Tải bản đầy đủ

Sáng kiến kinh nghiệm SKKN phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện phân

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:
"PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH VÀ CHUYÊN SÂU DẠNG BÀI
TOÁN ĐIỆN PHÂN"

1


PHẦN 1:
LÝ DO VIẾT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
- Hoá học là môn khoa học cơ bản được giảng dạy ở các trường THCS, THPT. Đây là
môn mà học sinh mới được trang bị kiến thức từ khi học lớp 8 bậc THCS. Tuy nhiên, đây
cũng là môn thường xuyên sử dụng thi tốt nghiệp THPT và là một trong ba môn bắt buộc
trong kì thi tuyển sinh vào ĐH, CĐ, THCN khối A, B.
- Kể từ năm 2007, Bộ Giáo Dục và Đào Tạo đã chuyển cấu trúc thi tuyển sinh đại học,
cao đẳng môn hoá học từ tự luận sang trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn 100%.
Điều đó cũng đồng nghĩa trong vòng 90 phút, học sinh phải thật bình tĩnh để lựa chọn
phương án trả lời tối ưu nhất trong thời gian ngắn nhất. Nắm bắt được điều đó, các giảng
viên đại học, cao đẳng, các chuyên gia và các nhà giáo có nhiều kinh nghiệm đã xuất bản
rất nhiều sách và tài liệu tham khảo về các phương pháp giải nhanh trắc nghiệm.

- Thông qua các đề thi đại học, cao đẳng hiện nay chúng tôi nhận thấy trong đề thi đại
học cao đẳng luôn có 1 đến 2 câu liên quan đến điện phân. Đây là dạng toán khó mà học
sinh hay bị lúng túng xử lí để có đáp án đúng.
- Trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và quốc gia thông thường cũng hay có bài toán điện
phân, theo thống kê của chúng tôi từ năm 2000 trở về đây có ít nhất một câu trong đề thi
quốc gia liên quan đến điện phân-pin điện.
- Qua 7 năm giảng dạy ở trường THPT kết hợp với những kiến thức tích luỹ được khi
ngồi trên giảng đường đại học và cao học chúng tôi đúc kết được kinh nghiệm về giảng
dạy bài điện phân đó là “ Phương pháp giải nhanh và chuyên sâu dạng bài toán điện
phân”.
Trong đề tài này phần nội dung chúng tôi đưa ra bốn phần chính đó là lý thuyết tổng quát
về điện phân, các bài tập có thể gặp trong đề thi đại học-cao đẳng và học sinh giỏi (tỉnh,
quốc gia), lý thuyết mở rộng và ứng dụng của điện phân.

2


PHẦN 2
NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
2.1. Tình hình thực tế và biện pháp thực hiện
2.1.1. Tình hình thực tế trước khi thực hiện đề tài.
- Qua những năm giảng dạy tại trường phổ thông và nhiều năm đi gia sư khi ngồi trên
ghế giảng đường đại học, tôi nhận thấy rất nhiều học sinh khi làm bài tập điện phân
thường hay lung túng-khúc mắc. Điều đó, sẽ mất nhiều thời gian làm bài và đôi khi
không làm ra được kết quả do điện phân chỉ được học trong 1 tiết ở lớp 12.
- Thực tế là học sinh hay giải bài tập phần điện phân nhầm do không hiểu hết các vấn đề
của điện phân. Xác định không rõ vai trò, viết sai các quá trình oxi hóa-khử.
- Vì vậy để nâng cao hiệu quả giải bài tập điện phân trong đề thi đại học-cao đẳng cũng
như trong đề thi học sinh giỏi tỉnh-quốc gia chúng tôi chọn đề tài phương pháp giải bài
tập điện phân này nhằm đưa học sinh tới hiểu thấu đáo hơn và giải quyết vấn đề tốt hơn.
2.1.2. Biện pháp thực hiện đề tài.
2.1.2.1. Những kiến thức cần trang bị.
-

Nắm vững quy tắc catot, anot

-

Viết được các quá trình khử và quá trình oxi hoá tại catot và anot


-

Áp dụng hệ quả định luật Farađây

-

Xử lí các dữ kiện bài toán: số mol, thể tích khí, khối lượng…..

2.1.2.2. Những điểm cần lưu ý.
- Trong điện phân thì số mol e nhường tại A bằng số mol e nhận tại K
- Hằng số Farađây trong công thức: F = 96500 C·mol−1 ứng với t là s, F=26,8 ứng
với t là h
2.2. Nội dung
2.2.1. Lí thuyết
2.2.1.1. Định nghĩa: Điện phân là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt điện cực dưới
tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dụng dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng
chảy.
Trong điện phân có 2 điện cực:
3


- Cực âm (-) gọi là catot (kí hiệu K): tại đây xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)
- Cực dương (+) gọi là anot (kí hiệu A): tại đây xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)
* Bạn đọc chú ý: Catot cả trong điện phân và pin điện đều xảy ra quá trình oxi hóa, và
Anot là nơi mà ở đó xảy ra quá trình khử
Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2:
2+
Ta có trong dung dịch: CuCl2 
 Cu + 2Cl

Tại catot (K - ): Cu2+ + 2e




Cu

Tại anot (A + ): 2Cl- 
 Cl2 + 2e
Phương trình điện phân: CuCl2

dp



Cu + Cl2

* Hai loại điện phân chủ yếu: điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch
2.2.1.2. Điện phân nóng chảy (muối, bazơ, oxit)
a. Điện phân nóng chảy muối (chủ yếu là muối halogen của kim loại kiềm và kiềm thổ):
Công thức muối: MXn (n là hóa trị của M, X= F, Cl, Br, I)
MXn

nc



Mn+ + nX-

Tại K (-): Mn+ + ne  M
Tại A (+): 2Cl-  Cl2 + 2e
Phương trình điện phân tổng quát : MXn

dpnc

M

+ X2

Ví dụ : Điện phân nóng chảy NaCl, CaCl2
+
nc
- Điện phân nóng chảy NaCl : NaCl 
 Na + Cl

Tại K (-) : Na+ + 1e  Na;

Tại A (-): 2Cl-  Cl2 + 2e

Phương trình điện phân tổng quát: 2NaCl

dpnc

 2Na

+ Cl2

2+
nc
- Điện phân nóng chảy CaCl2 : CaCl2 
 Ca + 2Cl

Tại K (-) : Ca2+ + 2e  Ca;

Tại A (-): 2Cl-  Cl2 + 2e

dpnc
Phương trình điện phân tổng quát: CaCl2 
 Ca + Cl2

b. Điện phân nóng chảy hiđroxit M(OH)n (M là kim loại kiềm, kiềm thổ)
n+
nc
M(OH)n 
 M + nOH

