Các dạng bài toán điện phân và cách giải

Các dạng bài toán điện phân và cách giải

Với Các dạng bài toán điện phân và cách giải Hoá học lớp 12 gồm đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập toán điện phân từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Hoá 12.

A. Lý thuyết ngắn gọn

a/ Khái niệm : sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực, khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy.

b/ Các quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở điện cực :

∗ Tại catot (cực âm) : xảy ra quá trình khử (quá trình nhận e)

Ví dụ : điện phân dung dịch chứa các ion sau : Cu²⁺ , Fe²⁺, Fe³⁺ , Ag⁺ , H⁺ .

Thứ tự điện phân sẽ xảy ra như sau : Ag⁺ + 1e → Ag ;

Fe³⁺ + 1e → Fe²⁺ ;

Cu²⁺ + 2e → Cu ;

2H⁺ + 2e → H₂ ;

Fe²⁺ + 2e → Fe

.....

2H₂O + 2e → 2OH^- + H₂

∗ Tại anot (cực dương) : xảy ra quá trình oxi hóa (quá trình nhường e)

c/ Công thức Faraday : tính khối lượng chất thu được tại các điện cực

Trong đó :

m là khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)

A là khối lượng mol nguyên tử thu được ở điện cực (gam).

n là số e mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận.

I là cường độ dòng điện (ampe)

t là thời gian điện phân (giây)

F là hằng số Faraday (F = 96500) / n_e là số mol e

d/ Phương pháp điều chế :

∗ Điện phân nóng chảy : dùng điều chế kim loại mạnh IA , IIA , Al

∗ Điều chế kim loại nhóm IA : điện phân nóng chảy muối clorua hoặc hidroxit.

Ví dụ 1 : Điều chế K bằng cách điện phân nóng chảy KCl

Catot ( - ) ← KCl → Anot (+)

K⁺ + e → K 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điều chế : 2KCl 2K + Cl₂

Ví dụ 2 : Điều chế Na bằng cách điện phân nóng chảy NaOH

Catot (-) ← NaOH → Anot (+)

Na⁺ + e → Na 2OH^- → ½ O₂ + H₂O + 2e

Phương trình điều chế : 2NaOH 2Na + ½ O₂ + H₂O

Tổng quát :

∗ Điều chế kim loại nhóm IIA : điện phân nóng chảy muối clorua

Ví dụ 3 : điều chế Mg bằng cách điện phân nóng chảy MgCl₂

Catot (-) ← MgCl₂ → Anot (+)

Mg²⁺ + 2e → Mg 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điều chế : MgCl₂ Mg + Cl₂

Tổng quát :

∗ Điều chế Al : điện phân nóng chảy Al₂O₃

Catot (-) ← Al₂O₃ → Anot (+)

Al³⁺ + 3e → Al 2O^2- → O₂ + 4e

Phương trình điều chế : 2Al₂O₃ 4Al + 3O₂

∗ Điện phân dung dịch : dùng điều chế kim loại trung bình yếu (sau Al) bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng.

Ví dụ 4 : Điện phân dung dịch AgNO₃ để điều chế kim loại Ag.

Catot ( - ) ← AgNO₃ → Anot (+)

Ag⁺ , H₂O NO₃^- , H₂O

Ag⁺ + e → Ag H₂O → 2H⁺ + ½ O₂ + 2e

Phương trình điều chế : 2AgNO₃ + H₂O 2Ag + ½ O₂ + 2HNO₃

Ví dụ 5 : điện phân dung dịch CuCl₂ để điều chế Cu

Catot ( - ) ← CuCl₂ → Anot (+)

Cu²⁺ , H₂O Cl^- , H₂O

Cu²⁺ + 2e → Cu 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điều chế : CuCl₂ Cu + Cl₂

Chú ý: Khi điện phân các dung dịch sau:

+ Hidroxit của kim loại hoạt động 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 sinh ra khí H₂ (catot) và khí O₂ (anot)

B. Phương pháp giải

Công thức Faraday:

Bước 1: Tính n_{e trao đổi}:

Bước 2:Viết quá trình điện phân.

Bước 3: Tính lượng chất đã điện phân hoặc lượng chất thu được sau điện phân.

Chú ý:

V_khí = V_{khí (anot)} + V_{khí (catot)}

m_{dung dịch giảm} = m_{kim loại} + m_{khí thoát ra}

m_catot = m_{kim loại} ­_(catot)

Chú ý: Nếu biết catot bắt đầu thoát khí → khí thoát ra ở cả hai điện cực. Khi đó nước bắt đầu điện phân ở catot.

2H₂O + 2e → 2OH^- + H₂

C. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO₄ 1M với điện cực trơ, cường độ dòng điện là 5A trong thời gian 25 phút 44 giây thì dừng lại. Khối lượng dung dịch giảm sau điện phân là

A. 2,88 gam.

B. 3,84 gam.

C. 2,56 gam.

D. 3,20 gam.

Lời giải chi tiết

Đổi 25 phút 44 giây = 25.60 + 44 = 1544 giây

Theo hệ quả của công thức Faraday:

Quá trình điện phân:

Ở catot (-): Cu²⁺ + 2e → Cu

0,08 → 0,04 mol

Ở anot (+): 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

0,02 ← 0,08 mol

Ta có: m_{dung dịch giảm} = m_Cu +

→ m_{dung dịch giảm} = 2,56 + 0,64 = 3,2 gam

Chọn D.

