Chuyên đề Về sự điện phân

-------------------------------------------------------------- TÀI LIỆU ÔN THI ĐẠI HỌC 2010 ( HÓA HỌC) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- __________________________________________________________________________ BIÊN SOẠN: Vũ Phấn ( Yên Sở - Hoàng Mai – Hà Nội ) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- SỰ ĐIỆN PHÂN A.KIẾN THỨC CƠ BẢN: 1. Định nghĩa sự điện phân: Sự điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra trên bề mặt điện cực, dưới tác dụng của dòng điện một chiều chạy qua chất điện li ở trạng thái nóng chảy hay dung dịch. 2. Phản ứng oxi hóa- khử xảy ra ở điện cực khi điện phân: a) Cation ( ion dương) về catot ( điện cực âm), tại đó cation nhận electron ( chất oxi hóa) để tạo ra sản phẩm. b) Anion (ion âm) về anot ( điện cực dương), tại đó anion nhường electron ( chất khử) để tạo ra sản phẩm. Phản ứng oxi hóa - khử xảy ra ở điện cực là giai đoạn quan trọng nhất, cần xác định rõ ion nào ưu tiên nhận hoặc nhường electron và tạo ra sản phẩm gì? 3. Sừ oxi hoá – khử trên bề mặt điện cực: a) Điện phân các chất nóng chảy ( muối, Al2O3…) Ở catot: ion dương kim loại nhận electron. Ở anot: ion âm nhường electron. b) Điện phân dung dịch: Khi điện phân dung dịch có nhiều chất oxi hóa và chất khử thì xảy ra sự oxi hóa – khử lần lượt ở các điện cực theo thứ tự ưu tiên. Để viết phương trình điện phân, cần xét riêng rẽ các quá trình xảy ra ở catot và ở anot. c)Thứ tự nhận electron: Ỏ cực âm có các ion H+ (H2O) cation kim loại. Cation kim loại nhận electron theo thứ tự ưu tiên từ sau ra trước: Li+, K+,Ba2+, Ca2+, Na+,Mg2+, Al3+, H+ (H2O), Mn2+, Zn2+,Cr3+, Fe2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+, H+ (axit), Cu2+, Fe3+,Hg+,Ag+, Hg2+ ,Pt2+,Au3+ Sản phẩm tạo thành: M n+ + ne  M; 2H+( axit) + 2e  H2  ; 2H2O + 2e  H2  + 2OH-. Ở cực dương có các anion và nhường ectron theo thứ tự: Cl-> Br-> S2-> CH3COO-> OH- > SO42-. Sản phẩm tạo thành: S2- - 2e  S; 2O2- - 4e  O2 ; 2Cl- - 2e  Cl2 ; 2SO42- - 2e  S2O82- 2CH3COO- - 2e  CH3 – CH3 + 2CO2; 2OH- (bazơ) – 2e  ½ O2 + H2O; H2O - 2e  ½ O2 + 2H+. 4. Hiện tượng dương cực tan: Khi điện phân dung dịch muối trong nước, cực dương làm bằng kim loại của muối hòa tan thị cực dương bị ăn mòn, gọi là hiện tượng dương cực tan. ( Vật liệu làm anot trơ , không bị hòa tan thường là: graphit, platin) 5. Tính lượng sản phẩm điện phân thu được: a) Tính khối lượng đơn chất: Áp dụng công thức Faraday: m = n AIt 96500 hay số mol: A m = n It 96500 . b) Tính khối lượng hợp chất: Dựa vào công thức Faraday tính lượng đơn chất trước rồi suy ra lượng hợp chất bằng phương trình điện phân. -------------------------------------------------------------- TÀI LIỆU ÔN THI ĐẠI HỌC 2010 ( HÓA HỌC) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- __________________________________________________________________________ BIÊN SOẠN: Vũ Phấn ( Yên Sở - Hoàng Mai – Hà Nội ) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- B.CÁC DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP: DẠNG 1: Viết phương trình điện phân, giải thích quá trình điện phân. Ví dụ 1:Viết phương trình điện phân Al2O3 nóng chảy với điện cực bằng than chì. Giải: Al2O3   caot 0 2Al3+ + 3O2-. Catot: 2Al3+ + 6e  2A; Anot: 3O2- - 6e  3/2 O2 Phương trình điện phân : Al2O3 đpnc 2Al + 3/2 O2. Nếu điện cực bằng than, ở anot: C + O2  CO; CO2 nên anot bị ăn mòn dần. Ví dụ 2: Viết phương trình điện phân NaOH nóng chảy. Giải: NaOH   caot 0 Na+ + OH-. Catot: Na+ + 1e  Na; Anot: 2OH- - 2e  H2O + ½ O2. Phương trình điện phân: 2NaOH đpnc 2Na + H2O + ½ O2 Ví dụ 3: Giải thích quá trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực bằng Cu. Giải: CuSO4  Cu2+ + SO42-; H2O  H+ + OH- . Catot: Cu2+, H+(H2O). Cu2+ + 2e  Cu; Anot: SO42-, OH-( H2O). H2O – 2e  ½ O2 + 2H+; Cu + ½ O2 CuO; CuO + H2SO4  CuSO4 + H2O. Xảy ra hiện tượng dương cực tan. Ví dụ 4: Giải thích quá trình điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ. Giải: NiSO4  Ni2+ + SO42-; H2O  H+ + OH- . Catot: Ni2+, H+(H2O). Ni2+ + 2e  Ni. Anot: SO42-, OH-( H2O). H2O – 2e  ½ O2 + 2H+; Phương trình điện phân: NiSO4 + H2O  Ni + ½ O2 + H2SO4. Ví dụ 5: Cho dung dịch của hỗn hợp NaCl và CuSO4. a) Viết phương trình điện phân dung dịch. b) Giải thích tại sao dung dịch sau điện phân hòa tan được Al2O3. Giải: a) NaCl  Na+ + Cl- ; CuSO4  Cu2+ + SO42-; H2O  H+ + OH-. Catot: Cu2+, H+(H2O), Na+. Anot: Cl- , SO42- , OH-( H2O) Cu2+ + 2e  Cu 2Cl- - 2e  Cl2 Phương trình điện phân: 2NaCl + CuSO4 đpdd Cu + Na2SO4 + Cl2 . b) Dung dịch sau khi điện phân hòa tan Al2O3 nên có hai khả năng xảy ra: * Khi điện phân có CuSO4 dư: CuSO4 + H2O đpdd Cu + H2SO4 + ½ O2 Al2O3 + 3H2SO4  Al2(SO4)3 + 3H2O * Khi điện phân có NaCl dư: 2NaCl + 2H2O đpdd 2NaOH + Cl2 + H2 Al2O3 + NaOH  2NaAlO2 + H2O. -------------------------------------------------------------- TÀI LIỆU ÔN THI ĐẠI HỌC 2010 ( HÓA HỌC) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- __________________________________________________________________________ BIÊN SOẠN: Vũ Phấn ( Yên Sở - Hoàng Mai – Hà Nội ) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DẠNG 2: Tính khối lượng kim loại và thể tích các chất khí thoát ra ở điện cực. Ví dụ 6: Điện phân 200ml dung dịch CuSO4 với các điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65 A. Khi thể tích các khí thoát ra ở cả hai điện cực đều bằng 1,12 lít ( ở đktc) thì ngừng điện phân. Kim loại sinh ra bám vào catot có khối lượng là: A. 6,4 gam. B. 3,2 gam. C. 9,6 gam. D. 12,8 gam. Giải: Phương trình điện phân CuSO4 + H2O đpdd Cu + H2SO4 + ½ O2 (1). Sau khi CuSO4 bị điện phân hết, H2O bị điện phân:  Ở catot: 2H+ + 2e  H2 .  Ở anot: H2O – 2e  ½ O2+ 2H+ H2O đp H2 + ½ O2 (2). Theo bài ra: n(H2 thoát ra ở catot) = 1,12/22,4 = 0,05 (mol) n(O2 thoát ra ở anot trong (2)) = 0,025 nCu( catot) = 2 n( O2 thoát ra ở anot trong (1)) = 2.(0,05 – 0,025) = 0,05 mol. Vậy: mCu(catot) = 0,05.64 = 3,2 gam. Chọn đáp án B. DẠNG 3: Tính khối lượng các chất điện phân. Ví dụ 7: 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 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. ( Trích “TSĐH B – 2009”) Giải: n(CuCl2) = 0,05 (mol); n(NaCl) = 0,25 (mol). Phương trình điện phân: 2NaCl + CuSO4 đpdd Cu + Na2SO4 + Cl2 (1). Mol: 0,1  0,05  0,05 Thời gian điện phân (1) là t1 = 96500.2.0,05/ 5 = 1930 giây. Sau phản ứng dư NaCl: n(NaCl dư) = 0,15 mol. 2NaCl + 2H2O đpdd 2NaOH + Cl2 + H2 (2) Al + H2O + NaOH  NaAlO2 + 3/2 H2 . (3) Thời gian điện phân (2) là t2 = 3860 – 1930 = 1930 giây nNaOH(2) =2nH2= 96500 1930.5 = 0,1 mol Vậy m = 0,1.27 = 2,7 gam. Chọn đáp án B. Ví dụ 8: 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 (ở đktc) hỗn hợp khí X có tỉ khối so với hiđro bằng 16. Lấy 2,24 lít (ở 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. 