I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Định nghĩa.
Điện phân là dùng năng lượng điện để thực hiện phản ứng oxi hóa - khử xảy ra trên catot và anot
+ Tại catot (cực âm) xảy ra quá trình khử (nhận e)
+ Tại Anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa (cho e)
Khác với phản ứng oxi hóa khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau e mà phải truyền qua dây dẫn.
2. Các trường hợp điện phân.
a. Điện phân nóng chảy
Phương pháp điện phân nóng chảy chỉ áp dụng điều chế các kim loại hoạt động rất mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al
● Điện phân nóng chảy oxit: chỉ dụng điều chế Al
2Al2O3 → 4Al + 3O2
* Tác dụng của Na3AlF6 (criolit):
+ Hạ nhiệt cho phản ứng
+ Tăng khả năng dẫn điện cho Al
+ Ngăn chặn sự tiếp xúc của oxi không khí với Al
* Quá trình điện phân:
+ Catot (-): \({\rm{2A}}{{\rm{l}}^{{\rm{3 + }}}}{\rm{ + 6e }} \to {\rm{ 2Al}}\)
+ Anot (+):Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra ở anot ăn mòn.
\(\begin{array}{l}
{\rm{6}}{{\rm{O}}^{{\rm{2 - }}}}{\rm{ - 6e}} \to {\rm{3}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow \\
{\rm{2C + }}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to 2{\rm{CO}} \uparrow \\
{\rm{2CO + }}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to 2{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow
\end{array}\)
Phương trình phản ứng điện phân cho cả 2 cực là:
2Al2O3 → 4Al + 3O2
Al2O3 + 3C → 2Al + 3CO
2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2
Khí ở anot sinh ra thường là hỗn hợp khí CO, CO2 và O2. Để đơn giản người ta thường chỉ xét phương trình: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
● Điện phân nóng chảy hiđroxit (Chỉ áp dụng để điều chế các kim loại kiềm: Na, K)
* Tổng quát: 2MOH → \({\rm{2M + }}\frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \uparrow {\rm{ (M = Na, K,}}...{\rm{)}}\)
* Quá trình điện phân:
Catot (-): 2M+ +2e → 2M
Anot (+): 2OH- -2e → \(\frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \uparrow \)
● Điện phân nóng chảy muối clorua (Chỉ áp dụng để điều chế kim loại kiềm và kiềm thổ)
* Tổng quát: 2MClx → 2M + xCl2 (x = 1,2)
b. Điện phân dung dịch
- Áp dụng để điều chế các kim loại trung bình, yếu.
- Trong điện phân dung dịch nước giữ một vai trò quan trọng:
+ Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực.
+ Đôi khi nước tham gia vào quá trình điện phân.
Ở catot: \({\rm{ 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 2e}} \to {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + 2O}}{{\rm{H}}^{\rm{ - }}}\)
Anot: \({{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O - 2e}} \to \frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + 2}}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}\)
Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân do điện ở quá lớn ( I=0). Do vậy muỗn điện phân nước cần hoà thêm các chất điện ly mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh...
- Để viết được các phương trình điện ly một cách đầy đủ cà chính xác, chúng ta cần lưu ý một số quy tắc kinh nghiệm sau đây:
Quy tắc 1: Quá trình khử xảy ra ở catot
+ Các ion kim loại từ Al3+ trở về đầu dãy điện hóa không bị khử thành ion kim loại khi điện phân dung dịch. Nên nếu catot chỉ chứa các cation này thì do chúng không bị khử nên nước sẽ bị khử :
\({\rm{ 2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 2e}} \to {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + 2O}}{{\rm{H}}^{\rm{ - }}}\)
+ Các ion sau Al3+ thì bị khử thành kim loại, với thứ tự ưu tiên ngược từ dưới lên. Trong đó đặc biệt chú ý ion H+ luôn bị khử cuối cùng trong dãy ưu tiên trên.