Ví dụ 2: Điện phân 200 ml dung dịch AgNO₃ 0,4M với điện cực trơ, I = 5A. Sau 19 phút 18 giây, khối lượng Ag thu được ở catot là

A. 7,56 gam.

B. 4,32 gam.

C. 8,64 gam.

D. 6,48 gam.

Lời giải chi tiết

Đổi 19 phút 18 giây = 19.60 + 18 = 1158 giây

Theo công thức Faraday:

→ m_Ag = 6,48 gam

Chọn D.

Ví dụ 3: Điện phân 100 ml dung dịch CuSO₄ 0,2M và AgNO₃ 0,1M với cường độ dòng điện I = 3,86A. Sau t giây, khối lượng kim loại bám trên catot là 1,72 gam. Giá trị của t là

A. 250.

B. 1000.

C. 500.

D. 750.

Lời giải chi tiết

Ở catot (-):

Ag⁺ + 1e → Ag (1)

Cu²⁺ + 2e → Cu (2)

Nếu Ag⁺ điện phân hết, Cu²⁺ chưa điện phân: m_{kim loại} = m_Ag = 0,01.108 = 1,08 gam

Nếu Ag⁺ và Cu²⁺ đều điện phân hết: m_{kim loại} = m_Ag + m_Cu = 0,01.108 + 0,02.64 = 2,36 gam

Ta thấy: 1,08 < 1,72 < 2,36 → Ag⁺ điện phân hết, Cu²⁺ điện phân một phần

Ta có: m_Cu = m_{kim loại} – m_Ag = 1,72 – 1,08 = 0,64 gam

→ n_Cu = 0,01 mol

Theo (1) và (2): n_{e trao đổi} = n_Ag + 2n_Cu = 0,01 + 2.0,01 = 0,03 mol

Chọn D.

D. Bài tập tự luyện

Câu 1: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO₄ 0,1M (điện cực trơ) với cường độ dòng điện 10A, thời gian điện phân là 32 phút 10 giây. Tổng thể tích khí (đktc) sinh ra ở catot và anot là

A. 1,12 lít.

B. 0,56 lít.

C. 3,36 lít.

D. 2,24 lít.

Câu 2: Điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp gồm Cu(NO₃)₂ và KCl bằng điện cực trơ, màng ngăn xốp với cường độ dòng điện không đổi. Sau thời gian t giây, ở anot thoát ra 2,688 lít hỗn hợp khí (đktc). Nếu thời gian điện phân là 2t giây, thể tích khí thoát ra ở anot gấp 3 lần thể tích khí thoát ra ở catot (đo cùng điều kiện), đồng thời khối lượng catot tang 18,56 gam. Giá trị của m là

A. 55,34.

B. 63,46.

C. 53,42.

D. 69,87.

Câu 3: 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 N⁺⁵) 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

A. 1,00.

B. 1,20.

C. 0,50.

D. 0,25.

Câu 4: Điện phân nóng chảy muối MCl_n với điện cực trơ. Khi catot thu được 16 gam kim loại M thì ở anot thu được 5,6 lít khí Cl₂ (đktc). Kim loại M là

A. Mg.

B. Fe.

C. Cu.

D. Ca.

Câu 5: Điện phân đến hết 0,2 mol Cu(NO₃)₂ trong dung dịch với điện cực trơ, thì sau điện phân khối lượng dung dịch đã giảm bao nhiêu gam?

A. 3,2 gam

B. 12,8 gam

C. 16,0 gam

D. 20,0 gam

Câu 6: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO₄ 0,4M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 9,6 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là

A. 4,48 lít.

B. 2,24 lít.

C. 1,12 lít.

D. 1,68 lít.

Câu 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 14,9 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO₃)₂ (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm 15,1 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Khối lượng kim loại thu được ở catot là

A. 15,1 gam.

B. 6,4 gam.

C. 7,68 gam.

D. 9,6 gam.

Câu 8: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65A. Khi thể tích khí thoát ra ở cả hai điện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân. Khối lượng kim loại sinh ra ở catot và thời gian điện phân là

A. 3,2 gam và 2000s

B. 2,2 gam và 800s

C. 6,4 gam và 3600s

D. 5,4 gam và 800s

Câu 9: Điện phân dùng điện cực trơ dung dịch muối sunfat kim loại hóa trị II với cường độ dòng điện 3A. Sau 1930 giây thấy khối lượng catot tăng 1,95 gam. Muối sunfat đã điện phân là

A. CuSO₄.

B. NiSO₄

C. MgSO₄

D. ZnSO₄

Câu 10: 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 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

A. 4,05

B. 2,70

C. 1,35

D. 5,40

ĐÁP ÁN