Bài giảng Sự điện phân

SỰ ĐIỆN PHÂN A. LÝ THUYẾT: Định nghĩa: Sự điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua chất điện li ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch. Nguyên tắc: sự điện phânluôn gồm hai quá trình nhỏ là quá trình điện li và quá trình oxi hóa - khử tại các điện cực. Điện cực catot: xảy ra quá trình khử Mn+ + ne → M Khi có nhiều cation thì quá trình điện phân xảy ra theo thứ tự cation có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước. độ mạnh tính oxi hóa tăng → K+ ......Al3+ H2O Zn2+ Fe2+.......Pb2+ H+ Cu2+ Fe3+ Ag+...... K ......Al H2 Zn Fe ........Pb H2 Cu Fe2+ Ag....... Điện cực anot: xảy ra quá trình oxi hóa. Khi có nhiều anion thì quá trình điện phân xảy ra theo thứ tự anion có tính khử mạnh hơn bị oxi hóa trước. S2-> I- > Br- > Cl- > H2O (OH-) > ...... Phân loại điện phân: Điện phân nóng chảy: thường điện phân các oxit, hiđroxit, muối halogenua,.... của các kim loại kiềm, kiềm thổ. (1) 2M2On 4 M + nO2 (2) 4 M(OH)n 4 M + n O2 + 2n H2O (3) 2 MCln 2 M + n Cl2 Phương trình (1) dùng để điều chế nhôm. Phương trình (2) dùng để điều chế kim loại kiềm: Na, K,.. Phương trình (3) dùng để điều chế kim loại kiềm, kiềm thổ. Điện phân dung dịch: * Dung dịch muối vô cơ: + Catot: Cation nhôm và trước nhôm: 2H2O + 2e → H2 + 2OH- Cation sau nhôm: Mn+ + ne → M + Anot: Anion gốc không có oxi S2-, Cl-, Br-,...: Xx- → X + xe Anion có oxi SO42-, NO3-,...: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e * Dung dịch muối hữu cơ: Tại anot: 2RCOO- → R2 + 2 CO2 + 2e Định lượng điện phân: * Biểu thức toán học của định luật Faraday: m = Trong đó: m (g): lượng chất thoát ra ở điện cực. A: khối lượng mol của chất (nguyên tử hoặc phân tử). n: số electron trao đổi tại điện cực. I (A): cường độ dồng điện. t: thời gian điện phân F: hằng số Faraday (F= 96500, thời gian điện phân tính bằng giây). * Khối lượng dung dịch sau điện phân giảm: m = mkhí + m chất rắn Chú ý: Khi điện phân nóng chảy oxit hoặc hiđroxit với anot là graphit thì điện cực anot bị ăn mòn do có phản ứng cháy với khí O2 mới tạo ra trong điện phân. Điện phân dung dịch muối halogenua của kim loại kiềm, kiềm thổ không có màng ngăn, dung dịch bazơ và halogen mới tạo ra sẽ tác dụng với nhau. Ví dụ: 2 NaCl + 2 H2O 2 NaOH + H2 + Cl2 2 NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O Þ NaCl + H2O NaClO + H2 Điện phân dung dịch với điện cực anot không trơ (như dùng các kim loại) thì tại anot xảy ra quá trình oxi hóa điện cực. Ví dụ: điện phân dung dịch CuSO4 với anot bằng Cu thì có các quá trình tại điện cực: Catot: Cu2+ + 2 e → Cu Anot: Cu → Cu2+ +2 e Như vậy, kết quả là Cu sinh ra bám vào catot, điện cực anot bị hòa tan tạo ra Cu2+ nên màu của dung dịch không thay đổi. B. BÀI TẬP: Bài 1: Viết các quá trình xảy ra ở các điện cực khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2, HCl. Viết phương trình điện phân có thể xảy ra khi điện phân với điện cực trơ, màng ngăn xốp dung dịch hỗn hợp chứa CuCl2, NaCl, HCl. Cho biết pH của dung dịch thay đổi như thế nào trong quá trình điện phân. Bài 2: Cho biết điện phân loại dung dịch muối trung hòa nào thì sau điện phân thu được dung dịch: Có tính axit. Có tính bazơ. Có môi trường trung tính. Viết phương trình hóa học minh họa cho từng trường hợp. Bài 3: Nêu sự giống nhau