Title Bài 16. Điện phân - HS.docx ✅

KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG 5. PIN ĐIỆN VÀ ĐIỆN PHÂN 1 I. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN 1. Khái niệm: Điện phân là một quá trình oxi hoá - khử xảy ra tại các điện cực khi có dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Phản ứng oxi hoá - khử xảy ra trong quá trình điện phân là phản ứng không tự xảy ra mà phải nhờ tác động của điện năng để gây ra phản ứng đó. Các chất tham gia vào quá trình điện phân có thể ở trạng thái nóng chảy (điện phân nóng chảy) hoặc dung dịch (điện phân dung dịch). Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường, các ion âm sẽ di chuyển về điện cực dương, các ion dương sẽ di chuyển về điện cực âm. Khi điện phân dung dịch, nước cũng có thể tham gia điện phân với vai trò: chất khử (2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e) hoặc chất oxi hóa (2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - ). Theo quy ước chung, đối với cả pin điện và bình điện phân, tại cathode xảy ra quá trình khử và tại anode xảy ra quá trình oxi hóa. Do vậy, trong điện phân cathode là cực âm, anode là cực dương. Ví dụ 1. Điền từ hoặc cụm từ thích hợp vào chỗ trống trong các câu sau: a) Điện phân là quá trình ...(1)... xảy ra trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của ...(2)... đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy. b) Phản ứng oxi hoá - khử xảy ra trong quá trình điện phân là phản ứng ...(3)... mà phải nhờ tác động của ...(4)... để gây ra phản ứng đó. Ví dụ 2. Quá trình điện phân NaCl nóng chảy được tiến hành theo hai bước như sau: Bước 1: Nung NaCl trong bình đến nóng chảy, thu được chất lỏng có khả năng dẫn điện. Bước 2: Nhúng hai điện cực than chì vào bình đựng NaCl nóng chảy rồi nối chúng với hai cực của nguồn điện một chiều (khoảng 7 V). Các ion di chuyển về các điện cực trái dấu, ở điện cực dương có khí Cl 2 thoát ra và ở điện cực âm, Na được tạo thành. Thực hiện các yêu cầu sau: 1. Viết phương trình phân li của NaCl ở bước 1. 2. Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực. 3. Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân. 4. Vì sao phải điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy để điều chế Na? Có thể điện phân NaCl rắn được không? Ví dụ 3. Trong quá trình điện phân, những ion âm (anion) di chuyển về A. anode, ở đây chúng bị khử. B. anode, ở đây chúng bị oxi hoá. C. cathode, ở đây chúng bị khử. D. cathode, ở đây chúng bị oxi hoá. Ví dụ 4. Điện phân KBr nóng chảy thu được Br 2 là do có A. sự oxi hóa ion Br – ở anode. B. sự oxi hóa ion Br – ở cathode. C. sự khử ion Br – ở anode. D. sự khử ion Br – ở cathode. Ví dụ 5. Xét thí nghiệm điện phân dung dịch (đpdd) CuCl 2 với điện cực trơ (như than chì). Cl-Cu2+ Anode (+)Cathode (-) Dung dịch CuCl2 Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hóá học của phản ứng điện phân.
KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG 5. PIN ĐIỆN VÀ ĐIỆN PHÂN 2 Ví dụ 6. Viết phương trình hóa học của quá trình điện phân nóng chảy các chất: MgCl 2 , Al 2 O 3 . Ví dụ 7. Mỗi phát biểu sau là đúng hay sai? a. Trong bình điện phân, anode là điện cực dương, cathode là điện cực âm. Ngược lại, trong pin Galvani, anode là điện cực âm và cathode là điện cực dương. b. Trong cả bình điện phân và pin Galvani, phản ứng oxi hoá – khử được sử dụng để chuyển đổi hoá năng thành điện năng. c. Trong bình điện phân, ion được trao đổi electron tại cả hai điện cực. Còn trong pin Galvani, ion chỉ trao đổi electron ở cathode. d. Pin Galvani sinh ra dòng điện còn bình điện phân cần dẫn dòng điện từ bên ngoài vào để quá trình điện phân xảy ra. 2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân: a) Điện phân dung dịch CuSO 4 với các điện cực trơ (graphite): Khi đặt một hiệu điện thế khoảng 3 - 6 V giữa hai điện cực (thí nghiệm ở Hình 16.2), thấy khí O 2 thoát ra ở anode và kim loại Cu bám trên cathode. Trong thí nghiệm này, khi có dòng điện đi qua dung dịch, ion SO 4 2- di chuyển về phía anode, ion Cu 2+ di chuyển về cathode. Ở anode có thể xảy ra sự oxi hóa ion SO 4 2- hoặc phân tử H 2 O. Tuy nhiên, vì H 2 O dễ bị oxi hóa hơn SO 4 2- nên H 2 O bị oxi hóa trước, tạo thành sản phẩm là khí O 2 . 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion Cu 2+ hoặc phân tử H 2 O. Vì ion Cu 2+ dễ bị khử hơn H 2 O nên ion Cu 2+ bị khử trước, tạo thành kim loại Cu bám trên cathode. Cu 2+ + 2e → Cu Sơ đồ điện phân: Phướng trình điện phân: CuSO 4 + H 2 O ñpdd  Cu + 1 2 O 2 + H 2 SO 4  Thí nghiệm 1: Điện phân dung dịch CuSO 4 . Chuẩn bị: Hoá chất: dung dịch CuSO 4 0,5 M. Dụng cụ: nguồn điện một chiều (3 - 6 vôn), ống thuỷ tinh hình chữ U, hai điện cực than chì, dây dẫn, kẹp kim loại. Tiến hành: - Lắp thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO 4 như Hình 16.2. - Rót dung dịch CuSO 4 0,5 M vào ống thuỷ tinh hình chữ U rồi nhúng hai điện cực than chì vào dung dịch. - Nối hai điện cực than chì với hai cực của nguồn điện và tiến hành điện phân trong khoảng 5 phút.
KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG 5. PIN ĐIỆN VÀ ĐIỆN PHÂN 3 Hình 16.2. Sơ đồ thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO 4 với điện cực trơ Quan sát hiện tượng xảy ra ở mỗi điện cực và giải thích. b) Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ (graphite):  Thí nghiệm 2. Điện phân dung dịch NaCl bão hoà với điện cực trơ (graphite) Cl-, H 2OCu2+, H 2O Anode (+)Cathode (-) Dung dịch NaCl a) Viết quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực, biết sản phẩm của quá trình điện phân có khí Cl 2 và H 2 . b) Viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân. c) Trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau sẽ xảy ra phản ứng hoá học nào?  Thí nghiệm 3. Điện phân dung dịch NaCl (tự điều chế nước Javel để tẩy rừa) Chuẩn bị: Hoá chất: dung dịch NaCl bão hoà, cánh hoa màu hồng. Dụng cụ: nguồn điện một chiều (3 - 6 vôn), cốc thuỷ tinh 100 mL, hai điện cực than chì, dây dẫn, kẹp kim loại. Tiến hành: - Lắp thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ như Hình 16.3. - Rót khoảng 80 mL dung dịch NaCI bão hoà vào cốc rồi nhúng hai điện cực than chì vào dung dịch. - Nối hai điện cực than chì với hai cực của nguồn điện và tiến hành điện phân trong khoảng 5 phút. - Cho một mẩu cánh hoa màu hồng vào cốc chứa khoảng 5 mL dung dịch sau điện phân. Quan sát hiện tượng xảy ra và thực hiện các yêu cầu sau: 1. Giải thích hiện tượng quan sát được ở mỗi điện cực. 2. Giải thích khả năng tẩy màu của dung dịch sau điện phân. 3. Tại sao nên dùng nắp đậy trong quá trình điện phân? Hình 16.3. Sơ đồ thí nghiệm điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ - Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hoá và chất khử, các quá trình xảy ra tại anode và cathode tuân theo thứ tự sau: Tại anode, chất khử mạnh hơn sẽ bị oxi hóa trước. Tại cathode, chất oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước.
KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG 5. PIN ĐIỆN VÀ ĐIỆN PHÂN 4 - Ở điều kiện chuẩn, độ mạnh yếu của các chất oxi hóa và chất khử được so sánh dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn hoặc vị trí cặp oxi hoá - khử trong dãy điện hoá. Ví dụ: Thứ tự điện phân tại anode: I - > Br - > Cl - (Các anion như CO 3 - , NO 3 - , PO 4 3- , SO 4 3- , F - và ClO 4 - coi như không bị điện phân). Thứ tự điện phân tại cathode: Au 3+ > Ag + > Hg 2+ > Cu 2+ > H + > H 2 O. EM CÓ BIẾT Thứ tự điện phân còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực, đặc biệt là các quá trình tạo ra sản phẩm ở thể khí. Ví dụ 1. Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và phương trình hóa học của phản ứng điện phân khi điện phân dung dịch: AgNO 3 ; CuCl 2 với điện cực graphite. Ví dụ 2. Trong quá trình điện phân dung dịch AgNO 3 (các điện cực trơ), ở cực âm xảy ra phản ứng nào sau đây? A. Ag  Ag + le. B. Ag + + le  Ag. C. 2H 2 O  4H + + O 2 + 4e. D. 2H 2 O + 2e  H 2 + 2OH – . Ví dụ 3. Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO 4 (các điện cực trơ), ở anode xảy ra phản ứng A. oxi hoá ion SO 4 2– . B. khử ion SO 4 2– . C. khử phân tử H 2 O. D. oxi hoá phân tử H 2 O. Ví dụ 4. Xét quá trình điện phân dung dịch NaCl 20% bằng dòng điện một chiều (với điện cực trơ, có màng ngăn xốp). Quá trình khử xảy ra ở cathode là A. 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH – . B. Cl 2 + 2e → 2Cl – . C. 2Cl – → Cl 2 + 2e. D. H 2 O → 1 2 O 2 + 2H + + 2e. Ví dụ 5. Mỗi phát biểu sau là đúng hay sai? a. Tại anode, chất (hoặc ion) có tính khử mạnh hơn thường bị điện phân trước. b. Tại các điện cực, các ion trái dấu bị điện phân trước các phần tử trung hoà. c. Tại cathode, chất (hoặc ion) có tính oxi hoá mạnh hơn thường bị điện phân trước. d. Các ion cùng dấu với điện cực sẽ không bị điện phân tại điện cực đó. Ví dụ 6. Trong một dung dịch có đồng thời các ion kim loại: Fe 2+ , Cu 2+ , Ag + , Zn 2+ . a) Hãy lập luận để chỉ ra thứ tự điện phân của các ion ở cathode. b) Cho biết kim loại cuối cùng thu được tại cathode? Ví dụ 7. Hãy sắp xếp thứ tự điện phân các ion dương ở cực âm khi tiến hành điện phân dung dịch gồm: FeCl 3  1 M, CuCl 2  1 M và HCl 1M. Ví dụ 8. Một trong các phương pháp sử dụng để điều chế khí hydrogen và oxygen là điện phân nước trong dung dịch chất điện li với các điện cực trơ. Chất điện li nào phù hợp cho phản ứng điện phân nước để điều chế khí hydrogen và oxygen? A. NaCl. B. CuSO 4 . C. Na 2 SO 4 . D. KBr. Ví dụ 9. Điện phân với điện cực trơ, có màng ngăn những dung dịch sau: NaCl, CuSO 4 , KNO 3 , AgNO 3 , CuCl 2 , H 2 SO 4 . Số dung dịch sau điện phân có pH < 7 là bao nhiêu? II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN 1. Sản xuất kim loại: Trong công nghiệp, một số kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch. Ví dụ: hơn 50% sản lượng kẽm trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân: