Luyện tập Điện phân CTST

Điện cực âm (cathode) xảy ra phản ứng: Ni²⁺ + 2e → Ni

Một số dung dịch có chứa ion không điện phân được trong dung dịch như: NaCl, K₂SO₄, MgCl₂,... (ion kim loại đứng trước Zn trong dãy hoạt động hóa học) thì khi đó cathode sẽ không xuất hiện kim loại mà là khí H₂ (nước bị điện phân).

Khi kim loại làm cực dương (anode) trùng với kim loại của muối trong dung dịch chất điện phân thì xảy ra hiện tượng cực dương tan.

Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anode làm bằng Cu thì các bán phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực như sau:

Cathode (–): Cu²⁺ + 2e → Cu

Anode (+): Cu → Cu²⁺ + 2e

Ta thấy anode bị tan nên người ta gọi là dương cực tan.

Vậy nồng độ Cu²⁺ không thay đổi do ở cực âm xảy ra quá trình khử đồng, cực dương xảy ra quá trình oxi hóa đồng.

Hiện tượng anode tan xảy ra khi điện phân dung dịch muối kim loại có anode làm bằng kim loại đó.

Điện phân dung dịch NaCl và HCl (điện cực trơ, màng ngăn xốp). Trong quá trình điện phân, so với dung dịch ban đầu thì giá trị pH của dung dịch thu được tăng lên. Lúc đầu dung dịch có pH nhỏ hơn 7, trong quá trình điện phân, HCl bị điện phân trước làm nồng độ H⁺ giảm nên pH bắt đầu tăng, khi H⁺ bị điện phân hết thì dung dịch có pH = 7. Tiếp đó NaCl bị điện phân làm cho nồng độ OH⁻ tăng lên và pH tiếp tục tăng lên lớn hơn.

2HCl  H₂ + Cl₂

2NaCl + 2H₂O 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng trong thực tiễn sản xuất và đời sống như luyện kim, tinh chế kim loại, mạ điện,...

Ở anode, ion NO₃⁻ không bị điện phân, H₂O bị điện phân:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e hay có thể viết H₂O → O₂ + 2H⁺ + 2e

MgCl₂ Mg (cathode) + Cl₂ (anode) 

Thứ tự điện phân:

Ở cathode: ion nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ điện phân trước:

         Fe³⁺+ 1e → Fe²⁺

mol: 0,1 → 0,1 

        Cu²⁺+ 2e → Cu

mol: 0,2 → 0,4 

       2H⁺+ 2e → H₂

Khi ở cathode bắt đầu thoát khí thì chứng tỏ Fe³⁺ và Cu²⁺ vừa bị điện phân hết.

Σn_{e nhận} =  0,1 + 0,4 = 0,5 (mol)

Ở anode:

         2Cl^– → Cl₂+ 2e

mol: 0,25 ← 0,5

Vậy V = V_Cl2 = 0,25.24,79 = 6,1975 lít

Phương trình điện phân :

        CuCl₂ → Cu + Cl₂

mol: 0,05 ← 0,05

Gọi số mol CuCl₂ dư là a.

        CuCl₂ + Fe → FeCl₂ + Cu

mol:   a   →   a         →         a

⇒ 64a – 56a = 1,2 ⇒ a = 0,15

⇒ n_CuCl2 = a + 0,05 = 0,15 + 0,05 = 0,2 mol

⇒ C_{M CuCl2} = = 1 M

Trong công nghiệp Al được điều chế bằng phương pháp điện phân Al₂O₃ nóng chảy với xúc tác cryolite là Na₃AlF₆.

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

C + O₂ → CO₂ 

2C + O₂ → 2CO 

Sục khí X vào dung dịch Ca(OH)₂ dư nên kết tủa thu được là CaCO₃.

⇒ n_CaCO3 = n_CO2 = 0,02 mol

Ta có M_X = 16.2 = 32 → hỗn hợp X có CO₂ (0,02 mol); CO (x mol) và O₂ dư (y mol).