108,0. B. 75,6. C. 54,0. D. 67,5. ( Trích “TSĐH B – 2009”) Giải: Al2O3   caot 0 2Al3+ + 3O2-. Catot: 2Al3+ + 6e  2A; Anot: 3O2- - 6e  3/2 O2 Phương trình điện phân : Al2O3 đpnc 2Al + 3/2 O2 (1). Nếu điện cực bằng than, ở anot: C + O2  CO; CO2 (2) nên anot bị ăn mòn dần. -------------------------------------------------------------- TÀI LIỆU ÔN THI ĐẠI HỌC 2010 ( HÓA HỌC) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- __________________________________________________________________________ BIÊN SOẠN: Vũ Phấn ( Yên Sở - Hoàng Mai – Hà Nội ) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hỗn hợp khí X gồm CO và CO2 ,O2(dư) với tổng số mol là 67,2.1000/22,4 = 3000 (mol). CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2O (3) Trong 2,24 lít (0,1 mol) hỗn hợp X: nCO2 (3) = nCaCO3 =2/100 = 0,02 (mol) nCO = 0,06 (mol); nO2 = 0,02 (mol) . Hỗn hợp X gồm nCO2 =nO2(dư)= 600 mol; nCO= 1800mol nO2(1) = 600+600+ 900 = 2100 (mol) nAl = 4/3.2100 = 2800 (mol). Vậy m = 2800.27 = 75600 gam = 75,6kg. Chọn đáp án B. DẠNG 4: Tính khối lượng dung dịch và nồng độ dung dịch các chất sau điện phân. Ví dụ 9: Điện phân 200ml dung dịch NaCl 1M ( d = 1,15 g/ml) có màng ngăn xốp.Sau khi thu được 1,12 lit khí (ở đktc) thoát ra ở catot thì ngừng điện phân.Tính nồng độ % các chất trong dung dịch sau điện phân. Giải: Phương trình điện phân: 2NaCl + 2H2O đpdd 2NaOH + Cl2 + H2 (1) H2O  đpddNaOH H2 + ½ O2 (2) Giả sử chỉ có phản ứng (1) xảy ra và NaCl điện phân hết: nCl2= nH2 = ½ nNaCl = 0,1 mol. Theo đề bài thì nCl2 = nH2 = 0,05 (mol)< 0,1 (mol)  phản ứng (1) chưa hoàn thành và không xảy ra phản ứng (2).Dung dịch sau điện phân gồm: 0,1 mol NaOH và 0,1 mol NaCl (dư). Tổng khối lượng dung dịch sau điện phân: m = 1,15.200 – 0,05(71+2) = 226,35 (gam). Vậy: C%(NaOH) = 4/226,35 = 1,767%. C%(NaCl) = 5,85/226,35 = 2,584%. Ví dụ 10: Điện phân 200ml dung dịch NaCl 1M có màng ngăn xốp. sau khi thu được 4,48 lít khí (đktc) thoát ra ở catot thì ngừng điện phân. Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch sau điện phân (Coi thể tích dung dịch không đổi). Giải: Xảy ra hai quá trình như ở VD9. Dung dịch sau điện phân chỉ có 0,2 mol NaOH. Vậy CM(NaOH) = 0,2/ 0,2 = 1(M). C. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM TỰ GIẢI: 1. 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. ( Trích “TSĐH A – 2009”) 2. §iÖn ph©n dung dÞch chøa a mol CuSO4 vµ b mol NaCl ( víi ®iÖn cùc tr¬, cã mµng ng¨n xèp) §Ó dung dÞch sau ®iÖn ph©n lµm phenolphtalein chuyÓn sang mµu hång th× ®iÒu kiÖn cña a vµ b lµ: A. b 2a D. 2b = a 3. Trong công nghiệp, natri hiđroxit được sản xuất bằng phương pháp: A. điện phân dung dịch NaCl, không có màng ngăn điện cực. B. điện phân dung dịch NaCl, có màng ngăn điện cực. C. điện phân dung dịch NaNO3 , không có màn ngăn điện cực. D. điện phân NaCl nóng chảy. 4. Cho các ion: Na+, Al3+, Ca2+, Cl-, SO42-, NO3-. Các ion không bị điện phân khi ở trạng thái dung dịch