Tại K (-): Mn+ + ne  M

Tại A (+): 4OH-  2H2O + O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát : 4M(OH)n

dpnc

 4M

+ 2nH2O + nO2
4


Ví dụ: Điện phân nóng chảy NaOH:
NaOH

nc



Na+ + nOH-

Tại K (-): Na+ + e  Na

Tại A (+): 4OH-  2H2O + O2 + 4e

dpnc
Phương trình điện phân tổng quát : 4NaOH 
 4Na + 2H2O + O2

c. Điện phân nóng chảy oxit kim loại M2On
M2On

nc

 2M

n+

+ nO2-

Tại K (-): Mn+ + ne  M

Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát : 2M2On

dpnc

 4M

+ nO2

Ví dụ: Điện phân nóng chảy Al2O3
Al2O3

nc

 2Al

3+

+ 3O2-

Tại K (-): Al3+ + 3eAl

Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e

Phương trình điện phân tổng quát: 2Al2O3

dpnc

 4Al

+ 3O2

2.2.1.3. Điện phân dung dịch
2.2.1.3.1. Vai trò của H2O trong điện phân:
- Giúp chất điện li phân li ra ion
- Vận chuyển các ion đến các điện cực
- Có thể tham gia vào quá trình oxi hóa khử tại bề mặt các điện cực, tức tham gia vào quá
trình điện phân, cụ thể:
Tại K(-): 2H2O + 2e  2OH- + H2

Tại A (+): 2H2O  4H+ + O2 + 4e

2.2.1.3.2. Quy luật chung, quy tắc K, quy tắc A
Quy luật chung: - Ở catot (K): ion càng có tính oxi hóa mạnh càng dễ bị khử, ví dụ: Tại
K: Ag+; Cu2+ thì Ag+ + 1eAg rồi mới đến Cu2+ + 2eCu
- Ở anot (A): ion càng có tính khử mạnh càng dễ bị oxi hóa, ví dụ: Tại A: Br -; Cl- thì 2BrBr2 + 2e rồi mới đến 2Cl-Cl2 + 2e.
a. Quy tắc ở K: Ở K có mặt cation kim loại Mn+ và H+( do nước hoặc axit phân li) thì:
- Nếu Mn+ là cation kim loại trước Al3+ và Al3+ thì cation này không nhận electron (không
bị khử) mà cation H+ nhận electron (bị khử):

5



 2H+ + 2OHH+ do nước phân li: 2H2O 


2H+ + 2e


 H2

2H2O + 2e
H+ do axit phân li: 2H+ + 2e


 H2

+ 2OH-


 H2

- Nếu Mn+ là cation kim loại sau Al3+ thì cation nhận electron (bị khử) để tạo thành kim
loại: Mn+ + ne 
M
- Cation có tính oxi hóa càng mạnh thì càng dễ nhận e, ví dụ tại K(-) gồm: Ag+; Fe3+;
Cu2+; H+; H2O thi thứ tự nhận electron sẽ như sau:
Ag+ + 1e


 Ag

(1)

2+
Fe3+ + 1e 
 Fe

(2)

Cu2+ + 2e 
 Cu

(3)

2H+ + 2e 
 H2

(4)

Fe2+ + 2e 
 Fe

(5)

2H2O + 2e 
 2OH + H2

(6)

b. Quy tắc ở anot: Ở anot có mặt anion gốc axit và OH- (do nước và bazơ phân li)
* Đối với anot trơ (là anot không tham gia vào quá trình phản ứng)
- Nếu anot có mặt các anion: I-; Br-; Cl-; S2-; RCOO-; … thì các anion này sẽ nhường
electron cho điện cực (bị oxi hóa) và anion có tính khử càng mạnh càng dễ nhường
electron và thứ tự nhường electron đã được thực nghiệm tìm ra như sau: S2- > I-> Br- >
Cl- > RCOO- > H2O
Ví dụ tại A(+): Cl-, I-; H2O thì thứ tự nhường electron như sau:
2I- 
 I2 + 2e

+
(1); 2Cl- 
 Cl2 + 2e (2); 2H2O 
 4H + O2 + 4e (3)

- Nếu anot có mặt các ion gốc axit vô cơ chứa O như: NO 3 ; SO42-; CO32-; ... và F- ; OHthì những anion này không nhường electron (không bị oxi hóa) mà H 2O sẽ nhường
+
electron thay: 2H2O 
 4H + O2 + 4e
* Đối với anot hoạt động: đó là anot làm bằng các kim loại Cu, Zn, ...thì các anot sẽ tham
gia vào quá trình oxi hóa, nó sẽ nhường electron thay cho các anion:
2+
2+
Zn 
 Zn +2e; Cu 
 Cu +2e
Chú ý: Hiện tượng dương cực tan thì:
Độ tăng khối lượng tại K = độ giảm khối lượng tại A
Ví dụ 1: Viết sơ đồ và phương trình điện phân tổng quát khi điện phân điện phân điện cực
trơ:
a. dung dịch FeCl2

b. dung dịch CuSO4
6


c. dung dịch NaCl

d. dung dịch KNO3

Hướng dẫn giải:
2+
a. FeCl2 
 Fe + 2Cl

Tại K (-): Fe2+; H2O: Fe2+ + 2e




Fe Tại A(+): Cl-; H2O: 2Cl-

Phương trình điện phân tổng quát: FeCl2
b. CuSO4




dpdd

 Fe




Cl2 +2e

+ Cl2

Cu2+ + SO42-

Tại K (-): Cu2+; H2O: Cu2+ + 2e 
 Cu
Tại A (+): SO42-; H2O: 2H2O




4H+ + O2 + 4e

+
dpdd
Phương trình điện phân tổng quát: 2Cu2+ + 2H2O 
 2Cu + 4H + O2
dpdd
hay 2CuSO4 + 2H2O 
 2Cu + 2H2SO4 + O2

c. NaCl




Na+ + Cl-

Tại K (-): Na+; H2O: 2H2O + 2e




2OH- + H2

Tại A (+): Cl-; H2O: 2Cl- 
 Cl2 + 2e
dpdd
Phương trình điện phân tổng quát: 2Cl- + 2H2O 
 2OH + H2 + Cl2
dpdd
hay: 2NaCl + 2H2O 
 2NaOH + H2 + Cl2

d. KNO3




K+ + NO3-

Tại K (-): K+; H2O: 2H2O




4H+ + O2 + 4e

Tại A (+): NO3-; H2O: 2H2O + 2e




2OH- + H2

dpdd
Phương trình điện phân tổng quát: 2H2O 
 2H2 + O2

Nhận xét: Khi điện phân dung dịch muối:
- dung dịch muối của ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit không chứa O
( trừ F-) thì pH dung dịch không đổi
- dung dịch muối ion kim loại sau Al3+ và ion gốc axit chứa O, F- thì pH dung dịch giảm
dần do tạo ra H+
- dung dịch muối ion kim loại trước Al3+ và ion gốc axit không chứa O
( trừ F-) thì pH dung dịch tăng dần do tạo ra OH-

