LÝ THUYẾT / HÓA HỌC / ĐIỆN PHÂN

BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN

I. MỘT SỐ CƠ SỞ ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VỀ ĐIỆN PHÂN

1.Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

+ Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào.

+ m _{(dung dịch sau điện phân)} = m _{(dung dịch trước điện phân)} – (m _{kết tủa} + m _khí)

Vậy độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (m _{kết tủa} + m _khí)

2.Khi điện phân các dung dịch:

+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học 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 để cho H₂ (ở catot) và O₂ (ở anot)

* H₂O bắt đầu điện phân tại các điện cực khi:

+ Ở catot: bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là các ion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết.
+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai loại) có thể bị điện phân đã bị điện phân hết. Khi đó chất tiếp tục điện phân là H₂O .

3. Khi điện phân dung dịch với anot các kim loại như Ni, Cu, Ag…thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực.

4. Trong quá trình điện phân có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực.

Ví dụ:

+ Điện phân nóng chảy Al₂O₃ (có Na₃AlF₆) với anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh.

+ Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H₂ thoát ra ở catot.

+ Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot

5.Viết phương trình điện phân tổng quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết (thường trong những bài toán không liên quan tới I,t )

6.Có thể tính toán hay biện luận theo số mol e nhường hoặc nhận.

Bài toán điện phân thường xoay quanh 3 yếu tố: cường độ dòng điện I, thời gian điện phân t và lượng đơn chất thoát ra ở điện cực. Đề sẽ cho 2 trong 3 dữ kiện và yêu cầu xác định dữ kiện còn lại. Trong các bài toán này,có thể chỉ cần tính số mol e nhường hoặc nhận mà không cần viết phương trình phản ứng điện phân.

Từ công thức Farađây: (*)

Trong đó:

+ m là chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam.

+ F là số Fa-ra-đây, F = 96494 C/mol, thường lấy chắn là F = 96500 C/mol.

+ A là khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố tạo nên ion, có đơn vị gam.

+ n là hóa trị của nguyên tố tạo ra ion.

+ I là cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân, có đơn vị ampe (A);

+ t là thời gian dòng điện chạy qua bình điện phân, có đơn vị giây (s).

Sau đó dựa vào thứ tự điện phân, so sánh tổng số mol electron nhường hoặc nhận (n_e) để biết mức độ điện phân xảy ra. Ví dụ để dự đoán xem cation kim loại có bị khử hết không hay nước có bị điện phân không và H₂O có bị điện phân thì ở điện cực nào…

- Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức (*) để tính I hoặc t.

7. Bài toán điện phân hỗn hợp nhiều ion: Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi so sánh với thời gian t trong đề bài. Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết

8. Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau.

II. PHƯƠNG PHÁP CHUNG GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN:

1. KHÁI QUÁT CHUNG:

- Công thức tính khối lượng sản phẩm tạo thành ở điện cực:

Công thức Farađây : .

Ta có ${n_e} = \frac{{I.t}}{F}$

Xét một chất X cụ thể tạo thành ở điện cực :

m_X===M_X .n_X

(n_e/n: số mol X ).

- Nếu đề bài cho số liệu về I và t → đổi thành n_e

- Nếu đề bài không cho số liệu về I và t → giải như bài toán oxh-khử thông thường.

* Bảo toàn e : n_e nhường = n_enhận

2. CAC BƯỚC THÔNG THƯỜNG DỂ GIẢI MỘT BAI TẬP DIỆN PHAN

Bước 1: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân; Xác định các ion ở mỗi điện cực.	- Cực dương (+): anot (các anion di chuyển về). - Cực âm (-) : catot (các cation di chuyển về).
Bước 2: Viết các PTHH của các bán phản ứng oxi hóa hoặc khử (Viết phương trình cho, nhận e của các ion tại các điện cực);	Tính số e nhường hoặc nhận ở mỗi điện cực (Nếu giả thiết cho cường độ dòng điện và thời gian điện phân) : n_e(nhường ở anot) = n_e (nhận ở catot).
Bước 3: Biểu diễn các đại lượng theo các bán phản ứng hoặc theo phương trình điện phân chung.	Viết các phương trình hoặc hệ phương trình tương ứng với số ẩn
Bước 4: Tính theo yêu cầu của bài toán	+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron nhận ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh.

