Bài tập điện phân là dạng bài quan trọng trong kì thi THPTQG, đã có năm thi vào. Vì vậy, để không bỏ sót và nắm chắc dạng bài, các bạn nên học phần này để làm quen với các kiến thức cơ bản. Dạng bài ở thể ở dạng lý thuyết câu từ, cũng có thể là toán đồ thị điện phân. Các bạn nên nắm chắc kiến thức cơ bản về điện phân và công thức định luật Faraday để giải toán. Nào, giờ theo mình cùng tìm hiểu lý thuyết và cơ sở giải bài tập điện phân nhé !
I. Nhắc lại lý thuyết:
1) Điện phân chất điện li nóng chảy: áp dụng đối với MCln, M(OH)n và Al2O3 (M là kim loại nhóm IA và IIA)
2) Điện phân dung dịch chất điện li trong nước:
- Vai trò của nước: trước hết là dung môi hòa tan các chất điện phân, sau đó có thể tham gia trực tiếp vào quá trình điện phân:
+ Tại catot (cực âm) H2O bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
+ Tại anot (cực dương) H2O bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
- Tại catot (cực âm) xảy ra quá trình khử M+, H+ (axit), H2O theo quy tắc:
+ Các cation nhóm IA, IIA, Al3+ không bị khử (khi đó H2O bị khử)
+ Các ion H+ (axit) và cation kim loại khác bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn (ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+ + ne → M
+ Các ion H+ (axit) dễ bị khử hơn các ion H+ (H2O)
+ Ví dụ khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl thì thứ tự các ion bị khử là: Fe3+ + 1e → Fe2+ ; Cu2+ + 2e → Cu ; 2H+ + 2e → H2 ; Fe2+ + 2e → Fe
- Tại anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa anion gốc axit, OH– (bazơ kiềm), H2O theo quy tắc:
+ Các anion gốc axit có oxi như NO3–, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–…không bị oxi hóa
+ Các trường hợp khác bị oxi hóa theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O
*Định luật Faraday
m= A.I.t / n.F
Trong đó:
+ m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
+ A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực
+ n: số electron trao đổi ở điện cực
+ I: cường độ dòng điện (A)
+ t: thời gian điện phân (s)
+ F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)
II. Một số cơ sở để giải bài tập điện phân:
- Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào
- m (dung dịch sau điện phân) = m (dung dịch trước điện phân) – (m kết tủa + m khí)
- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (m kết tủa + m khí)
- Khi điện phân các dung dịch:
+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học 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 để cho H2 (ở catot) và O2 (ở anot)
- Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải Pt hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực
- Có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực. Ví dụ:
+ Điện phân nóng chảy Al2O3 (có Na3AlF6) với anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh
+ Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot
+ Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot
- Viết phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng thứ tự, không cần viết phương trình điện phân tổng quát
- Viết phương trình điện phân tổng quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết
Từ công thức Faraday → số mol chất thu được ở điện cực
- Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức để tính I hoặc t
- Nếu đề bài yêu cầu tính điên lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng công thức: Q = I.t = ne.F
- Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi so sánh với thời gian t trong đề bài. Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết
- Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau
- Trong nhiều trường hợp có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh
Bài viết trên đây về cơ bản sẽ giúp bạn hiểu rõ về điện phân và những nền tảng khi bắt tay vào một bài toán liên quan đến điện phân. Hãy nắm rõ từng điện cực, các giai đoạn xảy qua các quá trình phản ứng... Điều này, sẽ giúp bạn nắm vững các quá trình điện phân để từ đó tận dụng dữ kiện bài cho tính toán. Chúc bạn có một kì thi THPTQG thật thành công !