7


- dung dịch muối ion kim loại trước Al3+ và ion gốc axit chứa O, F- thì pH dung dịch
không đổi
Ví dụ 2: Viết phương trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực anot là Cu.
Hướng dẫn giải:
CuSO4




Cu2+ + SO4-

Tại K (-): Cu2+; SO4-: Cu2+ + 2e
Tại A (+) là Cu: SO42-; H2O: Cu




Cu

Cu2+ + 2e




Phương trình điện phân tổng quát:
Cu + Cu2+
(A)




Cu + Cu2+

(K)

Ví dụ 3: Viết phương trình điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 a mol;
NaCl b mol trong các trường hợp:
a. b = 2a

b. b > 2a

c. b < 2a

Hướng dẫn giải:
CuSO4




Cu2+ + SO4NaCl




Na+ + Cl-

Tại K (-): Cu2+; Na+; H2O: Cu2+ + 2e
2H2O + 2e







Cu

2OH- + H2

Tại A (+): Cl-; SO42-; H2O: 2Cl- 
 Cl2 +2e
+
2H2O 
 4H + O2 + 4e

a. b = 2a thì: Cu2+ + 2Cl-

dpdd



Cu + Cl2

dpdd
hay CuSO4 + 2NaCl 
 Cu + Cl2 + Na2SO4

sau đó: 2H2O

dpdd



2H2 + O2

b. b > 2a thì: Cu2+ + 2Cl-

dpdd



Cu + Cl2

dpdd
hay CuSO4 + 2NaCl 
 Cu + Cl2 + Na2SO4

+
dpdd
sau đó: 2Cu2+ + 2H2O 
 2Cu + 4H + O2
dpdd
hay 2CuSO4 + 2H2O 
 2Cu + 2H2SO4 + O2

8


c. b < 2a thì: Cu2+ + 2Cl-

dpdd



Cu + Cl2

dpdd
hay CuSO4 + 2NaCl 
 Cu + Cl2 + Na2SO4

dpdd
sau đó: 2Cl- + 2H2O 
 2OH + H2 + Cl2
dpdd
Hay: 2NaCl + 2H2O 
 2NaOH + H2 + Cl2

2.2.1.4. Biếu thức định luật Farađây
Dùng để tính khối lượng các chất thoát ra ở điện cực, giả sử tại điện cực A hay K thoát ra
chất X, ta có:
mX 

A X .I .t
ne .F

(gam) hay nX =

I .t
ne F

(mol)

(1)

Với: AX là khối lượng mol của X (gam/mol)
ne là số electron trao đổi tại điện cực
I là cường độ dòng điện (A)
F hằng số Farađây : F = 96500 (Culong/mol.s) nếu t tính bằng giây (second) hoặc
F =26,8 nếu t tính bằng giờ (hour)
t (times) : thời gian tính bằng giây (s) hoặc giờ (h)
Chú ý:
- Khi tính theo (1) thì phương trình điện cực các chất ở điện cực phải viết theo hệ số
nguyên tối giản.
- Từ (1) ta có:

mX ( g )
I .t

.ne =
F AX ( g / mol )

số mol electron trao đổi đây là hệ quả rất quan trọng

ta sẽ sử dụng đề tính toán trong các bài tập điện phân.
- Điện phân là quá trình oxi hóa khử nên số mol electron nhường tại A= số mol electron
nhận tại K.
2.2.2. Một số ví dụ minh họa
2.2.2.1. Ví dụ cơ bản
Ví dụ 1:(Trích đề thi đại học khối A năm 2012). Điện phân 150 ml 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 là 100%), thu được chất rắn X, dung dịch Y và khí Z. Cho 12,6 gam Fe vào Y,
sau khi các phản ứng kết thúc thu được 14,5 gam hỗn hợp kim loại và khí NO (sản phẩm
khử duy nhất của N+5). Giá trị của t là

9


A. 0.8.

B. 0,3.

C. 1,0.

D. 1,2.

Hướng dẫn giải:
Phương trình điện phân:

4AgNO3 + 2H2O → 4Ag + O2 + 4HNO3 (1)

Dung dịch Y gồm: AgNO3, HNO3. Cho Fe + dd Y sau phản ứng thu được 14,5g hỗn hợp
kim loại nên Fe dư có các phản ứng:
3Fe + 8HNO3 → 3Fe(NO3)3 + 2NO + 4H2O (2)
Fe + 2AgNO3 → Fe(NO3)2 + 2Ag

(3)

Gọi x là số mol AgNO3 bị điện phân nHNO3 = x, dung dịch Y: HNO3: x mol; AgNO3
dư: 0,15 –x mol.
Theo (2,3) nFe phản ứng = 3x/8 + (0,15-x)/2 = 0,075 –x/8 mol
nAg = 0,15 – x mol
Vậy mhỗn hợp kim loại = mFedư + mAg =12,6 –(0,075-x/8).56 +(0,15-x).108 =14,5
Suy ra: x= 0,1 mol. Ta có mAg =

108.2, 68.t
1.26,8

= 0,1.108  t = 1,0 h

Ví dụ 2: (Trích đề thi đại học khối B năm 2012). Người ta điều chế H2 và O2 bằng
phương pháp điện phân dung dịch NaOH với điện cực trơ, cường độ dòng điện 0,67 A
trong thời gian 40 giờ. Dung dịch thu được sau điện phân có khối lượng 100 gam và nồng
độ NaOH là 6%. Nồng độ dung dịch NaOH trước điện phân là (giả thiết lượng nước bay
hơi không đáng kể)
A. 5,08%

B. 6,00%

C. 5,50%

D. 3,16%

Hướng dẫn giải:
Điện phân dung dịch NaOH chính là sự điện phân H2O, phương trình điện phân:
dpNaOH
2H2O 
 2H2 + O2 (1)
Số mol e trao đổi =
Tại K(-): 2H2O + 2e
Tại A (+): 2H2O

0, 67.40
=
26,8







1 mol

2OH- + H2  nH2 = 0,5 mol

4H+ + O2 + 4e  nO2 = 0,25 mol

Vậy mdung dịch trước điện phân = 100 + 0,5. 2 + 0,25.32 = 109 gam
Ta có mNaOH không đổi = 100.6/100 = 6 gam
10


Vậy CM (NaOH)trước điện phân =

6.100%

109

5,50 %

Ví dụ 3: (Trích đề thi đại học khối B năm 2009). 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

Hướng dẫn giải:
Al2O3

nc

 2Al

3+

+ 3O2-

Tại K (-): Al3+ + 3eAl
Tại A (+): 2O2-  O2 + 4e
Phương trình điện phân tổng quát: 2Al2O3

dpnc

 4Al

+ 3O2

O2 tạo ra đốt cháy A bằng than chì tạo khí X: CO, CO2, O2(dư)
Gọi x, y, z là số mol CO, CO2, O2 dư trong 2,24 lít X. Khi sục X qua nước vôi trong dư
có phản ứng: CO2 + Ca(OH)2 
 CaCO3 + H2O (1)
Ta có hệ phương trình:

nX  x  y  z  0,1

28 x  44 y  32 z

 16
d X / H 2 
2( x  y  z )

nCaCO3  y  0, 02

từ đó có: x = 0,06;

y = z = 0,02. Vậy 2,24 lít X có 0,06.1 + 0,02.2+ 0,02.2 = 0,14 mol O
67,2 m3 X có
Từ đó có: nAl =