Quy tắc 2: Quá trình oxi hoá ở anot
+ Ưu tiên 1: Đó là các kim loại trung bình và yếu.
+ Ưu tiên 2: \({{\rm{S}}^{{\rm{2 - }}}}{\rm{ > }}{{\rm{I}}^{\rm{ - }}}{\rm{ > B}}{{\rm{r}}^{\rm{ - }}}{\rm{ > C}}{{\rm{l}}^{\rm{ - }}}{\rm{ > O}}{{\rm{H}}^{\rm{ - }}}\)
Nếu khi điện phân ở anot chứa đồng thời kim loại và anion (ion âm) thì anion không bị oxi hóa.
Các anion chứa oxi như: \({\rm{N}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}^{\rm{ - }}{\rm{; S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}^{{\rm{2 - }}}{\rm{; C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}^{{\rm{2 - }}}{\rm{; S}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}^{{\rm{2 - }}}{\rm{; P}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}^{{\rm{3 - }}}{\rm{; Cl}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}^{\rm{ - }}\)… coi như không bị oxi hóa . Nếu anot chỉ chứa các anion này thì \({{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\) sẽ bị oxi hóa:
\({{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O - 2e}} \to \frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + 2}}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}\)
Kết luận về các trường hợp điện phân dung dịch:
- Điện phân dung dịch muối của cation kim loại mạnh (≥ Al) với gốc axit có oxi: \({\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}};\),KNO3 các dung dịch axit có gốc axit chứa oxi: \({{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}};{\rm{KN}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}...\), các dung dịch bazơ tan của kim loại kiềm và kiềm thổ: thì nước bị điện phân.
Ví dụ: điện phân dung dịch
H2O → 1/2H2 + O2
- Điện phân dung dịch axit mà gốc axit không có oxi:
- Điện phân dung dịch muối của cation kim loại trung bình - yếu (sau Al) với gốc axit có oxi: cho ra kim loại + oxi + axit tương ứng.
II. BÀI TẬP MINH HỌA
Ví dụ 1: Biểu diễn quá trình điện phân dung dịch KCl
Hướng dẫn giải
Phương trình điện li:
\(\begin{array}{l}
{{\rm{K}}^ + },{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O C}}{{\rm{l}}^ - },{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\\
{\rm{2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 2e}} \to {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow {\rm{ + 2O}}{{\rm{H}}^{\rm{ - }}}{\rm{ 2C}}{{\rm{l}}^ - } - {\rm{ 2e }} \to {\rm{C}}{{\rm{l}}_2}
\end{array}\)
Do đó phương trình điện phân là:
2KCl + 2H2O → 2KOH + H2 + Cl2
Ví dụ 2: Biểu diễn quá trình điện phân dung dịch CuSO4 (điện cực trơ)
Hướng dẫn giải
\(\begin{array}{l}
{\rm{ C}}{{\rm{u}}^{2 + }},{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O SO}}_4^{2 - },{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\\
{\rm{ C}}{{\rm{u}}^{2 + }}{\rm{ + 2e }} \to {\rm{ Cu }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} - {\rm{ 2e }} \to \frac{1}{2}{{\rm{O}}_2}{\rm{ }} + {\rm{ 2}}{{\rm{H}}^ + }
\end{array}\)
Do đó phương trình điện phân là:
CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + 1/2O2
Ví dụ 3: Điện phân dung dịch CuSO4 với anôt là Cu
Hướng dẫn giải
\(\begin{array}{l}
{\rm{ C}}{{\rm{u}}^{2 + }},{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O Cu, SO}}_4^{2 - },{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\\
{\rm{ C}}{{\rm{u}}^{2 + }}{\rm{ + 2e }} \to {\rm{ Cu Cu}} - {\rm{ 2e}} \to {\rm{C}}{{\rm{u}}^{2 + }}
\end{array}\)
Như vậy, ở catot Cu sinh ra bao nhiêu thì ở anot bị tan ra bấy nhiêu; trước và sau điện phân lượng CuSO4 không đổi. Quá trình này dùng để mạ và tinh luyện kim loại nguyên chất.
Ví dụ 4: Điện phân dung dịch SO4
\(\begin{array}{l}
{\rm{ }}{{\rm{H}}^ + },{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O SO}}_4^{2 - },{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}\\
{\rm{ 2}}{{\rm{H}}^ + }{\rm{ + 2e }} \to {\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} - {\rm{ 2e }} \to \frac{1}{2}{{\rm{O}}_2}{\rm{ }} + {\rm{ 2}}{{\rm{H}}^ + }
\end{array}\)
Do đó phương trình điện phân là:
H2O → 1/2H2 + O2
Ví dụ 5: Điện phân dung dịch hỗn hợp CuSO4 a mol và KBr b mol.
Hướng dẫn giải
H2O ⇔ \({{\rm{H}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + O}}{{\rm{H}}^{\rm{ - }}}{\rm{; KBr}} \to {{\rm{K}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + B}}{{\rm{r}}^{\rm{ - }}}{\rm{; CuS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} \to {\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}^{{\rm{2 - }}}\)
+catot (-): \({{\rm{H}}^{\rm{ + }}}{\rm{; }}{{\rm{K}}^{\rm{ + }}}{\rm{; C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}\) thứ tự điện phân là \({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ > }}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}\) còn K+ không bị điện phân
\({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ + 2e}} \to {\rm{Cu}}\) hết \({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}\) thì \({\rm{2}}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + 2e}} \to {{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow \)
III. LUYỆN TẬP
Câu 1: Điện phân dung dịch muối MCln bằng dòng điện 5A, điện cực trơ, sau 21 phút 27 giây ngừng điện phân, thấy trên catot sinh ra 2,1334 gam kim loại M. Xác định tên kimloại M.
A. Cu.
B. Fe.
C. Mg.
D. Zn.
Câu 2:Điện phân dung dịch NaCl cho đến khi hết muối với dòng điện 1,61A thấy hết 60 phút
1. Tính khối lượng khí thoát ra, biết rằng điện cực trơ, màng ngăn xốp.
A. 2,13 gam.
B. 0,06 gam.
C. 2,19 gam.
D. 2,22 gam.
2.Trộn dung dịch sau điện phân với dung dịch H2SO4 chứa 0,04 mol rồi cô cạn dung dịch. Tính khối lượng muối khan thu được.
A. 4,26 gam.
B. 3, 6 gam.
C. 7,86 gam.
D. 6,86 gam.
Câu 3: Điện phân 100ml dung dịch A chứa Cu2+, Na+; H+; có pH = 1, điện cực trơ. Sau một thời gian điện phân, rút điện cực ra khỏi dung dịch, thấy khối lượng dung dịch giảm 0,64 gam và dung dịch có màu xanh nhạt, thể tích dung dịch không đổi. Tính nồng độ H+ có trong dung dịch sau khi điện phân.
A. 0,2 M. B. 0,1 M. C. 0,16 M. D. 0,26 M.
Câu 4: Trong quá trình điện phân những cation sẽ di chuyển về:
| A. Cực dương, ở đây xảy ra sự oxi hoá | B. Cực dương, ở đây xảy ra sự khử |
| C. Cực âm, ở đây xảy ra sự oxi hoá | D. Cực âm, ở đây xảy ra sự khử |
Câu 5: Quá trình xảy ra tại các điện cực khi điện phân dung dịch AgNO3 là :
| A. Cực dương : Khử ion NO3- | B. Cực âm : Oxi hoá ion NO3- |
| C. Cực âm : Khử ion Ag+ | D. Cực dương : Khử H2O |
Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Lý thuyết và phương pháp giải quyết bài toán điện phân môn Hóa học 12 năm 2021. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang Chúng tôi để tải tài liệu về máy tính.
Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong kì thi sắp tới.