Ảnh: Sưu tầm
I. Nhắc lại lý thuyết:
1) Điện phân chất điện li nóng chảy: áp dụng đối với MCln, M(OH)n và Al2O3 (M là kim loại nhóm IA và IIA)
2) Điện phân dung dịch chất điện li trong nước:
- Vai trò của nước: trước hết là dung môi hòa tan các chất điện phân, sau đó có thể tham gia trực tiếp vào quá trình điện phân:
+ Tại catot (cực âm) H2O bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
+ Tại anot (cực dương) H2O bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
- Tại catot (cực âm) xảy ra quá trình khử M+, H+ (axit), H2O theo quy tắc:
+ Các cation nhóm IA, IIA, Al3+ không bị khử (khi đó H2O bị khử)
+ Các ion H+ (axit) và cation kim loại khác bị khử theo thứ tự trong dãy thế điện cực chuẩn (ion có tính oxi hóa mạnh hơn bị khử trước): Mn+ + ne → M
+ Các ion H+ (axit) dễ bị khử hơn các ion H+ (H2O)
+ Ví dụ khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl thì thứ tự các ion bị khử là: Fe3+ + 1e → Fe2+ ; Cu2+ + 2e → Cu ; 2H+ + 2e → H2 ; Fe2+ + 2e → Fe
- Tại anot (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa anion gốc axit, OH– (bazơ kiềm), H2O theo quy tắc:
+ Các anion gốc axit có oxi như NO3–, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–…không bị oxi hóa
+ Các trường hợp khác bị oxi hóa theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O
*Định luật Faraday
m= A.I.t / n.F
Trong đó:
+ m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
+ A: khối lượng mol của chất thu được ở điện cực
+ n: số electron trao đổi ở điện cực
+ I: cường độ dòng điện (A)
+ t: thời gian điện phân (s)
+ F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)
II. Một số cơ sở để giải bài tập điện phân:
- Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại tạo thành sau điện phân bám vào
- m (dung dịch sau điện phân) = m (dung dịch trước điện phân) – (m kết tủa + m khí)
- Độ giảm khối lượng của dung dịch: Δm = (m kết tủa + m khí)
- Khi điện phân các dung dịch:
+ Hiđroxit của kim loại hoạt động hóa học 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 để cho H2 (ở catot) và O2 (ở anot)
- Khi điện phân dung dịch với anot là một kim loại không trơ (không phải Pt hay điện cực than chì) thì tại anot chỉ xảy ra quá trình oxi hóa điện cực
- Có thể có các phản ứng phụ xảy ra giữa từng cặp: chất tạo thành ở điện cực, chất tan trong dung dịch, chất dùng làm điện cực. Ví dụ:
+ Điện phân nóng chảy Al2O3 (có Na3AlF6) với anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh
+ Điện phân dung dịch NaCl không màng ngăn tạo ra nước Gia–ven và có khí H2 thoát ra ở catot
+ Phản ứng giữa axit trong dung dịch với kim loại bám trên catot
- Viết phản ứng (thu hoặc nhường electron) xảy ra ở các điện cực theo đúng thứ tự, không cần viết phương trình điện phân tổng quát
- Viết phương trình điện phân tổng quát (như những phương trình hóa học thông thường) để tính toán khi cần thiết
Từ công thức Faraday → số mol chất thu được ở điện cực
- Nếu đề bài cho lượng khí thoát ra ở điện cực hoặc sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì dựa vào các bán phản ứng để tính số mol electron thu hoặc nhường ở mỗi điện cực rồi thay vào công thức để tính I hoặc t
- Nếu đề bài yêu cầu tính điên lượng cần cho quá trình điện phân thì áp dụng công thức: Q = I.t = ne.F
- Có thể tính thời gian t’ cần điện phân hết một lượng ion mà đề bài đã cho rồi so sánh với thời gian t trong đề bài. Nếu t’ < t thì lượng ion đó đã bị điện phân hết còn nếu t’ > t thì lượng ion đó chưa bị điện phân hết
- Khi điện phân các dung dịch trong các bình điện phân mắc nối tiếp thì cường độ dòng điện và thời gian điện phân ở mỗi bình là như nhau → sự thu hoặc nhường electron ở các điện cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các điện cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau
- Trong nhiều trường hợp có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot = số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh
Bài viết trên đây về cơ bản sẽ giúp bạn hiểu rõ về điện phân và những nền tảng khi bắt tay vào một bài toán liên quan đến điện phân. Hãy nắm rõ từng điện cực, các giai đoạn xảy qua các quá trình phản ứng... Điều này, sẽ giúp bạn nắm vững các quá trình điện phân để từ đó tận dụng dữ kiện bài cho tính toán. Chúc bạn có một kì thi THPTQG thật thành công !