2
nO
3

67, 2.0,14
=
2, 24

4,2 kmol O

= 2,8 kmol  m= 2,8. 27 = 75,6 kg

Bạn đọc chú ý: Ở đây chúng tôi sử dụng:
(lít) tương ứng với (mol), còn (m3) tương ứng với (kmol) (kilo mol)
Ví dụ 4: (Trích đề thi đại học khối A năm 2011). Điện phân dung dịch gồm 7,45 gam
KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khí khối lượng dung dịch
giảm đi 10,75 gam 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

11


A. KNO3 và KOH.
C KNO3 và Cu(NO3)2.

B. KNO3, KCl và KOH.
D. KNO3, HNO3 và Cu(NO3)2.

Hướng dẫn giải:
Ta có: nKCl= 0,1 mol; nCu(NO3)2 = 0,15 mol
Phương trình phân li: KCl




K+ + Cl-

Cu(NO3)2




Taị K (-): Cu2+, K+, H2O: Cu2+ + 2e

Cu2+ + 2NO3-




Cu

Tại A (+): Cl-; NO3-; H2O: 2Cl- 
 Cl2 + 2e
+
2H2O 
 4H + O2 + 4e

(1)
(2)
(3)

Nếu tại K mà Cu2+ phản ứng hết ta có: ne nhận  0,15.2 = 0,3 mol và hiển nhiên tại A thì
Cl- hết  mdung dịch giảm  mCu + mCl2 = 13,15 gam > mdung dịch giảm đề cho nên Cu2+ phải dư.
Nếu tại A mà Cl- dư thì ne nhường  0,1 mol, lúc đó nCu ở K  0,1/2 = 0,05 mol nên mdung dịch
giảm  0, 05.71 + 0,05. 64 = 6,75 gam < mdung dịch giảm đề cho nên Cl phải hết.
Vậy dung dịch sau điện phân gồm: Cu2+ dư, K+; H+ tạo ra và NO3hay gồm D. KNO3, HNO3 và Cu(NO3)2.
Ví dụ 5: (Trích đề thi đại học khối A năm 2011). Hòa tan 13,68 gam muối MSO4 vào
nước được dung dịch X. Điện phân X (với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi)
trong thời gian t giây, được y gam kim loại M duy nhất ở catot và 0,035 mol khí ở anot.
Còn nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là
0,1245 mol. Giá trị của y là
A. 4,480

B. 3,920

C. 1,680

d. 4,788

Hướng dẫn giải:
2+
2MSO4 
 M + SO4

Tại K (-): M2+; H2O: M2+ + 2e 
 M
2H2O + 2e

(1)
-


 2OH

+ H2

(2)

+
Tại A (+): SO42-; H2O: H2O 
 2H + 1/2O2 + 2e

12


Tại thời gian t giây có 0,035 mol khí tại A nên 2t giây có 0,07 mol khí tại A và số mol e
nhường =0,07.4 = 0,28 mol 
 khí tại K: 0,1245 – 0,07 = 0,0545 mol và ne (2) = 0,109
mol và ne(1)= 0,171 mol nM2+ = 0,0855 mol
và MMSO4 = M + 96 = 160  M=64 là Cu.
Tại thời gian t giây thì số mol e nhường = 0,035.4 = 0,14 mol < 2nCu2+ nên lúc đó Cu2+
dư và Cu tạo ra = 0,14/2 = 0,07 mol  y =4,480 gam
2.2.2.2. Ví dụ chuyên sâu
Ví dụ 1: (Trích đề thi HSGQG năm 2011). Ở 250C, cho dòng điện một chiều có cường độ
0,5A đi qua bình điện phân chứa 2 điện cực platin nhúng trong 200 ml dung dịch gồm
Cu(NO3)2 0,020M, Co(NO3)2 1,0 M, HNO3 0,010M.
1. Viết phương trình các nửa phản ứng có thể xảy ra trên catot và anot trong quá trình
điện phân
2. Khi 10% lượng ion kim loại đầu tiên bị điện phân, người ta ngắt mạch và nối đoản
mạch hai điện cực của bình điện phân. Hãy cho biết hiện tượng xảy ra và viết phương
trình phản ứng minh họa.
3. Xác định khoảng thế của nguồn điện ngoài đặt vào catot để có thể điện phân hoàn toàn
ion thứ nhất trên catot (coi quá trình điện phân là hoàn toàn khi nồng độ của ion bị điện
phân còn lại trong dung dịch là 0,005% so với nồng độ ban đầu).
4. Tính thể tích khí thoát ra (đktc) trên anot khi điện phân được 25 phút. Khi đó, giá trị
thế catot là bao nhiêu?
Chấp nhận: Áp suất riêng của khí hidro pH2 = 1 atm; khi tính toán không kể đến quá thế;
nhiệt độ dung dịch không đổi trong suốt quá trình điện phân.
0
Cho: E Cu

2

/ Cu

0
= 0,337 V; E Co

2

/ Co

= -0,277V;

hằng số Faraday F = 96500 C.mol-1; ở 250C: 2,303

RT
F

=0,0592.

Hướng dẫn giải:
1. Phương trình các nửa phản ứng trên catot và anot
Các quá trình có thể xảy ra trên catot (-): Cu2+ + 2e  Cu

(1)

2H+ + 2e  H2

(2)

Quá trình xảy ra trên anot (+):

Co2+ + 2e  Co

(3)

2H2O  4H+ + O2 + 4e

(4)
13


2. Theo phương trình Nerst:

0
ECu 2 / Cu  ECu

2
/ Cu

0, 0592
log[Cu 2 ]
2

0
ECo2 / Co  ECu

2
/ Cu

0, 0592
log[Co 2 ] =-0,277V
2

E2 H  / H  E20H  / H 

0, 0592
log[ H  ]2 =
2

2

Từ đó thấy:

ECu 2 / Cu  E2 H  / H  ECo2 / Co
2

Khi 10% Cu2+ bị điện phân thì,

2

= 0,287V

-0,118 V

nên thứ tự nhận e là: Cu2+ > H+ > Co2+
0
ECu 2 / Cu  ECu

2
/ Cu

0, 0592
log[Cu 2 ] =
2

0,285V lúc đó H2 chưa

thoát ra và nếu ngắt mạch điện, nối đoản mạch hai cực của bình điện phân sẽ tạo ra pin
điện có cực dương (catot) là O2/H2O và cực âm (anot) là cặp Cu2+/Cu. Phản ứng xảy ra
là: Trên catot: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O
Trên anot: Cu → Cu2+ + 2e
Phản ứng xảy ra trong pin là: 2Cu + 4H+ + O2  2Cu2+ + 2H2O
Sự phóng điện của pin chỉ dừng khi thế của 2 điện cực bằng nhau.
3. Để tách được hoàn toàn ion Cu2+ thì thế cần đặt vào catot là: E2 H



/ H2

 Ec  ECu2 /Cu .

