Đây là một trong những phần kiến thức trọng tâm trong bài thi Trung học phổ thông quốc gia. Để bắt đầu bài học, bạn cần nắm vững kiến thức về “Phản ứng oxi hóa – khử” và “Dãy điện hóa kim loại”. Giờ thì bắt đầu thôi nào ~
Tóm tắt lý thuyết
Định nghĩa
Điện phân là quá trình oxi hóa – khử, xảy ra trên bề mặt điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua chất điện li ở trạng thái dung dịch hay nóng chảy.
Sự điện phân các chất điện li
Điện phân dung dịch (điện cực trơ)
- Dùng để điều chế các kim loại đứng sau Al
- Điều chế dung dịch NaOH, nước Javen
Ở catot (cực dương)
- Các cation (ion dương) kim loại có tính oxi hóa yếu (từ K+ đến Al3+) \( \rightarrow \) Xảy ra quá trình khử nước này:
\( 2H_{2}O + 2e \rightarrow 2OH^{-} + H_{2} \) - Các cation kim loại có tính oxi hóa mạnh, đứng trước H+ (\( Zn^{2+} \rightarrow Pb^{2+} \))
- Nếu dung dịch không có H+ thì xảy ra quá trình khử ion đó:
\( Zn^{2+} + 2e \rightarrow Zn \) - Nếu dung dịch có H+ thì xảy ra quá trình khử H+ trước rồi mới khử ion đó:
1. \( 2H^{+} + 2e \rightarrow H_{2} \)
2. \( Zn^{2+} + 2e \rightarrow Zn \)
- Nếu dung dịch không có H+ thì xảy ra quá trình khử ion đó:
- Các cation kim loại có tính oxi hóa mạnh, đứng sau H+ (\( Cu^{2+} \rightarrow Au^{3+}) \rightarrow \) Xảy ra quá trình khử ion kim loại:
\( Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu \) - Thứ tự điện phân: Đi theo chiều tính oxi hóa ion kim loại giảm.
Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa ion \( Fe^{3+}, Cu^{2+}, H^{+} \), ta có thứ tự điện phân:
1. \( Fe^{3+} + e \rightarrow Fe^{2} \)
2. \( Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu \)
3. \( 2H^{+} + 2e \rightarrow H_{2} \)
4. \( Fe^{2+} + 2e \rightarrow Fe \)
5. \( 2H_{2}O + 2e \rightarrow 2OH^{-} + H_{2} \)
Ở anot
- Các anion có tính khử yếu (\( SO_{4}^{2-}, NO_{3}^{-}, CO_{2}^{2-}, F^{-}) \rightarrow \) Oxi hóa nước:
\( 2H_{2}O \rightarrow 4H^{+} + O_{2} + 4e \) - Các anion có tính khử mạnh (\( S^{2-}, I^{-}, Br^{-}, Cl^{-}, OH^{-}) \rightarrow \) Oxi hóa các ion này:
\( 2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2} + 2e \) - Thứ tự điện phân các anion: \( S^{2-} \rightarrow I^{-} \rightarrow Br^{-} \rightarrow Cl^{-} \rightarrow RCOO^{-} \rightarrow OH^{-} \rightarrow H_{2}O \)
Điện phân nóng chảy
- Dùng để điều chế các kim loại đứng trước Al như Na, Ca…
- Tốn kém hơn điện phân dung dịch
Các phản ứng thường gặp
- Điện phân nóng chảy NaCl:
– Catot: \( Na^{+} + e \rightarrow Na \)
– Anot: \( 2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2} + 2e \)
\( \Rightarrow 2NaCl \rightarrow 2Na + Cl_{2} \) - Điện phân nóng chảy \( Al_{2}O_{3} \)
– Catot: \( Al^{3+} + 3e \rightarrow Al \)
– Anot: \( 2O^{2-} \rightarrow O_{2} + 4e \)
\( \Rightarrow 2Al_{2}O_{3} \rightarrow 4Al + 3O_{2} \) - Điện phân nóng chảy NaOH
– Catot: \( Na^{+} + e \rightarrow Na \)
– Anot: \( 4OH^{-} \rightarrow 2H_{2}O + O_{2} + 4e \)
\( \Rightarrow 4NaOH \rightarrow 4Na + 2H_{2}O + O_{2} \)
Định luật Faraday
\( n_{e} = \frac{I.t}{F} \)
Trong đó:
– \( n_{e} \): Số mol electron trao đổi
– I: Cường độ dòng điện (A)
– t: Thời gian điện phân (s)
– F: Hằng số Faraday = 96500
Luyện tập lý thuyết
Các dạng bài tập thường gặp
Dạng 1: Tính thời gian điện phân (biết I, số mol)
Phương pháp:
- Xác định sản phẩm thu được ở mỗi cực
- Tìm số mol electron trao đổi
- Sử dụng công thức trong định luật Faraday để tìm thời gian điện phân
Bài tập mẫu: Điện phân 500 ml dung dịch A chứa CuCl2 0,2M, NaCl 0,1M với cường độ dòng điện I = 4A, thời gian t giây đến khi bắt đầu có khí thoát ra ở catot thì dừng lại. Giá trị của t là:
Phân tích dữ kiện đề bài
– “Bắt đầu có khí thoát ra ở catot thì dừng lại” \( \Rightarrow \) Ion Cu2+ vừa hết, nước chưa bị điện phân ở catot
– \( n_{Cu^{2+}} = 0,2.0,5 = 0,1 mol \)
– Lưu ý: Do chỉ cần số mol Cu2+, ta đã có thể xác định số electron trao đổi nên không cần xét tới anot
Phương trình điện phân ở catot:
Cu2+ + 2e \( \rightarrow \) Cu
0,1 -> 0,2 (mol)
Thay vào công thức Faraday: \( 0,2 = \frac{4.t}{96500} \Rightarrow t = 4825s \)
Bài luyện tập 1: Điện phân dung dịch chứa Fe(NO3)3, Cu(NO3)2 với I = 10A, điện cực trơ đến khi dung dịch vừa hết màu xanh thì dừng lại, khi đó ở anot thu được 0,196 lít khí (đktc) và khối lượng dung dịch giảm 0,92g. Thời gian điện phân là bao nhiêu?
Đáp án: 5,6 phút
Bài luyện tập 2: Điện phân với điện cực trơ dung dịch chứa 0,3 mol
AgNO3 với cường độ dòng điện 2,68 A, trong thời gian t (giờ) thu được dung dịch X (hiệu suất quá trình điện phân là 100%). Cho 22,4 gam bột sắt vào X thấy thoát ra khí NO (sản phẩm khử duy nhất) và sau các phản ứng hoàn toàn thu được 34,28 gam chất rắn. Giá trị của t là?
Đáp án: 1,2 giờ
Bài luyện tập 3: Hòa tan 4,5 gam tinh thể MSO4.5H2O vào nước thu được dung dịch X. Điện phân dung dịch X với điện cực trơ và cường độ dòng điện 1,93A. Nếu thời gian điện phân là t (s) thì thu được kim loại M ở catot và 156,8 ml khí tại anot. Nếu thời gian điện phân là 2t (s) thì thu được 537,6 ml khí. Biết thể tích các khí đo ở đktc. Kim loại M và thời gian t lần lượt là?
Đáp án: Cu và 1400s
Bài luyện tập 4: Điện phân dung dịch X gồm CuSO4 và KCl (tỉ lệ mol tương ứng là 1:5) với điện cực trơ, màng ngăn xốp, cường độ dòng điện không đổi I = 2A. Sau 1930 giây, thu được dung dịch Y và hỗn hợp khí gồm H2 và Cl2 (có tỉ khối so với H2 là 24). Mặt khác, nếu điện phân X trong thời gian t giây thì khối lượng dung dịch giảm 2,715 gam. Giả thiết hiệu suất điện phân là 100%, các khí sinh ra không tan trong nước và nước không bay hơi trong quá trình điện phân. Giá trị của t là?
Đáp án: 3860s
Bài luyện tập 5: Điện phân 200ml dung dịch hỗn hợp gồm CuSO4 0,3M và NaCl 1M (điện cực trơ, màng ngăn xốp, hiệu suất điện phân 100%, bỏ qua sự hòa tan của khí trong nước và sự bay hơi của nước) với cường độ dòng điện không đổi 0,5A trong thời gian t giây. Dung dịch sau điện phân có khối lượng giảm 9,56 gam so với dung dịch ban đầu. Giá trị của t là?
Đáp án: 30880s
Bài luyện tập 6: Điện phân dung dịch hỗn hợp NaCl và 0,05 mol CuSO4 bằng dòng điện một chiều có cường độ 2A (điện cực trơ, có màng ngăn). Sau thời gian t giây thì ngừng điện phân, thu được khí ở hai điện cực có tổng thể tích là 2,352 lít (đktc) và dung dịch X. Dung dịch X hòa tan được tối đa 2,04 gam Al2O3. Giả sử hiệu suất điện phân là 100%, các khí sinh ra không tan trong dung dịch. Giá trị của t là?
Đáp án: 7720s
Bài luyện tập 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 (0,05 mol) và NaCl bằng dòng điện có cường độ không đổi 2A (điện cực trơ, màng ngăn xốp). Sau thời gian t giây thì ngừng điện phân, thu được dung dịch Y và khí ở hai điện cực có tổng thể tích là 2,24 lít (đktc). Dung dịch Y hòa tan tối đa 0,8 gam MgO. Biết hiệu suất điện phân 100%, các khi sinh ra không tan trong dung dịch. Giá trị của t là?
Đáp án: 8685s
Bài luyện tập 8: Điện phân 150ml dung dịch AgNO3 1M với điện cực trơ trong t giờ, cường độ dòng điện không đổi 2,68A (hiệu suất quá trình điện phân 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khí Z. Cho 12,6g Fe vào Y, sau khi các phản ứng kết thúc thu được 14,5g hỗn hợp kim loại và khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N5+). Giá trị của t là?
Đáp án: 1 giờ
Bài luyện tập 9: Điện phân (điện cực trơ, hiệu suất điện phân 100%) dung dịch chứa đồng thời 0,15 mol Cu(NO3)2 và 0,12 mol HCl trong thời gian t giờ với cường độ dòng điện không đổi 2,68A thì ở anot thoát ra 0,672 lít khí (đkt) và thu được dung dịch X. Dung dịch X hòa tan tối đa m gam bột sắt (sản phẩm khử duy nhất của N5+ là NO). Giá trị của t và m lần lượt là?
Đáp án: 0,6 và 9,24
Bài luyện tập 10: 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 N5+) 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?
Đáp án: 1 giờ
Dạng 2: Tính lượng chất tham gia (thu được)
Bài tập mẫu: Điện phân 200g dung dịch AgNO3 trong thời gian là 16 phút 5 giây với I = 5A. Để kết tủa hết ion Ag+ còn lại trong dung dịch sau điện phân cần dùng 25 ml dung dịch NaCl 0,4M. Vậy C% của dung dịch AgNO3 ban đầu là?
Xử lí dữ kiện đề bài:
\( n_{e} = \frac{I.t}{F} = \frac{5.(16.60+5)}{96500} = 0,05 mol \)
\( n_{NaCl} = n_{Cl^{-}} = 0,4.0,025 = 0,01 mol \)
Catot: Ag+ + e \( \rightarrow \) Ag
Ag+ + Cl– \( \rightarrow \) AgCl
Bảo toàn nguyên tố Ag: \( n_{Ag^{+}} = n_{AgNO_{3}} = n_{e} + n_{Cl^{-}} = 0,05 + 0,01 = 0,06 mol \) \( C = \frac{0,06.170}{200} = 5,1 \)%
Bài tập mẫu 2: Tiến hành điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp CuSO4 và NaCl (hiệu suất 100%, điện cực trơ, màng ngăn xốp), đến khi nước bắt đầu điện phân ở cả hai điện cực thì ngừng điện phân, thu được dung dịch X và 6,72 lít khí (đktc) ở anot. Dung dịch X hòa tan tối đa 20,4 gam Al2O3. Giá trị của m là?
Xử lí số liệu:
\( n_{khi} = \frac{6,72}{22,4} = 0,3 mol \)
\( n_{Al_{2}O_{3}} = \frac{20,4}{102} = 0,2 mol \)
Phân tích: Do cả H+ và OH– đều có thể hòa tan Al2O3 nên ta phải chia hai trường hợp
Trường hợp 1: Nước bị điện phân ở catot
2OH– + Al2O3 \( \rightarrow \) 2AlO2– + H2O
0,4 <- 0,2 (mol)
Catot: Cu2+ + 2e \( \rightarrow \) Cu
2H2O + 2e \( \rightarrow \) 2OH– + H2
Anot: 2Cl– \( \rightarrow \) Cl2 + 2e
Định luật bảo toàn e: \( n_{OH^{-}} + 2n_{Cu} = 2n_{Cl_{2}} \Rightarrow n_{Cu} = 0,1 mol \) \( m = 0,1.160 + 0,6.58,5 = 51,1g \)
Trường hợp 2: Nước bị điện phân ở anot
Al2O3 + 6H+ \( \rightarrow \) 2Al3+ + 3H2O
0,2 <- 1,2 (mol)
Catot: Cu2+ + 2e \( \rightarrow \) Cu
Anot: 2Cl– \( \rightarrow \) Cl2 + 2e
2H2O \( \rightarrow \) 4H+ + O2 + 4e
Bài luyện tập 1: Điện phân dung dịch chứa 0,02 mol FeSO4 và 0,06 mol HCl với I = 1,34A trong 2 giờ (điện cực trơ, màng ngăn). Bỏ qua sự hòa tan của khí clo trong H2O, coi như hiệu suất điện phân 100%. Khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot là?
Đáp án: 1,12g và 0,896l
Bài luyện tập 2: Cho dòng điện một chiều có cường độ 5A đi qua 2l dung dịch chứa Cu(NO3)2 và AgNO3 trong 32 phút 10 giây thì tất cả kim loại được giải phóng hết ở catot. Khối lượng của kim loại là 4,72g. Hiệu suất điện phân là 100%. Vậy nồng độ mol của Cu(NO3)2 và AgNO3 là?
Đáp án: 0,02M và 0,01M
Bài luyện tập 3: Điện phân 100ml dung dịch A chứa đồng thời HCl 0,1M và NaCl 0,2M với điện cực trơ có màng ngăn xốp tới khi ở anot thoát ra 0,224 lít khí (đktc) thì ngừng điện phân. Dung dịch sau điện phân có pH (coi thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể) là?
Đáp án: 13
Bài luyện tập 4: Điện phân 400ml dung dịch 2 muối KCl và CuCl2 với điện cực trơ và màng ngăn cho đến khi ở anot thoát ra 3,36 lít khí (đktc) thì ngừng điện phân. Để trung hòa dung dịch sau điện phân cần 100ml dung dịch HNO3 0,6M. Dung dịch sau trung hòa tác dụng với AgNO3 dư sinh ra 2,87g kết tủa trắng. Nồng độ mol mỗi muối trong dung dịch trước điện phân là?
Đáp án: CuCl2: 2,5M; KCl: 0,3M
Bài luyện tập 5: Hòa tan 11,7 gam NaCl vào nước rồi đem điện phân có màng ngăn, thu được 500 ml dung dịch có pH = 13. Hiệu suất điện phân là?
Đáp án: 25%
Bài luyện tập 6: Điện phân 1 lít dung dịch AgNO3 với điện cực trơ, dung dịch sau điện phân có pH = 2. Coi thể tích dung dịch sau điện phân không thay đổi. Khối lượng bạc bám ở catot là:
Đáp án: 1,08 gam
Bài luyện tập 7: Điện phân có màng ngăn 500ml 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 hòa tan m gam Al. Giá trị lớn nhất của m là?
Đáp án: 2,7 gam
Bài luyện tập 8: Điện phân (điện cực trơ) dung dịch X chứa 0,2 mol CuSO4 và 0,12 mol NaCl bằng dòng điện có cường độ 2A. Thể tích (đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là:
Đáp án: 2,24 lít
Bài luyện tập 9: Điện phân (với diện cực trơ) 200ml dung dịch CuSO4 nồng độ x mol/lít, sau một thời gian thu được dung dịch Y vẫn còn màu xanh, có khối lượng giảm 8g so với dung dịch ban đầu. Cho 16,8 gam bột sắt vào Y, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4 gam kim loại. Giá trị của x là?
Đáp án: 1,25
Bài luyện tập 10: Điện phân dung dịch gồm 7,45g KCl và 28,2g Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm đi 10,75g thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Tất cả các chất tan trong dung dịch sau điện phân là:
Đáp án: KNO3, HNO3 và Cu(NO3)2
No Comments
Leave a comment Cancel