III.PHÂN LOẠI MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN:

1. BÀI TOÁN KHÔNG CHO BIẾT I VÀ T

( giải như bài toán oxh-khử thông thường).

VD : Điện phân dd CuSO₄ ở catot có 3,2g Cu. Tính thể tích khí thoát ra ở anot (đktc) ?

Hướng dẫn giải:

CuSO₄ + H₂O ➜Cu + H₂SO₄ + 1/2O₂

(-) (+)

V_O2 = ½ n_Cu = ½ . 3,2/64 . 22,4 = 0,56 lít

2. BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHỈ CÓ H2O THAM GIA ĐIỆN PHÂN Ở 2 CỰC

- Kim loại từ K → Al trong dãy điện hóa, gốc axit có oxi

Dd gồm : + muối của kim loại từ K → Al

+ axit có oxi.

+ kiềm

Bản chất : H₂O → H₂ + 1/2O₂

(-) (+)

Nước bị điện phân → nước giảm →nồng độ dung dịch tăng theo thời gian.

Muốn giải bài toán : Tính H₂O tham gia điện phân là bao nhiêu ?

VD: Điện phân 200g dd NaOH 10% đến khi dd NaOH 25% thì dừng điện phân. Tính thể tích khí (đktc) thoát ra ở 2 điện cực?

HƯỚNG DẪN

m chất tan = 200.10/100=20g( ban đầu ) cũng là cuối cùng vì không thay đổi

→ mdd sau đp ==

m dd đầu 200g → m dd sau 80g suy ra m H₂O đã điện phân = 200 – 80 = 120 g

→ n H₂O

H₂O → H₂ + 1/2O₂

V_H2 = 2. 74,66 = 149,33 lít.

3. BÀI TOÁN BIẾT I VÀ T ( ĐỔI I,T → NE)

Ví dụ : Điện phân 200ml dung dịch CuSO₄ , I = 1,93A cho tới khi catot xuất hiện bọt khí cần t = 250s. Tính nồng độ mol CuSO₄ ban đầu ? Tính thể tích khí ( đktc) thoát ra ở anot?

Hướng dẫn giải:

n_e=

nCu²⁺= ½ .n_e = 0,0025 mol.

C_M = 0,0025/0,2 = 0,0125 M

( Đến khi có bọt khí ]

=>H₂O đp PƯ vừa đủ

V_O2= 22,4.n_O2= 22,4 . ¼ . n_e = 22,4 . ¼ .0,005 = 0,028 lít

( ¼ n_e vì trong nước 2O^2-→ O₂ + 4 e ).

4. MẮC NỐI TIẾP CÁC BÌNH ĐIỆN PHÂN :

(I = const ] q = const ] n_e = nhau giữa các bình điện phân trong cùng thời gian)

+ Mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện I bằng nhau

+ Nếu cùng thời gian → q bằng nhau → n_e bằng nhau.

VD : Cho 2 bình điện phân mắc nối tiếp trong đó bình 1 chứa MCl₂, bình 2 chứa AgNO₃ điện phân trong 3 phút 3 giây thấy bình 1 có 1,6 g kim loại bám ở catot, bình 2 có 5,4 g kim loại bám ở catot. Biết cả 2 bình chưa có khí thoát ra ở catot. M là

A.Zn.

B. Ni.

C. Cu.

D. Pb.

HƯỚNG DẪN

Bảo toàn e, cho n_e các bình = nhau

(Chú ý : bài toán cho thời gian t nhưng không cho I nên không tính theo công thức ${n_e} = \frac{{I.t}}{F}$ ).

Ta có thể giải nhanh như sau:

n_e = n_KL . điện tích ion KL

n_e =

=> M là Cu

5. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH HỖN HỢP

( điện phân dung dịch nhiều giai đoạn)

* Nguyên tắc:

- Xác định đúng thứ tự nhường nhận electron ở các điện cực.

Áp dụng bảo toàn electron, phân phối e lần lượt vào các bán phản ứng (trong trường hợp phản ứng không vừa đủ tức không xảy ra hoàn toàn).