Khi

Cu2+ bị điện phân hoàn toàn thì [Cu2+] = 0,005%.0,020 = 10-6M.
Lúc đó:

0
ECu 2 / Cu  ECu

2
/ Cu

0, 0592
log[Cu 2 ]
2

= 0,159V

Và [H+] = 0,01 (ban đầu) + 2. (0,020 -10-6)(tạo ra)  10-5V
E2 H  / H  E20H  / H 
2

2

0, 0592
log[ H  ]2 =
2

- 0,077V

Vậy trong trường hợp tính không kể đến quá thế của H2 trên điện cực platin thì thế catot
cần khống chế trong khoảng - 0,077 V < Ec < 0,159 V, khi đó Cu2+ sẽ bị điện phân hoàn
toàn.
4. Ta có: ne =

It
F

= 7,772.10-3 mol < 2nCu2+ = 8.10-3 mol nên Cu2+ dư, và nCu2+ dư =

1,14. 10-4 mol [Cu2+]dư =5,7.10-4V,
Ec= ECu

2

/ Cu

Và nO2 =

0
 ECu

2
/ Cu

1
ne =
4

0, 0592
log[Cu 2 ] =
2

0,241 V

1,93.10-3 mol  VO2 = 1,93.10-3 . 22,4 lít = 0,0432 lít

14


Ví dụ 2: (Đề thi casio hóa học tỉnh Thanh Hóa năm 2012, QG năm 2001-bảng A). Dung
dịch X có chất tan là muối M(NO3)2. Người ta dùng 200 ml dung dịch K3PO4 vừa đủ để
phản ứng với 200 ml dung dịch X, thu được kết tủa là M 3(PO4)2 và dung dịch Y. Khối
lượng kết tủa đó (đã được sấy khô) khác khối lượng M(NO3)2 ban đầu là 6,825 gam.
Điện phân 400 ml dung dịch X bằng dòng điện 1 chiều với I =2,000 ampe tới khi
khối lượng catot không tăng thêm nữa thì dừng, được dung dịch Z. Giả sử sự điện phân
có hiệu suất 100%
a. Hãy tìm nồng độ các ion của dung dịch X, dung dịch Y, dung dịch Z. Cho biết sự gần
đúng phải chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y, dung dịch Z.
b. Tính thời gian (theo giây) đã điện phân
c. Tính thể tích khí thu được ở 27,30C, 1 atm trong sự điện phân.
Hướng dẫn giải:
a. Phản ứng:
3M(NO3)2 + 2K3PO4




M3(PO4)2 ↓ + 6KNO3

Dung dịch Y: dung dịch KNO3: KNO3




(1)

K+ + NO3-

(2)

Theo (1) cứ 6 mol NO3- phản ứng tạo ra 2 mol PO43- làm thay đổi khối lượng 372190=182g
x mol NO3- phản ứng tạo ra x/3 mol PO43- làm thay đổi khối lượng 6,825 gam
Vậy có ngay: x =

6.6,825
=
182

- Trong dung dịch X:
C(NO3-) =

0,225 mol từ đó suy ra:

nM 2 

nNO 
3

2

 0,1125mol

từ đó có ngay C(M2+) =

0,1125
 0,5625 M ;
0,2

0,225
 1,125 M
0,2

- Theo (1): nK+ = nNO3- = nKNO3 =2.nM(NO3)2 = 2.0,1125 = 0,225 mol
Coi VddY ≈ VddX + Vdd K3PO4 ≈ 400 ml. Vậy trong dung dịch Y:
C(K+) =C(NO3-) =

0,225
=
0,4

0,5625M

(3)

Dung dịch Y có nồng độ: C(K+) =C(NO3-) = 0,5625M
Các gần đúng đã chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Y:
- Bỏ qua sự thay đổi thể tích khi tính (3) và sự có mặt M3(PO4)2 ↓
15


- Bỏ qua sự tan của M3(PO4)2 ⇄ 3M2+ + 2PO43- Bỏ qua sự phân li của H2O⇄ H+ + OH2+
* Xét sự điện phân dung dịch X: M(NO3)2 
 M + 2NO3

- Tại K (-): M2+, H2O: M2+ + 2e 
 M
+
- Tại A (+): NO3-, H2O: 2H2O 
 4H + O2 ↑ + 4e

Phương trình điện phân:
2M(NO3)2 + 2H2O dpdd

 2M + O2 + 4HNO3

(4)

- Dung dịch Z có chất tan là HNO3:
Coi Vdd Z ≈ Vdd X ≈ 400 ml = 0,4 lít
Theo (4): nHNO3 =2nM(NO3)2 = 2.

0,5625 .400
1000

mol

nHNO3 .1000
 1,125 M
400

Vậy C(H+) = C (NO3-) =

Các gần đúng đã chấp nhận khi tính nồng độ dung dịch Z:
- Coi Vdd Z ≈ Vdd X , bỏ qua sự thay đổi thể tích do sự điện phân gây ra
- Bỏ qua sự phân li của H2O vì Z là dung dịch HNO3
Nồng độ ion:

2+
dd X: C(M ) = 0,5625 M ; C(NO3-)= 1,125 M

dd Y: C(K+) = C( NO3- ) = 0,5625 M
dd Z: C(H+ ) = C (NO3- ) = 1,125 M.
b. Tính thời gian điện phân:
Theo (4) nO2 = 1/2 nM(NO3)2 = 0,1125 mol
Từ công thức: mO2 =

AO2
4

.

It
96500

suy ra: t =

mO2 .4.96500
AO2 .I

= 21712,5 (s)

c. Tính thể tích khí thu được ở 27,30C, 1 atm trong sự điện phân dung dịch Z
VO2 

nRT 0,1125 .0,082 .300,3

 2,77
P
1

lít.

Ví dụ 3: Chia 1,6 lít dung dịch A chứa HCl và Cu(NO3)2 làm 2 phần bằng nhau.

16


1. Phần 1 đem điện phân (các điện cực trơ) với cường độ dòng 2,5 ampe, sau thời gian
t thu được 3,136 lít khí (ở đktc) một chất khí duy nhất ở anôt. Dung dịch sau điện phân
phản ứng vừa đủ với 550 ml dung dịch NaOH 0,8M và thu được 1,96 g kết tủa.
Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch A và thời gian t.
2. Cho m gam bột sắt vào phần 2, lắc đều để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn, sau phản
ứng thu được hỗn hợp kim loại có khối lượng bằng 0,75m (gam) và V lít khí. Tính m và
V (ở đktc).
Hướng dẫn giải:
1. Dung dịch A: H+; Cl-; Cu2+; NO3-. Điện phân phần 1 dung dịch A:
Tại K (-): H+; Cu2+; H2O: Cu2+ + 2e
0,14




Cu

0,28 mol

Tại A (+): Cl-; NO3-; H2O: 2Cl- 
 Cl2 + 2e
Khí duy nhất tại A là Cl2 : nCl2 = 0,14 mol  ne nhường = 0,28 mol = ne nhận
Từ công thức : ne =

It
F

 t = 10808 (s)

Dung dịch sau phản ứng tác dụng với NaOH tạo kết tủa nên có dư Cu2+
Phản ứng : H+ + OH-


 H2O

Cu2+ + 2OH-




(1)

Cu(OH)2 

(2)

nCu(OH)2 = 0,02 mol  nCu2+ dư = 0,02 mol. Vậy nCu(NO3)2 = 0,16 mol
Theo (1,2): nH+ = nOH- = 0,4 mol  nHCl = 0,4 mol
Vậy: CM Cu(NO3)2 = 0,2 M; CM HCl = 0,5 M
2. Cho bột Fe vào phần 2 thu được hỗn hợp kim loại nên Fe phản ứng dư:
2+
3Fe + 8H+ + 2NO3- 
 3Fe + 2NO + 4H2O

0,15

0,4

Fe + Cu2+
0,16

0,1



0,16

(3)

0,1 mol

Fe2+ + Cu

(4)

0,16 mol

Theo (3) VNO = 2,24 lít
Theo (3, 4): mhỗn hợp

kim loại

= mFedư + mCu= m – 0,31. 56 + 0,16.64 = 0,75m

 m = 28,48 gam
17


Ví dụ 4: Một chất A có công thức MXOm. Tổng số proton trong các nguyên tử tạo ra
phân tử A là 78. Trong ion XOm có 32 electron. X là nguyên tố ở chu kì 2.
Khi điện phân dung dịch A trong nước, trong 1447,5 giây với I = 10 ampe (điện cực
trơ), được dung dịch B. Cho CuO lấy dư 25% về khối lượng tác dụng với B, lọc tách chất
rắn, thu được dung dịch D có chứa 22,6 gam muối.
a. Tìm công thức chất A.
b. Tính khối lượng kim loại M đã bám vào catot và khối lượng CuO đã dùng.
c. Tính khối lượng chất A đã dùng trước khi điện phân và nồng độ mol/lít của các chất
có trong dung dịch D (cho thể tích của dung dịch D là 250 ml).
Hướng dẫn giải:
a. Gọi ZX là số proton nguyên tử X, số electron trong XOm- = ZX + 8m + 1 =32
 ZX = 31 – 8m (*) Do X thuộc chu kì 2 nên ZX < 10 và X tạo anion nên X là phi kim, từ
(*) dễ thấy thỏa mãn m = 3, ZX = 7 (N)
Tổng số p trong A: ZM + ZX + 8m = 78 ZM = 47  M là Ag
Vậy A là AgNO3
b. Điện phân dung dịch A:
Tại K (-): Ag+; H2O: Ag+ + 1e
Tại A (+): NO3-; H2O: 2H2O







Ag

4H+ + O2 + 4e

(1)
(2)

Ta có: ne = 0,15 mol, theo (2): nH+ = ne = 0,15 mol
2+
Cho CuO vào B có phản ứng : CuO + 2H+ 
 Cu + H2O

(3)

Từ (3) có: nCuOphản ứng = nCu2+ = 0,075 mol  mCu(NO3)2 = 14,1 gam
Mà mmuối = 22,6 gam nên AgNO3 dư: 8,5 gam  nAgNO3 dư = 0,05 mol
Ta có: nAg = ne = 0,15 mol  mAg bám vào K = 0,15. 108 = 16,2 gam
nCuO dùng = 0,075.

125
=
100

0,09375 mol  mCuO = 7,5 gam

c. nAgNO3 đã dùng = 0,05 + 0,15 = 0,2 mol  mAgNO3 đã dùng = 34 gam
dung dịch D: Cu(NO3)2: 0,075 mol; AgNO3 dư: 0,05 mol
 CM Cu(NO3)2 = 0,3 M; CM AgNO3 = 0,2 M

18


Ví dụ 5: Điện phân 100 ml dung dịch X gồm H2SO4 0,3M và HCl 0,4M với cường độ
dòng điện 2,68 A trong thời gian t giờ.
a. Lập hàm số mô tả sự phụ thuộc của pH vào thời gian điện phân t trong khoảng (0 <
t < 1 giờ).
b. Vẽ đồ thị hàm số trên.
Biết: -Hằng số Faraday F = 26,8 Ampe.giờ.
- Thể tích dung dịch không đổi trong quá trình điện phân.
- Các giá trị logarit của x
x

0,5

logx -0,301

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

-0,222

-0,155

-0,097

-0,046

0

Hướng dẫn giải:
a. Ta có: nH2SO4 = 0,03 mol; nHCl = 0,04 mol
Tại K (-): H+ (0,1 mol); H2O: 2H+ + 2e 
 H2
Tại A (+): Cl- (0,04 mol); SO42- (0,03 mol): 2Cl2H2O







Cl2 + 2e

4H+ + O2 + 4e

Số mol e trao đổi trong thời gian t giờ = 0,1. t (mol)
Khi t = 1giờ thì H+ tại K hết do nH+ = ne nhận
Khi t = 0, 4 giờ thì Cl- hết tại A, còn H+ dư = 0,06 (mol)
- Nếu 0 < t  0,4 thì: H+ dư = (0,1 – 0,1.t ) mol  pH = -log[H+] = - log (1-t)
- Nếu 0,4 < t < 1,0 thì : H+ không đổi = 0,06 mol do tại K mất H+ thì tại A tạo ra H+ và
pH = 0,222.
b. Vẽ đồ thị được xử lí bằng Excel
t

0

0,1

0,2

0,3

0,4

x=1-t

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

logx= log (1-t)

0

0,046

0,097

0,155

0,222

19


pH dung dịch điện phân
0.25

pH

0.2
0.15
pH dung dịch
0.1
0.05
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.8

0.9

1

Thời gian t

2.2.2.3. Ví dụ đề nghị
Ví dụ 1: Hoà tan 91,2g FeSO4 vào 200g dung dịch HCl 3,285% thu được dung dịch A.
Chia dung dịch A thành 3 phần bằng nhau:
Phần 1: Cho thêm vào 4,05 g bột nhôm, sau một thời gian thu được 0,672 lít khí (đktc),
dung dịch B và chất rắn C. Cho dung dịch B tác dụng với dung dịch NaOH dư, lấy kết
tủa nung ở nhiệt độ cao trong không khí đến khối lượng không đổi thu được 4g chất rắn.
Tính khối lượng chất rắn C.
Phần 2: Đem điện phân với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng I=1,34 ampe
trong 2 giờ. Tính khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (đktc) thoát ra ở
anot. Biết hiệu suất điện phân là 100%.
Đáp số: mC = 9,21 gam; mkim loại K = mFe = 1,12 gam; Vkhí = 0,896 lít
Ví dụ 2: Hoà tan 20g K2SO4 vào 150g nước, thu được dung dịch A. Tiến hành điện phân
dung dịch A một thời gian. Sau khi điện phân khối lượng K 2SO4 trong dung dịch chiếm
14,93% khối lượng của dung dịch. Biết lượng nước bị bay hơi là không đáng kể.
a.Tính thể tích khí thoát ra ở mỗi điện cực đo ở điều kiện tiêu chuẩn.
b. Tính thể tích H2S (đktc) cần dùng để phản ứng hết với khí thoát ra ở anot tạo ra SO2.
Đáp số: Vkhí tại K = 44,8 lít; Vkhí tại A = 22,4 lít; Vậy VH2S  14,93 lít
Ví dụ 3: Điện phân (với điện cực Pt) 200 mililít dung dịch Cu(NO3)2 đến khi bắt đầu có
khí thoát ra ở catôt thì dừng lại. Để yên dung dịch cho đến khi khối lượng của catôt
không đổi, thấy khối lượng catôt tăng 3,2 gam so với lúc chưa điện phân. Tính nồng độ
mol của dung dịch Cu(NO3)2 trước khi điện phân.

20


Đáp số: : CM (Cu(NO3)) trước điện phân = 1,0 M
Ví dụ 4: Hoà tan 50 gam CuSO4.5H2O vào 200 ml dung dịch HCl 0,6M được dung dịch
A. Tiến hành điện phân dung dịch A với dòng điện cường độ 1,34 ampe trong 4 giờ. Tính
khối lượng kim loại thoát ra ở catot và thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot. Biết hiệu suất
các phản ứng đạt 100%.
Đáp số: Vậy: mCu = 0,1. 64 = 6,4 gam; Vkhí tại A = 1,792 lít
Ví dụ 5: Điện phân 2 lít dung dịch CuSO4 0,5M với điện cực trơ. Sau một thời gian,
ngừng điện phân và cho đi qua dung dịch sau điện phân một luồng khí A lấy dư thì thu
được 72 gam kết tủa màu đen. Biết rằng, khi đốt khí A trong oxi dư thì tạo thành hơi
nước và khí B, khí B làm mất màu dung dịch nước brom.
a. Xác định công thức phân tử của các khí A,B.
b. Tính thể tích khí khí thoát ra ở anot (đktc).
c. Tính thể tích dung dịch axit HNO3 60% (D = 1,37 g/ml) cần thiết để hoà tan lượng
kim loại kết tủa trên catot.
Đáp số: a. A là H2S , B là SO2; b. VO2 = 2,8 lítc; VHNO3  76,64 ml
Chú ý: axit HNO3 60% là axit đặc vì nồng độ đậm đặc nhất hay dùng trong phòng thí
nghiệm là 68%
Ví dụ 6: (Trích đề thi đại học khối A năm 2010). Điện phân (với điện cực trơ) một dung
dịch gồm NaCl và CuSO4 có cùng số mol, đến khi ở catot xuất hiện bọt khí thì dừng điện
phân. Trong cả quá trình điện phân trên, sản phẩm thu được ở anot là
A. khí Cl2 và O2.

B. khí H2 và O2.

C. chỉ có khí Cl2.

D. khí Cl2 và H2.

Ví dụ 7: (Trích đề thi đại học khối A năm 2010). 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 khí
(đktc) thoát ra ở anot sau 9650 giây điện phân là
A. 2,240 lít.

B. 2,912 lít.

C. 1,792 lít.

D. 1,344 lít.

Ví dụ 8: (Trích đề thi cao đẳng năm 2011). Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,2M
(điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 3,2 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu
được ở anot là:
A. 3,36 lít

B. 1,12 lít

C. 0,56 lít

D. 2,24 lít

21


Ví dụ 9: (Trích đề thi đại học khối B năm 2010). Điện phân (với điện cực trơ) 200 ml dd
CuSO4 nồng độ x mol/l, sau một thời gian thu được dung dịch Y v n còn màu xanh, có
khối lượng giảm 8g so với dung dịch ban đầu. Cho 16,8g bột Fe vào Y, sau khi các phản
ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 12,4g kim loại. Giá trị của x là
A. 2,25

B. 1,5

C. 1,25

D. 3,25

Ví dụ 10: (Trích đề thi đại học khối B năm 2009). 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

2.2.3. Một số lí thuyết mở rộng về điện phân và ứng dụng
2.2.3.1. Thế phân giải và quá thế
Điện phân là sự phân hủy chất nhờ tác dụng của dòng điện một chiều. Khi nối nguồn điện
một chiều với hai điện cực nhúng trong chất điện ly nóng chảy hay dung dịch chất điện ly
ở các điện cực của bình điện phân xảy ra các quá trình oxi hóa và khử làm cho chất bị
phân hủy. Như vậy quá trình diễn ra ở đây ngược lại ở trong pin điện: dòng điện ở pin là
do phản ứng oxi hóa khử sinh ra. Phản ứng trong pin tự phát xảy ra còn phản ứng điện
phân chỉ xảy ra khi có dòng điện.
Khi nối điện cực kẽm Zn2+/Zn với điện cực clo Cl2/2Cl- ở điều kiện chuẩn, pin kẽm - clo
có suất điện động E0 = 2,12V. Ngược lại nếu dùng dòng điện một chiều có thế hiệu 2,12V
nối với hai điện cực trơ (bằng platin hoặc than chì) nhúng trong dung dịch ZnCl 2 sẽ thấy
kẽm kim loại bám vào điện cực nối với cực âm của nguồn điện và khí clo xuất
hiện ở điện cực nối với cực dương của nguồn điện, nghĩa là ở các điện cực đó đã xảy
ra hai nửa phản ứng:
Ở điện cực âm (K -): Zn2+ + 2e  Zn
Ở điện cực dương (A +): 2Cl-  Cl2 + 2e
Phản ứng chung: Zn2+ + 2Cl-

dong dien

 Zn

+ Cl2 ở hiệu điện thế 2,12 V

Tương tự như vậy, phản ứng điện phân CuCl2
Cu2+ + 2Cl-

dong dien



Cu + Cl2

xảy ra ở thế hiệu là 1,02V

Phản ứng điện phân HCl:
2H+ + 2Cl-

dong dien



H2 + Cl2 xảy ra ở thế hiệu là 1,36V.
22


Những thế hiệu 2,12V; 1,02V và 1,36V được gọi là thế phân giải của ZnCl2 ,
CuCl2 và HCl tương ứng ở trong dung dịch 1M. Vậy thế hiệu tối thiểu của dòng điện một
chiều cần đặt vào các điện cực trơ để gây nên sự điện phân chất gọi là thế phân giải (kí
hiệu là U). Những thế phân giải của các chất trên đây đúng bằng sức điện động của các
pin tương ứng.
Thế phân giải của ZnCl2 trong dung dịch:
U=