và khác nhau giữa các quá trình: Ăn mòn điện hóa và sự điện phân. Cho đồng kim loại tác dụng với dung dịch AgNO3, quá trình điện phân dung dịch AgNO3 với điện cực bằng đồng và quá trình xảy ra trong pin đồng bạc. Bài 4: Điện phân 200mL dung dịch hỗn hợp chứa CuSO4 và Fe2(SO4)3 với điện cực trơ trong một thời gian. Khi ngừng điện phân dung dịch còn màu xanh rất nhạt, thu được 0,168 lít khí tại anot ở đktc và khối lượng dung dịch sau điện phân giảm 0,88 gam. Tính nồng độ mol/lit của các muối trong dung dịch trước điện phân. Bài 5: Điện phân 200mL dung dịch Cu(NO3)2 bằng điện cực trơ đến khi bắt đầu có khí thoát ra ở catot thì dừng lại. Để yên dung dịch sau điện phân đến khi khối lượng catot không thay đổi thì thấy khối lượng catot tăng 3,2 gam so với trước điện phân. Tính nồng độ mol/lit của dung dịch CuSO4 trong dung dịch ban đầu? Bài 6: Tiến hành điện phân (với điện cực trơ, màng ngăn xốp) một dung dịch có chứa m gam hỗn hợp CuSO4 và KCl cho đến khi nước bắt đầu điện phân ở cả hai điện cực thì dừng lại. Tại anot thu được 0,896 lit khí (đktc), dung dịch sau điện phân hòa tan vừa đủ 1,62 gam ZnO. Tính m và khối lượng kim loại bám vào catot. Tính khối lượng dung dịch giảm trong quá trình điện phân. Biết rằng trong điện phân nước bay hơi không đáng kể. Bài 7: Điện phân (điện cực trơ) một dung dịch chứa muối sunfat của kim loại hóa trị II với cường độ dòng điện 3A đến khi bắt đầu có khí thoát ra ở catot thì cần thời gian là 1930 giây và thấy khối lượng catot tăng 1,92 gam. Viết sơ đồ điện phân. Xác định kim loại. Tính V khí thoát ra tại anot ở 250C, 770mmHg. Bài 8: Điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp) 400mL dung dịch hỗn hợp chứa KCl và HCl trong thời gian 20 phút với cường độ dòng điện 9,65A thu được dung dịch chứa một chất tan có pH =13. Viết phương trình điện phân. Tính CM của các chất trong dung dịch trước điện phân. Bài 9: Trong bình điện phân thứ nhất (bình 1), người ta hòa tan 0,3725 gam muối clorua của kim loại kiềm. Bình điện phân thứ hai (bình 2) chứa dung dịch CuSO4. Mắc nối tiếp bình 1 với bình 2 và tiến hành điện phân (điện cức trơ, màng ngăn xốp) sau một thời gian thấy bình 2 có màu xanh, khối lượng catot tăng 0,16 gam; bình 1 chứa một chất tan có pH = 13. Tính thể tích dung dịch bình 1 sau điện phân. Xác định kim loại tạo muối ở bình 1. Bài 10: Dùng quặng boxit chứa 70% Al2O3 để điện phân sản xuất 2,7 tấn nhôm. Giả sử hiệu suất của quá trính chế biến quặng và điện phân nóng chảy đều 100%. Tính khối lượng quặng boxit đã dùng. Tính khối lượng điện cực than làm anot bị tiêu hao trong quá trình điện phân nóng chảy trong các trường hợp sau: Tất cả khí thoát ra ở anot là CO2. Khí thoát ra ở anot chứa 20% CO và 80% CO2 (về thể tích). Khí thoát ra ở anot chứa 20% CO, 50% CO2 và 30% O2 (về thể tích). Bài 11: Dự đoán hiện tượng và viết phương trình hóa học xảy ra khi: điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực bằng graphit và bằng đồng kim loại. Bài 12: Điện phân 100mL dung dịch A có hoà tan 13,5 gam CuCl2 và 14,9 gam KCl với điện cực trơ và có màng ngăn với cường độ dòng điện là 5,1A trong thời gian 2 giờ. Trình bày sơ đồ và viết phương trình hóa học của phản ứng điện phân có thể xảy ra. Pha loãng dung dịch sau điện phân để thu được 200mL dung dịch A. Tính nồng độ mol/lit của chất an trong dung dịch A. Bài 13: Điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực bằng đồng. Viết phương trình hóa học của phản ứng ở các điện cực. Nhận xét về sự thay đổi nồng độ của ion Cu2+ trong dung dịch. Biết anot là một đoạn dây đồng có đường kính 1 mm được nhúng sâu 4 cm trong dung dịch CuSO4. Tính thể tích và khối lượng đồng nhúng trong dung dịch. Khối lượng riêng của đồng là 8,29 g/cm3. Tính thời gian điện phân để đoạn dây đồng nhúng trong dung dịch bị oxi hóa hoàn toàn và tan vào dung dịch. Biết cường độ dòng điện là 1,2A. Khối lượng catot biến đổi thế nào sau điện phân. Bài 14: Điện phân 500 mL dung dịch CaI2 với điện cực Pt có màng ngăn sau một thời gian thu được 5,35. 10-3 mol I2. Tính pH của dung dịch sau điện phân và cho biết có bao nhiêu Faraday điện lượng đi qua dung dịch. Biết CaI2 vẫn còn dư. Bài 15: Hoà tan hoàn toàn 20 gam K2SO4 vào 150 ml nước thu được dung dịch A. Điện phân dung dịch A với điện cực trơ một thời gian thấy khối lượng của K2SO4 chiếm 15% khối lượng dung dịch sau điện phân. Viết sơ đồ điện phân. Tính thể tích khí thoát ra tại mỗi điện cực ở 200C và 1 atm. Cho rằng trong quá trình điện phân nước bay hơi không đáng kể. BÀI TẬP OXI HÓA KIM LOẠI Bài 16: Dự đoán hiện tượng và giải thích bằng phương trình hóa học xảy ra khi cho: Cho bari kim loại lần lượt vào các dung dịch NaCl, NaHCO3, CuCl2, Al(NO3)3, NH4NO3, Fe(NO3)2 trong không khí. Nhúng thanh sắt vào dung dịch CuSO4, nhúng thanh đồng vào dung dịch Fe(NO3)3. Nhúng thanh sắt vào dung dịch H2SO4 loãng sau đó cho thêm tiếp vài giọt dung dịch CuSO4. Cho hỗn hợp Na và Al vào H2O sau đó cho thêm tiếp dung dịch H2SO4 vào dung dịch thu được. Cho Cu vào dung dịch NaNO3 sau đó cho thêm tiếp dung dịch H2SO4 loãng. Bài 17: Hỗn hợp A gồm các chất ở dạng bột K, Fe, Al2O3; hỗn hợp B gồm các chất ở dạng bột Cu, Fe3O4, Ag. Cho A vào H2O được dung dịch A1, chất rắn A2 và khí A3. Cho B tác dụng vừa đủ với dung dịch HNO3 thu được dung dịch B1 và khí NO. Cho chất rắn A2 vào dung dịch B1. Viết các phương trình hoá học có thể xảy ra. Bài 18: Cho Na vào dung dịch chứa hỗn hợp Al2(SO4)3 và CuSO4 thu được khí A, dung dịch B và kết tủa D. Nung kết tủa D hoàn toàn thu chất rắn E. Cho khí H2 dư qua chất rắn E nung nóng thu được chất rắn F gồm 2 chất. Cho F vào dung dịch HCl dư thấy F chỉ tan một phần. Mặt khác, cho cho dung dịch HCl vào dung dịch B thấy có kết tủa, nếu cho tiếp HCl dư thì kết tủa tan hết. Viết các phương trình hóa học xảy ra, biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Bài 19: Hòa tan một oxit sắt vào dung dịch H2SO4 loãng dư thu dung dịch A. Dung dịch A có khả năng làm mất màu dung dịch Br2, dung dịch KMnO4 và hòa tan được Cu. Cho biết công thức của oxit và viết phương trình hóa học xảy ra. Bài 20: Đốt cháy 5,6 gam sắt trong bình chứa khí oxi thu được 7,36 gam hỗn hợp A gồm 4 chất rắn. Hoà tan hoàn toàn A trong dung dịch HNO3 dư thu được V lít hỗn hợp khí B gồm NO2 và NO ở đktc. Tính V? Biết dB/H2 = 19. Bài 21: Cho m gam kim loại Kali tan hoàn toàn trong 150 gam dung dịch MOH 6% thấy có 2,24 lít khí thoát ra ở đktc và còn lại dung dịch A. Tính m và C% của các chất tan trong dung dịch A. Trung hòa dung dịch A bằng dung dịch H2SO4 vừa đủ rồi cô cạn dụng dịch thu được 38,08 gam muối khan. Xác định kim loại M. Bài 22: Hòa tan hoàn toàn14,4 gam hỗn hợp bột gồm Fe và FexOy bằng dung dịch HCl thu được 2,24 lit khí (ở 2730C, 1 atm) và dung dịch A. Cho dung dịch A tác dụng với dung dịch NaOH dư thu kết tủa và nung trong không khí đến khối lượng không đổi được 16 gam chất rắn. Viết phương trình hóa học xảy ra. Xác định công thức của oxit sắt. Bài 23: Hợp kim A gồm Al, Cu. Lấy m gam A hòa tan bằng 200mL dung dịch NaOH cho tới khi khí ngừng thoát ra thì thu được 6,72 lít H2 ở đktc và còn lại m1 gam chất rắn không tan. Mặt khác, lấy m gam A hòa tan bằng 500mL dung dịch HNO3 cho tới khi khí ngừng thoát ra thì thu được 6,72 lit khí NO duy nhất ở đktc và còn lại m2 gam kim loại. Lấy m1 và m2 gam kim loại không tan ở trên oxi hóa hoàn toàn thành oxit thì thu được 1,6064 m1 gam và 1,542m2 gam oxit. Tính nồng độ mol/L của dung dịch NaOH, HNO3 đã dùng. Tính m và % khối lượng từng kim loại trong hợp kim. Bài 24: Hòa tan hoàn toàn một lượng oxit sắt bằng dung dịch H2SO4 đậm đặc, nóng, thu được 4,48 lít khí SO2 ở đktc và dung dịch chứa 240 gam một muối sắt duy nhất. Xác định công thức của oxit sắt. Trộn 5,4 gam bột Al với 17,4 gam bột oxit sắt ở trên rồi tiến hành phản ứng nhiệt nhôm thu hỗn hợp chất rắn X, giả sử chỉ xảy ra phản ứng khử oxit sắt thành sắt. Hòa tan hoàn toàn X bằng dung dịch H2SO4 20% (d = 1,14 gam/mL) thu được 5,376 lít khí H2 ở đktc. Tính hiệu suất phản ứng nhiệt nhôm. Tính thể tích dung dịch H2SO4 tối thiểu đã dùng. Bài 25: Cho x mol Fe vào dung dịch có chứa y mol HNO3 thu được dung dịch A và khí NO duy nhất. Tính số mol từng chất trong A theo x và y? Cho a mol Fe vào dung dịch chứa b mol AgNO3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được dung dịch A và chất rắn B. Cho biết A, B chứa những chất nào và tính so mol từng chất theo a, b? Bài 26: Cho 18,5 gam hỗn hợp A gồm Fe và Fe3O4 tác dụng với 200 mL dung dịch HNO3 loãng đun nóng và khuấy đều. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 2,24 lít khí NO đuy nhất (đktc), dung dịch B và còn lại 1,46 gam kim loại. Viết các phương trình hóa học xảy ra. Tính nồng độ mol/lit của dung dịch HNO3. Tính khối lượng muối trong dung dịch B. Bài 27: Chia 9,5 gam hỗn hợp A gồm Fe và kim loại M có hóa trị không đổi thành 2 phần bằng nhau. Phần I tác dụng hết với dung dịch HCl dư thu được 1,9712 lit khí và dung dịch B. Phần II tác dụng hết với dung dịch HNO3 loãng dư thu được 1,7248 lit NO duy nhất. Các khí đo ở 27,30C và 1 atm. Xác định kim loại M. Cho dung dịch B tác dụng với dung dịch NH3 dư, lọc lấy kết tủa rửa sạch và nung trong không khí đến khối lượng không đổi thu được chất rắn C. Tính khối lượng chất rắn C. Bài 28: Cho một luồng khí CO đi qua ống sứ chứa 0,04 mol hỗn hợp A gồm Fe2O3 và FeO đót nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 4,784 gam hỗn hợp B gồm 4 chất rắn. Khí ra khỏi ống sứ cho hấp thụ vào dung dịch Ca(OH)2 dư thu được 4,6 gam kết tủa. Mặt khác, hoà tan B vào dung dịch HCl dư thu được 0,6272 lit khí ở đktc. Viết phương trình hóa học xảy ra. Tính % khối lượng từng chất trong A. Tính % khối lượng từng chất trong B, biết rằng trong B có số mol oxit sắt từ bằng 1/3 tổng số mol của oxit sắt (II) và oxit sắt (III). Bài 29: Cho a gam hỗn hợp A gỗm Cu và Ni vào dung dịch AgNO3 dư, khuấy kĩ cho đến khi phản ứng kết thúc thu được 54 gam