⇒ n_X = 0,02 + x + y = 0,1                          (1)

M_X = 0,02.44 + 28x + 32y = 0,1.2.16        (2)

Giải hệ (1) và (2) ⇒ x = 0,06; y = 0,02

Bảo toàn O ⇒ n_{O2 sinh ra do điện phân} = = 0,07 mol

⇒ n_Al = = mol

⇒ m = 2,52 gam

Xét tỉ lệ: 0,1 mol X ứng với 2,52 gam Al.

⇒ 3 kmol X tương ứng với m_Al = 75,6 kg Al.

Y + Fe sinh ra khí NO → Y chứa H⁺ → nước bị điện phân bên anode.

Y + Fe sinh ra hỗn hợp kim loại → Cu²⁺ còn dư.

Anode: n_Cl2 = 0,1 mol; n_O2 = x mol

Cathode: n_Cu = y mol

Bảo toàn electron ta có: 0,1.2 + 4x = 2y

m_giảm = 0,1.71 + 32x + 64y = 17,5

⇒ x = 0,025; y = 0,15

n_H⁺ = 4n_O2 = 0,1 (mol) ⇒ n_NO = = 0,025 (mol)

Gọi số mol Cu²⁺ dư là z.

Bảo toàn electron:

2n_{Fe p/ứ} = 3n_NO + 2n_Cu²⁺dư

⇒ n_{Fe p/ứ} = z + 0,0375 (mol)

⇒ m – 56.(z + 0,0375) + 64z = m – 0,5

⇒ z = 0,2

Bảo toàn Cu ⇒ a = y + z = 0,35 (mol)

Quá trình diễn ra theo thứ tự các phản ứng sau:

2NaCl + 2H₂O 2NaOH (X) + Cl₂↑ (anode) + H₂↑ (cathode)

CO₂ (dư) + NaOH (X) → NaHCO₃ (Y)

NaHCO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + NaOH + H₂O.

Vậy chất Z lại chính là NaOH.

Cực âm (cathode): Ca²⁺ 2e → Ca.

Như vậy, ở cực âm xảy ra sự khử ion Ca²⁺.

Ion Mg²⁺ bị khử trong trường hợp: Điện phân MgCl₂ nóng chảy. 

Dung dịch sau điện phân hòa tan được Al₂O₃ ⇒ chứa H⁺ hoặc OH^–.

Ta có thứ tự điện phân:

- Cathode: Cu²⁺ + 2e || 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

- Anode: 2Cl^– → Cl₂ + 2e || 2H₂O → 4H⁺ + 4e + O₂

Khí bắt đầu thoát ra ở cả 2 điện cực ⇒ H₂O tại cathode chưa bị điện phân.

⇒ Khí thoát ra ở anode gồm Cl₂ và O₂.

Ion nào trong dung dịch có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước.

Tính oxi hóa: Ag⁺ > Fe³⁺ > Cu²⁺ > Fe²⁺ > Zn²⁺ > Na⁺.

→ Thứ tự các kim loại thoát ra là: Ag, Cu, Fe, Zn.

Lưu ý phản ứng điện phân dung dịch:

- Ion dương về cực âm (cathode), ion âm về cực dương (anode).

- Ở cực dương xảy ra quá trình khử ion dương, những ion không bị khử thì nước sẽ bị khử (Na, K,...).

- Ở cực âm xảy ra quá trình oxi hóa ion âm, những ion không bị oxi hóa thì nước sẽ bị oxi hóa (NO₃⁻, SO₄²⁻,... ).

- Thứ tự ưu tiên cation có tính oxi hóa mạnh hơn và anion có tính khử mạnh hơn.

Điện phân dung dịch CaCl₂:

CaCl₂ + 2H₂O Ca(OH)₂ + H₂↑ (cathode) + Cl₂↑ (anode)