là: A. Na+, Al3+, SO42-, NO3-. B. Na+, Al3+, SO42-, Cl-. C. Na+, Al3+, Cl-, NO3-. D. Al3+, Cu2+, Cl-, NO3-. -------------------------------------------------------------- TÀI LIỆU ÔN THI ĐẠI HỌC 2010 ( HÓA HỌC) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- __________________________________________________________________________ BIÊN SOẠN: Vũ Phấn ( Yên Sở - Hoàng Mai – Hà Nội ) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5. Điện phân ( điện cực trơ, có màng ngăn xốp) một dung dịch có chứa các cation: Fe2+, Fe3+, Cu2+. Thứ tự xảy ra sự khử ở catot là: A. Fe2+, Cu2+, Fe3+. B. Fe3+, Cu2+, Fe2+. C. Fe3+, Fe2+, Cu2+. D. Fe2+, Fe3+,Cu2+. 6. Điện phân ( điện cực trơ, có màng ngăn xốp) một dung dịch có chứa các anion: S2-, SO2-. Thứ tự xảy ra sự oxi hóa ở anot là: A. S2-, OH-, SO42-. B. S2-, SO42-, OH-. C. OH-, S2-, SO42-. D. OH-, SO2-, S2-. 7. Cho các dung dịch riêng biệt sau: KCl, NaCl, CaCl2, Na2SO4, ZnSO4, H2SO4, KNO3, AgNO3, NaOH. Dung dịch khi điện phân thực chất chỉ là điện phân nước đó là: A. NaOH, NaCl, ZnSO4, KNO3, AgNO3. B. NaOH, Na2SO4, H2SO4, KNO3, CaCl2. C. NaOH, Na2SO4, H2SO4, KNO3. D. Na2SO4, KNO3, KCl. 8. Khi điện phân dung dịch NaCl ( điện cực trơ, không có màng ngăn xốp) thì sản phẩm thu được gồm: A. H2, Cl2, NaOH. B. H2, Cl2, nước Javen. C. H2, nước Javen. D. H2,Cl2, NaOH, nước Javen. 9. Cho các dung dịch: KCl, NaCl, CaCl2, Na2SO4, ZnSO4, H2SO4, KNO3, AgNO3, NaOH. Sau khi điện phân, các dung dịch cho môi trường bazơ là: A. KCl, KNO3, NaCl, Na2SO4. B. KCl, NaCl, CaCl2, NaOH. C. NaCl, CaCl2, NaOH, H2SO4. D. NaCl, NaOH, ZnSO4, AgNO3. 10. Phát biểu nào sau đây không đúng? A. Khi điện phân các chất nóng chảy thì ở catot các cation kim loại nhận electron. B. Khi điện phân các chất nóng chảy thì ở anot các anion nhường electron. C.Khi điện phân thì ở trên các bề mặt điện cực xảy ra quá trình oxi hóa – khử. D. Khi điện phân các dung dịch muối trong nước thì cực dương bị ăn mòn. 11. Điện phân 200ml dung dịch CuSO4 nồng độ x M (điện cực trơ). Sau một thời gian thì thấy khối lượng dung dịch giảm 8 gam và để làm kết tủa hết ion Cu2+ còn dư trong dung dịch cần dùng 100ml dung dịch NaOH 0,5 M. Giá trị của x là: A. 0,5. B. 1,0. C. 1,5. D. Kết quả khác. 12. Điện phân dung dịch chứa NaOH 0,01M và dung dịch Na2SO4 0,01M. Thể tích dung dịch trong quá trình điện phân thay đổi không đáng kể. pH của dung dịch sau điên phân là: A. 2. B. 8. C.10. D.12. 13. Điện phân 400ml dung dịch AgNO3 0,2M và Cu(NO3)2 0,1M ( h= 100%, điện cực Pt) với cường độ dòng điện I = 10A. Sau thời gian t giây thì ngừng điện phân, khối lượng Cu thoát ra bám vào catot là 1,28 gam. Giá trị của t là: A. 1158. B. 2316. C. 9650. D. 4825. 14. Điện phân dung dịch NaOH với cường độ dòng điện là I = 10A trong thời gian 268 giây. Sau khi điện phân còn lại 100 gam dung dịch NaOH 24%. Nồng độ % của dung dịch NaOH trước khi điện phân là: A. 20. B. 25. C. 16. D. Kết quả khác. 15. Điện phân 500ml dung dịch AgNO3 0,1M và Cu(NO3)2 0,2M ( điện cực platin) với cường độ dòng điện I = 10 A.Dung dịch sau điện phân có [H+] = 0,16M.Giả sử hiệu suất điện phân là 100% và thể tích dung dịch không thay đổi. Nồng độ mol của muối nitrat trong dung dịch sau điện phân là: A. 0,2M. B. 0,3M. C. 0,1M. D. 0,17M.