kim loại. Mặt khác, cũng cho a gam A vào dung dịch CuSO4 dư đến khi phản ứng kết thúc thu được (a + 0,5) gam kim loại. Viết phương trình hóa học xảy ra. Tính % khối lượng từng kim loại trong hỗn hợp A. ĐIỀU CHỂ VÀ ĂN MÒN KIM LOẠI Bài 30: Hãy nêu 3 phương pháp khác nhau để điều chế Cu từ dung dịch hỗn hợp gồm CuCl2, NaCl và AlCl3. Viết các phương trình hóa học minh họa. Bài 31: Trong tự nhiên Ca và Mg có trong quặng đolomit: CaCO3. MgCO3, từ quặng này hãy trình bày phương pháp hóa học để: Tách riêng từng chất CaCO3 và MgCO3. Điều chế riêng biệt từng kim loại Ca và Mg. Bài 32: Nêu nguyên tác chung điều chế kim loại. Phương pháp điều chế kim loại nhóm IA, IIA và Al. Chọn phương pháp thích hợp để điều chế Mg từ MgCO3, Cu từ CuS, K từ K2SO4. Bài 33: Nguyên tắc sản xuất gang và thép? Viết phương trình hóa học xảy ra trong quá trình sản xuất gang và quá trình luyện thép. Bài 34: Từ quặng malakit (CuCO3.Cu(OH)2: cacbonat bazơ của đồng) trình bày các phương pháp điều chế Cu. Cho biết phương pháp nào thu được đồng tinh khiết nhất? Bài 35: Từ quặng boxit ( Al2O3 có lẫn SiO2 và Fe2O3) hãy trình bày phương pháp điều chế nhôm tinh khiết, nguyên lượng. Viết các phương trình hóa học minh họa. Bài 36: Hỗn hợp X gồm 4 kim loại Ag, Al, Cu, Mg ở dạng bột. Hãy dùng phương pháp hóa học để tách từng kim loại ra khỏi hỗn hợp. Viết phương trình hóa học minh họa. Bài 37: Từ hỗn hợp FeO và CuO, dùng thêm dung dịch HCl và bột Al, nêu 3 cách điều chế đồng kim loại. Bài 38: Một sợi dây phơi quần áo bằng đồng được nối tiếp với một đoạn dây nhôm. Hãy cho biết có hiện tượng gị xảy ra ở chỗ nối hai kim loại? Giải thích và kết luận. Bài 39: Khi quan sát việc đặt các đường ống bằng thép trong lòng đất, nhận thấy cứ khoảng chừng vài chục mét người ta lại nối ống thép với một tấm kim loại nhôm hoặc kẽm. Hãy giải thích mục đích của việc làm này? Bài 40: Giải thích hiện tượng và viết phương trình hóa học xảy ra trong các trường hợp sau: Các đồ vật bằng bạc để trong không khí lâu ngày bị xám đen. Trước đây người ta thường làm các ống dẫn nước bằng chì. Lượng khí CO2 hòa tan trong nước ảnh hưởng mạnh đến tính bền của chì đối với nước. Giải thích hiện tượng này. NHẬN BIẾT CÁC CHẤT VÔ CƠ *NHẬN BIẾT CATION Cation Thuốc thử Dấu hiệu Phương trình hóa học Li+ Tẩm lên dây Ngọn lửa đỏ tía Na+ Pt rồi đốt lên Ngọn lửa vàng K+ đèn khí Ngọn lửa tím NH Dd NaOH Khí mùi khai NH+ OH- NH3 + H2O Ba2+ H2SO4, Na2CO3 Kết tủa trắng Ba2+ + SO BaSO4 Ca2+ Na2CO3 Kết tủa trắng Ca2+ + CO CaCO3 Mg2+ Dd NaOH ¯ trắng Mg2+ + 2 OH- Mg(OH)2 Cu2+ Dd NaOH ¯ xanh lam tan trong NH3 Cu2+ + 2 OH- Cu(OH)2 Cu(OH)2+ 4 NH3[Cu(NH3)4](OH)2 Fe2+ Dd NaOH ¯ trắng xanh hóa nâu trong kkhí Fe2+ + 2 OH- Fe(OH)2 4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 Fe3+ Dd NaOH ¯ đỏ nâu Fe3+ + 3 OH- fe(OH)3 SCN- dd màu đỏ máu Fe3+ + n SCN- → [Fe(SCN)n](3-n) Ag+ Dd NaOH ¯ nâu đen 2 Ag+ + 2 OH- Ag2O + H2O Dd HCl ¯ trắng Ag+ + Cl- AgCl Be2+ Dd NaOH ¯keo trắng tan trong NaOH dư Be2+ + 2 OH- Be(OH)2 Be(OH)2+ 2 OH- [Be(OH)4]2- Al3+ Dd NaOH (Như trên) Al(OH)3 + OH- [Al(OH)4]- Dd NaOH (Như trên) Zn2+ Dd NH3 ¯keo trắng tan trong NH3 dư Zn2+ + 2 OH- → Zn(OH)2 Zn(OH)2 + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+ Cr3+ Dd NaOH ¯keo xanh lục tan trong xút dư Cr3+ + 3OH- Cr(OH)3 Cr(OH)3 + OH- [Cr(OH)4]-