Luyện tập Điều chế kim loại và sự ăn mòn kim loại

Tại catot: Cu²⁺: a mol; Na⁺: b mol;

Cu²⁺ + 2e → Cu

a ⟶ 2a

Khi hết Cu²⁺:

2H₂O + 2e → 2OH⁻+H₂

Tại anot: Cl⁻: b mol; SO₄^2-: a mol; H₂O

2Cl⁻→ Cl₂ + 2e

b          ⟶      b

Khi hết Cl⁻:

2H₂O − 4e → 4H⁺ + O₂

Vì dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng nên ở catot Cu²⁺ hết trước Cl⁻ ở anot, còn ở anot Cl⁻ vẫn điện phân

⟹ 2a < b

 Cốc 1: Đinh mòn hóa học. Khí H₂ sinh ra bám vào bề mặt của đinh sắt, ngăn cản sự tiếp xúc của đinh sắt với dung dịch HCl

Đinh sắt bị ăn mòn chậm.

Cốc 2: Đinh sắt và dây đồng tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng được nhúng trong dung dịch chất điện li HCl nên xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Fe hoạt động hóa học mạnh hơn nên đóng vai trò anot và bị ăn mòn, khí sinh ra trên bề mặt đinh sắt giảm nên khả năng tiếp xúc giữa đinh sắt và dung dịch HCl lớn

Đinh sắt bị ăn mòn nhanh

Cốc 3: Đinh sắt và dây kẽm tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng được nhúng trong dung dịch chất điện li HCl nên xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Zn hoạt động hóa học mạnh hơn nên đóng vai trò anot và bị ăn mòn.

Đinh sắt không bị ăn mòn

- Catot: Các ion của kim loại mạnh như kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, Mg... không bị điện phân.

- Anot: Các anion chứa oxi như NO₃^-; SO₄^2-, CO₃^2-, ... không bị điện phân.

Như vậy các ion không bị điện phân là: Ca²⁺; K⁺; NO₃^-

 Sự ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh.

 Ăn mòn kim loại có hai dạng là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa học

Vì dung dịch có pH = 12 Dung dịch có môi trường kiềm.
pH = 12 [H⁺] = 10^-12

[OH^-] = 0,01 M

n_OH- = 0,001 mol
NaCl Na⁺ + Cl^-

Catot (-) : Na+ không bị điện phân
2H₂O + 2e H₂ + 2OH^-

0,001 0,001

Anot (+):

2Cl- Cl₂ + 2e
 

 Những kim loại có độ hoạt động trung bình như Zn, Fe, Sn, Pb,...thường được điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện

 n_Fe³⁺ = 0,1 mol, n_Fe²⁺ = 0,2 mol, n_Cu²⁺ = 0,1 mol, n_H⁺ = 0,2 mol

Thứ tự điện phân:

Fe³⁺ Cu²⁺   H⁺ Fe²⁺
.
Bảo toàn e tại điện cực ta có:

n_{e trao đổi}  = n_Fe³⁺ + 2n_Cu²⁺ + n_H⁺ + 2n_Fe²⁺
Thay số mol các ion theo thứ tự ưu tiên vào để so sánh, ta có:
0,5 mol < (0,1 + 2.0,1 + 0,2) + 2.02 = 0,9 mol
Fe²⁺ còn dư, phản ứng điện phân dừng lại ở H⁺ và lượng H⁺ cũng đã hết.
Tại catot chỉ có Cu sinh ra:

mCu = 0,1.64 = 6,4 gam

 Các quá trình điện phân tại các điện cực:

+ Anot: Xảy ra sự oxi hóa, các anion nhường e.

+ Catot: Xảy ra sự khử, các cation nhận e.

- Ni²⁺/Ni và Zn²⁺/Zn

Ta có: Zn + Ni²⁺ Zn²⁺ + Ni

Zn cực âm và Ni cực dương

- Cu²⁺/Cu và Hg²⁺/Hg

Ta có: Cu + Hg²⁺ Cu²⁺+ Hg

Cu cực âm, Hg cực dương

Mg²⁺/Mg và Pb²⁺/Pb

Ta có: Mg + Pb²⁺ Mg²⁺ + Pb 

Mg cực âm và Pb cực dương

 Zn hoạt động hóa học mạnh hơn Fe nên bị ăn mòn.

 Theo thời gian nồng độ HCl giảm dần  tốc độ ăn mòn chậm dần

 Trong các cặp kim loại, Fe hoạt động hóa học mạnh hơn kim loại còn lại thì Fe bị ăn mòn trước, vậy sắt bị ăn mòn trước ở:

 Fe-Pb, Fe-Sn, Fe-Ni, Fe-Cu

Các quá trình điện phân tại các điện cực:

+ Cực dương (anot): 

2Cl^- Cl₂ + 2e

+ Cực âm (catot): 

2H₂O + 2e H₂ + 2OH^-

Phương trình điện phân:

2NaCl + 2H₂O 2NaOH + Cl₂ + H₂

 Ag là kim loại hoạt động yếu, nguyên tắc điều chế là có thể dùng phương pháp thủy luyện như sau:

Ag₂S + 4NaCN 2Na[Ag(CN)₂] + Na₂S

Zn + 2Na[Ag(CN)₂]   Na₂[Zn(CN)₄] + 2Ag

 Theo thời gian nồng độ HCl giảm dần  tốc độ ăn mòn chậm dần

Các thí nghiệm xảy ra ăn mòn điện hóa: (1), (2), (4).

Thí nghiệm (1): hai điện cực Zn và Ag tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng tiếp xúc với môi trường chất điện li (dung dịch AgNO₃).

Thí nghiệm (2): hai điện cực Fe-C tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng tiếp xúc với môi trường chất điện li (dung dịch HCl).

Thí nghiệm (4): hai điện cực Zn và Fe tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng tiếp xúc với môi trường chất điện li (không khí ẩm) ở vết xước.