ECl0

2 /2 Cl



0
 EZn
=
2
/ Zn

1,36 – (-0,76) = + 2,12 V

Thế phân giải của CuCl2 trong dung dịch:
U=

ECl0

2 /2 Cl



0
 ECu
=
2
/ Cu

1,36 – 0,34 = + 1,02 V

Thế phân giải của HCl trong dung dịch:
U=

ECl0

2 /2 Cl



 EH0  / H

2

= 1,36 – 0 = + 1,36 V

Từ đó ta thấy thế phân giải của chất bao gồm thế phân giải cation và thế phân giải anion.
Thế phân giải của ion là thế tối thiểu cần đặt vào điện cực để ion đó tích điện hay phóng
điện.
Thế phân giải của đại đa số cation và anion ở các điện cực trơ thực tế bằng thế
điện cực của nguyên tố tương ứng. Nhưng thế phân giải của một vài ion như Fe2+ , Ni2+ ,
H+ và OH- hay H2O về giá trị tuyệt đối rất lớn hơn thế của điện cực tương ứng. Khi
điện phân dung dịch của chất chứa các ion đó ở trong nước, người ta phải dùng dòng điện
có thế hiệu cao hơn so với suất điện động E của pin tương ứng. Thế hiệu phụ thêm đó
được gọi là quá thế (kí hiệu là ΔE ).
Hiện tượng quá thế có bản chất rất phức tạp và phụ thuộc nhiều vào yếu tố liên quan với
đặc tính động học như vật liệu được dùng để làm điện cực, bề mặt của điện cực, trạng
thái tập hợp của chất thoát ra ở điện cực, với mật độ dòng điện và nhiệt độ.
Khi ở điện cực thoát ra kim loại, đại lượng quá thế thường rất bé, có thể bỏ qua được trừ
các trường hợp sắt
E = 0,24V và niken
E = 0,23V . Khi ở điện cực thoát ra các
khí như H2 và O2 đại lượng quá thế là đáng kể, không thể bỏ qua được.
Dưới đây là quá thế của hiđro và oxi trên các điện cực khác nhau:
Điện cực

Quá thế của hiđro, V

Quá thế của oxi, V

Pt (muội)

0,03-0,04

0,3

Fe

0,1-0,2

0,3
23


Pt (nhẵn)
Ni
Hg

0,2-0,4

0,5

0,2-0,4

0,5

0,8-1,0

Như vậy thế phân giải của chất điện ly ở trong dung dịch nước được xác định
bằng: U = Ea0 + E0c + ΔEa + ΔEc
U = E0 a - E0c + ΔEa + ΔEc
Trong đó: U là thế phân giải; Ea0 là thế điện cực chuẩn A (+), E0c là thế điện cực chuẩn
catot (K-); ΔEa quá thế A (+); ΔEc là quá thế catot (K-).
Quá thế thường được xác định bởi phương trình quá thế Tafel:
∆E = a + b. logi
Trong đó a, b là hệ số phụ thuộc bản chất của chất làm điện cực và trạng thái bề mặt, i là
mật độ dòng A/cm2.
2.2.3.2. Giải thích sự tạo thành sản phẩm khi điện phân dung dịch
Khi điện phân dung dịch nước chứa một số loại cation và một số loại anion thì về nguyên
tắc, ở điện cực âm, cation nào có thế điện cực chuẩn lớn hơn sẽ bị khử trước và ở điện
cực dương, anion nào có thế điện cực bé sẽ bị oxi hóa trước. Tuy nhiên trên thực tế thứ
tự đó thường bị phá vỡ bởi hiện tượng quá thế.
Để làm sáng tỏ điều này, chúng ta xét thế phân giải của tất cả những trường hợp có thể
xảy ra điện phân. Thí dụ như dung dịch NiCl2 1M với các điện cực platin nhẵn
Ta có: Epc =

ECl0

2 /2 Cl



 ENi0 2 / Ni =

+1,36 – (-0,23) = + 1,59 V

- Trường hợp 1: ΔE = 0, U = Epc = +1,59 V
Ở K (-): Ni2+ + 2e  Ni
Ở A (+): 2Cl-  Cl2 + 2e
- Trường hợp 2: ΔE = + 0,5 V ứng với quá thế O2 trên điện cực Pt nhẵn
Ở K (-): Ni2+ + 2e  Ni
1
O2
2

Ở A (+): H2O  2H+ +

+ 2e

 U = Epc + ΔE = E O0 / H O - E 0Ni
2

2

2

/ Ni

= +1,23 – (-0,23) + ΔE = +1,46 V

24


- Trường hợp 3: ΔE= + 0,4 V ứng với quá thế H2 trên Pt nhẵn
Ở K (-): 2H2O + 2e  2OH- + H2 ; E 0H O / H = - 0,828 V
2

2

Ở A (+): 2Cl-  Cl2 + 2e
 U = Epc + ΔE = +1,36 – (-0,828) + 0,4 = +2,588 V
- Trường hợp 4: ΔE = + 0,9 V đồng thời có H2 và O2 thoát ra
Ở K (-):2H2O + 2e  2OH- + H2
Ở A (+):H2O  2H+ +

1
O2
2

+ 2e

 U = Epc + ΔE = + 1,23 – (-0,828) + 0,9 = +2,958 V
Như vậy khi điện phân dung dịch NiCl2 với điện cực Pt nhẵn thì xảy ra trường hợp 1 và
dpdd
phương trình điện phân là: NiCl2 
 Ni  + Cl2
Tính toán tương tự vậy, chúng ta giải thích được sự tạo thành những sản phẩm của quá
trình điện phân dung dịch nước của các chất sau đây với điện cực trơ:
2NaCl + 2H2O

dpdd

 2NaOH

+ Cl2 + H2

dpdd
CuSO4 + H2O 
 Cu + H2SO4 +

1
O2
2

Và sự phân hủy nước khi điện phân dung dịch H2SO4, NaOH, Na2SO4
H2O

dpdd



H2 +

1
O2
2

Kiềm , axit, muối chỉ có tác dụng tăng độ d n điện.
2.2.3.3. Ứng dụng của điện phân
Phương pháp điện phân được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất và trong phòng
thí nghiệm nghiên cứu.
Trong công nghiệp hóa chất, điện phân thường được dùng để tách lấy đơn chất từ hợp
chất. Nhiều quá trình điện phân giữ vai trò then chốt trong sản xuất như:
- Sản xuất NaOH, Cl2 bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl đậm đặc.
- Sản xuất các khí H2, O2 bằng phương pháp điện phân dung dịch K2SO4, H2SO4,
NaOH…
- Sản xuất Li, Na, Mg, Ca, Sr, Ba, Cl 2, Br2…bằng phương pháp điện phân các muối
halogenua nóng chảy.
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×