Luyện tập Điều chế kim loại (Tiếp)

Bằng phương pháp điện phân có thể điều chế được cả 8 kim loại:

Điện phân nóng chảy: Li, Na, Ca, Al

Điện phân dung dịch: Fe, Cu, Ag, Pt

 n_Cu²⁺ = 0,2x; n_Ag⁺ = 0,2y

0,4x + 0,2y = 0,06                     (1) 

m_{catot tăng} = m_Cu + m_Ag

= 0,2x.64 + 0,2y.108 = 3,44           (2)

Từ (1) và (2) ta có: x = 0,1; y = 0,1

 Ion càng có tính oxi hóa mạnh thì bị điện phân trước thứ tự ion bị khử là Fe³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺

Phương pháp điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế kim loại hoạt động hóa học mạnh như K, Na, Ca, Mg, Al:

NaCl  Na + 1/2Cl₂↑

CaCl₂   Ca + Cl₂↑

Al₂O₃   2Al + 3/2O₂↑

Gọi a là số mol Cu(NO₃)₂ trước khi điện phân:

Phương trinh phản ứng:

Cu(NO₃)₂ + H₂O Cu + 2HNO₃ + 1/2O₂                  (1)

      a                      a 

Khi khí bắt đầu thoát ra ở catot (H₂ thoát ra do điện phân nước) nghĩa là Cu đã được giải phóng hoàn toàn ở catot. Sau khi để yên dung dịch, sẽ xảy ra phản ứng sau đây:

3Cu + 8HNO₃   3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O              (2)

0,75a      2a

Số mol Cu dư sau phản ứng (2) là 0,25a

⇒ 0,25a = 3,2/64

⇒ a = 0,2 mol

⇒ C_{M Cu(NO3)2 bđ} = 1M

Khi điện phân một dung dịch muối giá trị pH ở gần một điện cực tăng lên, mà khi pH tăng tức là nồng độ H⁺ trong dung dịch đang giảm và nồng độ OH^- dung dịch đang tăng dung dịch muối đó là KCl vì: 

Phương trình điện phân của các dung dịch muối:

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

4AgNO₃ + 2H₂O → 4Ag + O₂ + 4HNO₃

2KCl + 2H₂O → 2KOH + H₂ + Cl₂

Điện phân dung dịch K₂SO₄ chính là điện phân H₂O ở 2 điện cực.

n_Al = 0,54/27 = 0,02 mol

Gọi số mol khí NO₂ và NO lần lượt là a và b (mol):

a = 3b                              (1)

Xét toàn bộ quá trình chỉ có Al cho e và HNO₃ nhận e

Bảo toàn e: 3n_Al = n_NO2 + 3n_NO

a + 3b = 3.0,02                (2)

Từ (1) và (2) ta có: a = 0,03; b = 0,01

V_NO = 0,01.22,4 = 0,224 lít

 Ở anot (cực +): xảy ra sự oxi hóa H₂O

2H₂O O₂ + 4H⁺ + 4e

Ở catot (cực -): xảy ra sự khử ion Pb²⁺

Pb²⁺ + 2e Pb 

Thứ tự các ion và chất bị điện phân ở catot là Fe³⁺, Cu²⁺, Zn^2+, H₂O (sinh khí H₂). Điện phân dung dịch NaCl không sinh ra kim loại.

Vậy kim loại cuối cùng thoát ra ở catot trước khi có khí thoát ra là Zn. 

 Thứ tự điện phân:

- Ở catot:

Fe³⁺ + 1e → Fe²⁺

Cu²⁺ + 2e → Cu

Fe²⁺ + 2e → Fe

2H₂O + 2e → 2OH^- + H₂

- Ở anot:

2Cl^- → Cl₂ + 2e

2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e

- Dung dịch sau điện phân + NaOH tạo kết tủa B nung kết tủa B thu được 2 oxit kim loại oxit là CuO và Fe₂O₃

Dung dịch sau điện phân chỉ có Cu²⁺, Fe²⁺, SO₄^2-.

Chất rắn thu được sau điện phân chỉ gồm Cu

n_Cu = 9,6/64 = 0,15 mol

m_{dd giảm} = m_Cu + m_Cl2 = 27,35 gam

m_Cl2 = 27,35 - 9,6 = 17,75

n_Cl2 = 0,25 mol

Bảo toàn e: n_Fe³⁺ + 2n_Cu²⁺ = 2n_Cl2

n_Fe³⁺ = 0,2 mol n_{Fe²⁺ sau đp} = 0,2 mol

n_Fe2O3 = 1/2.n_Fe²⁺ = 0,1 mol

Ta có:

m_oxit = m_Cu + m_Fe2O3 m_CuO = 44 - 0,1.160 = 28 gam

n_CuO = 0,35 mol = n_Cu²⁺dư

n_{Cu ban đầu} = 0,15 + 0,35 = 0,5 mol

Vậy dung dịch ban đầu có: 0,5 mol Cu²⁺; 0,2 mol Fe³⁺; 0,5 mol Cl^-; SO₄^2-

Bảo toàn điện tích:

2n_Cu + 3n_Fe = n_Cl + 2n_SO4 n_SO4^2- = 0,55 mol

m_{muối khan} = m_Cu + m_Fe + m_Cl + m_SO4 = 113,75 gam

 Các ion kim loại có tính oxi mạnh hơn sẽ bị điện phân trước, sinh ra kim loại:

Thứ tự kim loại sinh ra ở catot là: Ag, Fe, Pb, Zn, Mg.

 n_CO = 5,6/22,4 = 0,25 mol

Bảo toàn C n_CO = n_CO2

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

30 + m_CO = m + m_CO2

m = 30 + 0,25.28 – 0,25.44 = 26 gam

Phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều chế những kim loại có độ hoạt động trung bình như Zn, Fe, Sn, Pb,...

Ca, Mg, Al là các kim loại hoạt động mạnh không thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện.

n_CuSO4 = 0,1 mol, n_FeSO4 = 0,06 mol

Thứ tự điện phân: CuSO₄ bị điện phân trước rồi đến FeSO₄

n_{e trao đổi} < 2.n_Cu²⁺

CuSO₄ chưa bị  điện phân hết.

Phản ứng điện phân:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Lượng kim loại thoát ra ở catot là:

• Phương án 1 không thể áp dụng để điều chế Mg do H₂ không khử được MgO.
• Phương án 2 không thể áp dụng để điều chế Mg do các kim loại hoạt động hóa học mạnh hơn Mg là các kim loại kiềm và kiềm thổ không thể đẩy Mg ra khỏi dung dịch muối vì chúng phản ứng ngay với nước khi cho vào dung dịch.
• Phương án 3 không thể áp dụng để điều chế Mg do phương pháp điện phân dung dịch dùng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình hoặc yếu, còn Mg là kim loại hoạt động mạnh.
• Phương án 4 có thể áp dụng để điều chế Mg do phương pháp điện phân nóng chảy có thể điều chế được các kim loại hoạt động hóa học mạnh như Mg.

Điện phân nóng chảy NaOH và NaCl

4NaOH 4Na + O₂ + 2H₂O

2NaCl 2Na + Cl₂

 Gọi số mol Cu(NO₃)₂ và AgNO₃ lần lượt là x, y:

m_tăng = 64x + 108y = 3,44                                                       (2)

Giải (1) và (2) ta có: x = 0,02; y = 0,02

C_{M Cu(NO3)2} = 0,02/0,2 = 0,1M

C_{M AgNO3} = 0,02/0,2 = 0,1M