy khối lượng
anôt giảm 1,28 gam. Tính khối lượng kim loại thoát ra trên catôt.
Hướng dẫn giải
nAgNO3 = 0,2*0,1 = 0,02 mol
manot giảm = mCu bị oxi hóa Þ nCu =
= 0,02 mol
Tại anot: Cu ® Cu2+ + 2e
0,02 0,02 0,04
Tại katot : Ag+
+ 1e ® Ag
0,02
0,02 0,02
Cu2+
+ 2e ® Cu
0,01 0,02 0,01
Khối lượng kim loại thoát ra trên Katot:
m = 0,02*108 + 0,01*64 = 2,8 gam
Ví dụ 18: Điện phân 100ml dung dịch chứa
Cu(NO3)2 với anôt bằng Cu, cường độ dòng điện 5A, sau một
thời gian thấy khối lượng anôt giảm 1,28 gam. Tính khối lượng kim loại thoát ra
trên catôt.
Hướng dẫn giải
nCu(NO3)2 = 0,05*0,1 = 0,005 mol; nAgNO3 = 0,2*0,1 =
0,02 mol
manot giảm = mCu bị oxi hóa Þ nCu =
= 0,02 mol
Tại anot: Cu ® Cu2+ + 2e
0,02 0,02 0,04
Tại katot : Cu2+ + 2e ® Cu
0,04 0,02
Khối
lượng kim loại thoát ra trên Katot: m = 0,02*64 = 1,28 gam
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét