Bài toán điện phân

Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN TÀI LIỆU BÀI GIẢNG I. NGUYÊN TẮC Điện phân là quá trình oxi hoá khử trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của dòng điện 1 chiều. Điện cực anot (+): Xảy ra quá trình oxi hoá các chất và ion Điện cực catot (-) Xảy ra quá trình khử các chất và ion 1. Điện phân nước Tại Anot (+) : 2H2O O2 + 4H + + 4e Tại Catot (-) : 2H2O + 2e H2 + 2OH 2. Quá trình điện phân tại các điện cực a) Tại anot (+): - Chất và ion nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước. - Thứ tự điện phân: S2- > I- > Br- > Cl- - Các ion gốc axit chứa oxi không bị oxi hoá mà xảy ra quá trình oxi hoá nước b) Tại catot: - Chất và ion có tính oxi hoá mạnh bị khử trước. - Thứ tự điện phần theo dãy điện hoá: ion sau bị điện phân trước - Các ion kim loại trước Al3+ không bị điện phân mà điện phân nước. 3. Công thức Farađay A.I.t m I.t m n. n.F A F Với F = 6,02.10–23–.1,6.10–19 = 96500 (C) là điện tích của 1 mol e. ÁP DỤNG SỰ BẢO TOÀN ELECTRON ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN ĐIỆN PHÂN Tổng số mol e mà catot cho đi = tổng số mol e mà anot thu vào = I.t F (mol ). e(catot cho) e(anot nhËn) I.t n n (mol e) F 4. Chú ý - Điện cực anot làm bằng kim loại tan. - Chất tạo thành trong quá trình điện phân tác dụng với điện cực. - Các bình điện phân mắc nối tiếp thì số mol e mà catot cho đi ở các bình điện phân là bằng nhau và số mol e mà các anot nhận vào ở các bình điện phân cũng bằng nhau. II.BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Điện phân dung dịch chứa x mol Cu(NO3)2 và y mol KCl (với điện cực trơ, có màng ngăn xốp). Biết ion 3NO không bị điện phân trong dung dịch. Để dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của x và y là A. y = 2x. B. y 2x. D. 2y = x. Bài 2: Điện phân hoàn toàn dung dịch hỗn hợp CuSO4 và NaCl (điện cực trơ), trong đó nồng độ mol của hai muối bằng nhau. Nếu thêm vài giọt quỳ tím vào dung dịch sau khi điện phân thì màu của dung dịch thay đổi như thế nào ? A. Dung dịch có màu tím. B. Dung dịch có màu xanh. C. Dung dịch có màu đỏ. D. Dung dịch không đổi màu. Bài 3: Điện phân một dung dịch muối MCln với điện cực trơ. Khi ở catot thu được 16 gam kim loại M, ở anot thu được 5,6 lít khí (đktc). Kim loại M là A. Mg. B. Ca. C. Cu. D. Fe. Bài 4: Điện phân 250 ml dung dịch NaCl 1,6M có màng ngăn, điện cực trơ cho đến khi ở catot thoát ra 20,16 lít khí (đktc) thì thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc) là A. 12,32 lít. B. 1,2 lít. C. 16,8 lít. D. 13,25 lít. Đáp án A 2NaCl + 2H2O cmn 2NaOH + H2 + Cl2 (1) 0,4 0,2 0,2 đp Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 - Ta có NaCln = 0,25 1,6 = 0,4 (mol) ; catot n = 20,16 22,4 = 0,9 (mol) Vì 2H catot n = 0,2 mol < 0,9 mol nên sau (1) tiếp tục sự điện phân H2O: 2H2O 2H2 + O2 (2) 0,7 0,35 2H n tạo ra ở (2) = 0,9 – 0,2 = 0,7 (mol) Vậy anot V = (0,2 + 0,35) 22,4 = 12,32 (lít). Bài 5: 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. Đáp án B CuCl2 Cu + Cl2 (1) 0,05 0,05 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 (2) 0,1 0,1 0,05 Ta có 2CuCl n = 0,5 0,1 = 0,05 mol NaCln = 0,5 0,5 = 0,25 mol Dựa vào công thức của định luật Faraday: A It m . n F Thời gian đp hết 0,05 mol CuCl2 là: 1t = 0,05 2 96500 5 = 1930 s Do đó thời gian điện phân NaCl là: 2t = 3860 – 1930 = 1930 s 2H m (ở catot) = 2 5 1930 . 2 96500 = 0,1 gam 2H n = 0,1 2 = 0,05 mol 2Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2 (3) 0,1 0,1 Vậy m = 27 0,1 = 2,7 gam. Bài 5: Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực trơ, sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catot và một lượng khí X ở anot. Hấp thụ hoàn toàn lượng khí X trên vào 200 ml dung dịch NaOH (ở nhiệt độ thường). Sau phản ứng, nồng độ NaOH còn lại là 0,05M (giả thiết thể tích dung dịch không thay đổi). Nồng độ ban đầu của dung dịch NaOH là A. 0,15M. B. 0,2M. C. 0,1M. D. 0,05M. Đáp án C CuCl2 Cu + Cl2 (1) 0,005 0,005 Cl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O (2) 0,005 0,01 Cun = 0,32 64 = 0,005 (mol) ; Vậy [NaOH] ban đầu = 0,01 0,2 + 0,05 = 0,1(M). Bài 6: Điện phân điện cực trơ 200ml dung dịch Cu(NO3)2 đến khi bắt đầu có bọt khí thoát ra ở catot thì dừng, để yên dung dịch đến khi khối lượng catot không đổi thấy khối lượng so với khối lượng lúc đầu tăng 3,2g (hiệu suất quá trình điện phân là 100%). Nồng độ mol của dung dịch Cu(NO3)2 ban đầu khi chưa điện phân là A. 2M B. 2,5M C. 3M D. 3,5M Lời giải Tại catot : Khi Cu2+ bị điện phân hết, H2O nước bắt đầu bị điện phân, có bọt khí thoát ra. Cu 2+ + 2e Cu đp đpdd mn đpdd Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - 0,05 3,2 0,05 64 3 2M Cu(NO ) 0,05 C 2,5 (M) 0,02 Bài 7: Điện phân 100 ml dung dịch HCl 0,5M và KCl 2M trong bình điện phân có màng ngăn, I = 21,23A. Cần điện phân trong thời gian bao nhiêu lâu để thu được dung dịch có pH = 12 (coi thể tích dung dịch không thay đổi trong quá trình điện phân, hiệu suất quá trình điện phân là 100%) ? A. 237,73 giây B. 272,73 giây C. 373,73 giây D. 420,30 giây Lời giải Tại catot, thứ tự điện phân như sau: 2H + + 2e H2 0,05 0,05 2H2O + 2e H2 + 2OH – 0,01 0,01 Tại anot : Cl– : 0,25 mol (chỉ có Cl– bị điện phân nên không ảnh hưởng đến môi trường dung dịch) 2Cl – Cl2 + 2e 0,06 0,06 e e n .FI.t 0, 06.96500 n t 272,73 (gi©y) F I 21,23 Bài 8: Điện phân một dung dịch chứa 400 ml dung dịch chứa AgNO3 0,05M và Cu(NO3)2 0,2M với 2 điện cự trơ, trong thời gian 19 phút 18 giây với cường độ dòng 5A (hiệu suất quá trình điện phân là 100%). Khối lượng kim loại được giải phóng ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (đktc) là A. 4,33 g ; 0,336 lít. B. 3,44 g ; 0,336 lít. C. 3,43 g ; 0,448 lít. D. 3,45 g ; 0,86 lít. Lời giải : Số mol e chuyển qua bình điện phân là : e I.t 5.(19.60 18) n 0,06 (mol) F 96500 3 3 2AgNO Cu(NO ) n 0,4.0,05 0,02 (mol) ; n 0,4.0,2 0,08 (mol) – Tại catot : catot cho 0,06 mol e, thứ tự nhận electron Ag + + e Ag 0,02 0,02 0,02 (chỉ còn 0,06 – 0,02 = 0,04 mol e) Cu 2+ + 2e Cu 0,04 0,02 Catot giải phóng được m = 0,02.108 + 0,02.64 = 3,44 (gam) – Tại anot : anot phải nhận vào 0,06 mol e ( NO3 – không bị điện phân) H2O – 2e 2H + + 1 2 O2 0,06 0,015 Thể tích khí thoát ra V = 0,015.22,4 = 0,336 (lít) Bài 9: Tiến hành điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,6M và HCl 0,3M với cường độ dòng I = 1,34A trong thời gian 4 giờ, hiệu suất điện phân là 100%, thì ở catot thu được m gam chất rắn và ở anot thu được V lít khí (đktc). Giá trị của m và V lần lượt là A. 3,84 và 1,288. B. 1,92 và 1,288. C. 3,84 và 0,336 D. 1,92 và 0,336. Lời giải Số mol e chuyển qua bình điện phân là e I.t 1,34.4.60.60 n 0,2 (mol) F 96500 4HCl CuSO n 0,03(mol);n 0,06(mol) – Tại catot : catot cho 0,2 mol e, thứ tự nhận electron Cu 2+ + 2e Cu 0,06 0,12 0,06 (còn 0,2 – 0,12 = 0,08 mol e) 2H + + 2e 2H Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 4 - 0,03 0,03 (còn 0,08 – 0,03 = 0,05 mol e) 2H2O + 2e H2 + 2OH – 0,05 0,025 Catot giải phóng được m = 0,06.64 + 0,055.22,4 = 5,072 (g) Tại anot : anot phải nhận vào 0,2 mol e (SO4 2– không bị điện phân) 2Cl – Cl2 + 2e 0,03 0,015 0,03 H2O 2H + + 1 2 O2 + 2e 0,0425 0,17 Thể tích khí thoát ra ở anot V = (0,015 + 0,0425).22,4 = 1,288 (lít) Bài 10: Hoà tan 1,936 gam hỗn hợp X gồm Cu, Fe bằng dung dịch H2SO4 đặc dư, được dung dịch A. Pha loãng dung dịch A rồi điện phân bằng điện cực trơ với dòng điện I = 9,65A đến hết Cu2+ thì mất 9 phút 20 giây (hiệu suất quá trình điện phân là 100%). Phần trăm khối lượng Cu và Fe trong X lần lượt là A. 89,59%; 10,41%. B. 80,52%; 19,48%. C. 85,60%; 14,40%. D. 90,50%; 9,50%. Lời giải Cu Fen x(mol);n y(mol) Dung dịch A gồm CuSO4 x(mol) ; Fe2(SO4)3 y/2 (mol) ; H2SO4 dư. Tại catot : catot cho 9,65.560 0,056(mol) 96500 . Thứ tự điện phân : Fe 3+ + e Fe 2+ y 2 y 2 Cu 2+ + 2e Cu x 2x Cu Fe 0,0271.64y %m 89,59%x = 0,0271 2x + = 0,056 1,9362 y = 0,0036 64x + 56y = 1,936 %m = 100 - 89,59 = 10,41% Bài 11: Điện phân 500 ml dung dịch gồm CuCl2 0,1M ; FeCl3 0,1M ; HCl 0,1M rồi điện phân bằng điện cực trơ với cường độ dòng điện I = 9,65A trong thời gian 41 phút 40 giây (hiệu suất quá trình điện phân là 100%). Khối lượng các chất thoát ra ở catot và thể tích khí thoát ra tại anot (đktc) là A. 4,65 g ; 2,8 lít. B. 5,45 g ; 2,24 lít. C. 5,32 g ; 4,48 lít . D. 4,56 g ; 11,2 lít. Lời giải Số mol e chuyển qua bình điện phân là : e I.t 9,65.2500 n 0,25(mol) F 96500 – Tại catot : catot cho 0,25 mol e, thứ tự nhận electron Fe 3+ + e Fe 2+ 0,05 0,05 0,05 Cu 2+ + 2e Cu 0,05 0,1 0,05 H + + e 2 1 H 2 0,05 0,05 0,025 Fe 2+ + 2e Fe 0,025 0,05 0,025 Catot giải phóng được m = 0,05.64 + 0,025.2 + 0,025.56 = 4,65 (gam) Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 5 - – Tại anot : có 0,3 mol Cl– dư để nhận 0,25 mol e Cl – 1 2 Cl2 + e 0,125 0,25 Anot giải phóng V = 0,125.22,4 = 2,8 (lít) Bài 12: Mắc nối tiếp hai bình điện phân : – Bình (1) chứa 800 ml dung dịch CuCl2 0,0625M và HCl 0,25M; – Bình (2) chứa 800 ml dung dịch AgNO3 0,5M. Thời điểm khi Ag trong bình (2) bị điện phân hết thì ở catot bình (1) khối lượng chất được giải phóng là A. 6 g B. 6,6 g C. 7 g D. 7,4 g Lời giải Bình (1): 2CuCl HCl n 0,8.0,125 0,1(mol) ; n 0,8.0,25 0,2 (mol) Bình (2): 3AgNO n 0,8.0,5 0,4 (mol) – Tại catot bình (2): Ag + + e Ag 0,4 0,4 – Catot của bình (1) cho đi 0,4 mol e. Cu 2+ + 2e Cu 0,1 0,2 0,1 2H + + 2e H2 0,2 0,2 0,1 Catot giải phóng được 0,1.64 + 0,1.2 = 6,6 (g) Bài 13: Trong bình điện phân (I) người ta hoà tan 0,3725g muối clorua của kim loại kiềm vào nước. Mắc nối tiếp bình (I) với catot của bình (II) chứa dung dịch CuSO4 đến khi ở anot của bình (I) khí clo bay ra hết thì dừng lại, thấy catot bình (II) có 0,16g kim loại được giải phóng. Tên kim loại X là A. Na B. K C. Li D. Cs Lời giải – Tại catot bình (2) : Cu2+ + 2e Cu 0,005 0,16 0,0025 (mol) 64 – Tại anot bình (1) : 2Cl– – 2e Cl2 0,005 0,005 XCl X 0,3725 M 74,5 M 74,5 35,5 39 (K) 0,005 Câu 14: Điện phân nóng chảy Al2O3 với anot than chì (hiệu suất điện phân 100%) thu được m kg Al ở catot và 67,2 m 3 (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 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. Đáp án B 2Al2O3 4Al + 3O2 (1) 2,8 2,1 C + O2 CO2 (2) 0,6 0,6 2C + O2 2CO (3) 0,9 1,8 CO2 + Ca(OH)2 dư CaCO3 + H2O (4) 0,02 0,02 Ta có XM = 16 2 = 32 (g/mol) Hỗn hợp X gồm O2, CO2 và CO Xn đem pư = 2, 24 22, 4 = 0,1 (mol) ; 3CaCO n = 2 100 = 0,02 (mol) đpnc Khóa học LTĐH đảm bảo môn Hóa-Thầy Sơn Bài toán điện phân Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 6 - 2CO % n = 0,02 100% 0,1 = 20% Mặt khác Xn thoát ra = 67,2 22,4 = 3 (kmol) 2CO n = 20 3 100 = 0,6 (kmol) Gọi số mol O2 có trong 3 kmol hỗn hợp X là x kmol COn = 3 – (x + 0,6) = 2,4 – x kmol Do đó XM = 32x 44.0,6 28.(2,4 x) 3 = 32 (g/mol) x = 0,6 kmol ; COn = 2,4 – 0,6 = 1,8 kmol 2O n sinh ra ở (1) = 0,6 + 0,9 + 0,6 = 2,1 (kmol) Vậy m = 27 2,8 = 75,6 (kg). Giáo viên: Phạm Ngọc Sơn Nguồn: Hocmai.vn