VD1: Cho 200ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO₃)₂ và AgNO₃ để điện phân (điện cực trơ) hết các ion kim loại trong hỗn hợp cần dùng I = 0,402A, t = 4h (cần vừa đủ) có 3,44g kim loại bám vào catot. C_M của dung dịch Cu(NO₃)₂ và AgNO₃ lần lượt là:

A.0,2M; 0,2M.

B. 0,1M; 0,1M.

C. 0,2M; 0,1M.

D. 0,1M; 0,2M.

HƯỚNG DẪN

Đổi I, t ra n_e ( m_KL = 3,44g; n_e : ion kim loại nhận → 2 số liệu tuyệt đối nên đặt ẩn là số mol 2 chất → giải hệ PT 2 ẩn) .

Gọi nCu(NO₃)₂= a mol ; nAgNO₃= b mol

Theo giả thiết : m_KL = 64a + 108b = 3,44 g

n_e=2n_Cu+n_Ag=

(n_{e nhận} = điện tích ion KL . n_KL )

Ta có Hệ PT :

Vậy nồng độ mol 2 chất là 0,1 M; 0,1 M

VD2: Điện phân 0,8 lít dung dịch hỗn hợp gồm HCl và Cu(NO₃)₂ điện cực trơ, I = 2,5A. Sau thời gian t thu được 1 khí duy nhất ở anot có V = 3,136 lít ( đktc) và dung dịch X. Biết X phản ứng vừa đủ với 550 ml dung dịch NaOH 0,8M thu được 1,96g kết tủa. Tính C_M các chất trong dung dịch ban đầu, và giá trị t ?

HƯỚNG DẪN

Khí duy nhất là Cl₂

nCl₂ = 3,136/22,4 = 0,14 mol

Dung dịch X sau điện phân còn NO₃^-, Cl^- dư hay không chưa biết ?

Còn cation : Cu²⁺ nhận e trước rồi H⁺ vì theo đề bài thu được kết tủa nên suy ra sản phẩm có Cu(OH)₂ vậy =>Cu²⁺ còn dư

nCu(OH)₂= 1,96/98 = 0,02 mol

Có thể gộp chất : Cu²⁺ với Cl^- ( NO₃^- , H⁺ chưa đp)

Ta có CuCl₂ ➜Cu + Cl₂

0,14 ← 0,14

nCu(NO₃)₂ = 0,14 + 0,02 (dư) = 0,16 mol.

=>C_M Cu(NO₃)₂ = 0,16/0,8 =0,2M.

Dung dịch X ngoài PƯ :

Cu²⁺ + 2OH^- → Cu(OH)₂ còn có PƯ : H⁺ + OH^- → H₂O.

Vì PƯ cần 550 ml NaOH ] PƯ vừa đủ

nH⁺= 0,55 . 0,8 – 0,02.2 ( đã PƯ với Cu²⁺) = 0,4 mol.

C_M HCl = 0,4/0,8 = 0,5M.

t===10,808s.

VD 3: Cho 200ml dung dịch hỗn hợp Cu(NO₃)₂ 0,2M và AgNO₃ 0,1M. Điện phân dung dịch với điện cực trơ bằng cường độ dòng điện I = 5A. Sau 19 phút 18 giây dừng điện phân thấy khối lượng catot tăng m gam . Giá trị m = ?

HƯỚNG DẪN

Cho I, t =>n_e Phân phối e và xét thư tự nhận e ở catot (chỉ xét catot)

n_e==(mol e)

Thứ tự nhận e ở catot: Ag⁺, Cu²⁺

Ag⁺ + e → Ag

0,02→0,02→0,02 < 0,06 =>còn n_e

=>Cu²⁺ tiếp tục PƯ

Cu²⁺ + 2e → Cu

n Cu²⁺ ban đầu = 0,04 > 0,02 ← 0,04→ 0,02 =>Cu²⁺ dư : 0,02 mol.

=>m_KL ( catot) = (108+64).0,02 = 3,44 g

VD 4. Điện phân có màng ngăn 500ml dung dịch hỗn hợp CuCl₂ 0,1M và NaCl 0,5M bằng dòng điện I = 5A, trong thời gian t = 3860s dung dịch thu được sau điện phân hòa tan được m g Al. Giá trị lớn nhất của m là:

A. 2,7g.

B. 5,4g.

C. 1,35g.

D. 10,8g.

HƯỚNG DẪN

Nhận xét đề: 2 muối có chung anion Cl^- nên không dùng phương pháp kết hợp bằng cách giản ước các ion không tham gia điện phân

Chú ý : Đề cho I, t =>dùng công thức ${n_e} = \frac{{I.t}}{F}$ sau đó phân phối e vào các bán phản ứng khử để xác định được thành phần của dung dịch] giá trị lớn nhất.

Giải :

Phân phối 0,2 mol e vào các bán phản ứng .

CuCl₂ , NaCl , H₂O

PT điện li: CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl^-

NaCl → Na⁺+ Cl^-

Catot (-) Anot(+)

Na⁺, Cu²⁺, H₂O Cl^-, H₂O

Cu²⁺ +2e → Cu 2Cl^- → Cl₂ +2e

0,05→0,1 0,35 0,35 > 0,2

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^- ➜ clo chưa điện phân hết

0,1 ➜ 0,1

Phân tích : Để hòa tan Al có thể là kiềm hoặc axit (có thể ở cực âm hay dương) . Nhưng thấy Cl nằm ở 2 chất và NaCl nồng độ lớn 0,5M. Khả năng lớn là Clo hết sau Cu hết trước nên có phản ứng H₂O ở cực(-). Kiểm tra bằng cách tính n_e.

K(-) ta có 0,2 mol e nhưng CuCl₂ → Cu 0,1 . 0,5 = 0,05 mol.

Vì = 0,2 ] n_e ( PƯ của H₂O) = 0,1

CuCl₂ 0,1M =>Cl^- : 0,1.2 = 0,2 M

NaCl 0,5M =>Cl^- : 0,5 M

TỔNG : 0,7 M =>n_Cl^- = 0,7 .0,5 = 0,35 mol.

Ò dung dịch sau PƯ chứa Na⁺, Cl^- chưa điện phân hết (dư), OH^- sinh ra : 0,1 mol

* Al + dd sau PƯ xảy ra phản ứng sau

Al + OH^-+ H₂O → + 3/2 H₂

0,1mol ← 0,1 mol.

m_Al = 27. 0,1 = 2,7 g. ĐA : A

IV. ĐIỆN PHÂN VỚI ĐIỆN CỰC ANOT TAN:

( ví dụ: bạc, đồng...) thì chính anot bị oxi hóa, ăn mòn dần (tan dần). Các ion khác có mặt trong dung dịch hầu như còn nguyên vẹn, không bị oxi hóa.

Ví dụ 1 : Điện phân dung dịch NiSO₄ với anot bằng Cu

PT điện li: NiSO₄ _(dd) → Ni²⁺ + SO₄^2-

Catot ( – ) Anot Cu ( + )

Ni²⁺, H₂O H₂O, SO₄^2-

Ni²⁺ + 2e →Ni Cu → Cu²⁺ + 2e

Phương trình điện phân: NiSO₄+Cu➜CuSO₄+Ni

Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anot làm bằng kim loại Cu.

PT điện li: CuSO₄ _(dd) → Cu²⁺ + SO₄^2-

Catot ( – ) Anot Cu (+)

Cu²⁺, H₂O H₂O, SO₄^2-

Cu²⁺ + 2e →Ni Cu → Cu²⁺ + 2e

Phương trình điện phân: Cu²⁺ + Cu ➜Cu_(r) + Cu²⁺

Như vậy ở catot Cu sinh ra bao nhiêu thì ở anot Cu bị tan ra bấy nhiêu. Trước và sau điện phân lượng CuSO₄ trong dung dịch không đổi. Quá trình này dùng để mạ và tinh chế kim loại tạo ra kim loại nguyên chất.

- Ý nghĩa sự điện phân: phương pháp điện phân được ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất và trong phòng thí nghiệm nghiên cứu như dùng để điều chế kim loại tinh khiết; điều chế một số phi kim và một số hợp chất; tinh chế một số kim loại hoặc trong lĩnh vực mạ điện...