TÀI LIỆU HỌC TẬP: ĐIỆN PHÂN - ĐỊNH LUẬT FARADAY & LIÊN HỆ ĐIỆN TÍCH, DÒNG ĐIỆN, LƯỢNG SẢN PHẨM

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Khái niệm điện phân

• Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy.
• Quá trình điện phân bao gồm:
  • Catot (cực âm): Xảy ra quá trình khử (cation kim loại nhận electron).
  • Anot (cực dương): Xảy ra quá trình oxi hóa (anion gốc axit hoặc kim loại điện cực nhường electron).

2. Định luật Faraday

Định luật Faraday mô tả mối quan hệ định lượng giữa lượng chất được giải phóng ở điện cực và lượng điện tích đi qua bình điện phân.

Định luật Faraday I:

Khối lượng chất được giải phóng ở điện cực trong quá trình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình điện phân.

Công thức: $m \propto Q$

Trong đó:

• $m$ là khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam).
• $Q$ là điện lượng (Coulomb, C) chạy qua bình điện phân.

Định luật Faraday II:

Với cùng một điện lượng đi qua, khối lượng các chất khác nhau được giải phóng ở điện cực tỉ lệ thuận với đương lượng gam của chúng.

Kết hợp hai định luật Faraday, ta có công thức tổng quát:

$m = \frac{AIt}{nF}$

Trong đó:

• $m$ là khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam).
• $A$ là khối lượng mol nguyên tử của chất (g/mol).
• $n$ là số electron trao đổi trong quá trình điện phân (số oxi hóa thay đổi).
• $I$ là cường độ dòng điện (Ampe, A).
• $t$ là thời gian điện phân (giây, s).
• $F$ là hằng số Faraday ($F = 96485 \, C/mol$).

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân

• Bản chất chất điện li.
• Nồng độ dung dịch.
• Cường độ dòng điện.
• Thời gian điện phân.
• Điện cực (điện cực trơ hoặc điện cực tan).

4. Thứ tự điện phân

a) Tại Catot (cực âm):

Các cation kim loại bị khử theo thứ tự sau (tính oxi hóa tăng dần):

$K^+ < Na^+ < Mg^{2+} < Al^{3+} < Zn^{2+} < Fe^{2+} < Ni^{2+} < Sn^{2+} < Pb^{2+} < H^+ (axit) < Cu^{2+} < Ag^+$

• Các ion kim loại đứng trước $Al^{3+}$ không bị điện phân trong dung dịch nước. Thay vào đó, nước bị điện phân: $2H_2O + 2e \rightarrow H_2 + 2OH^-$
• Ion $H^+$ điện phân tạo thành $H_2$. $2H^+ + 2e \rightarrow H_2$
• Các ion kim loại từ $Cu^{2+}$ trở đi điện phân tạo kim loại. $M^{n+} + ne \rightarrow M$

b) Tại Anot (cực dương):

Các anion và điện cực bị oxi hóa theo thứ tự sau (tính khử giảm dần):

$S^{2-} > I^- > Br^- > Cl^- > H_2O > SO_4^{2-}, NO_3^-, F^-$

• Các ion $S^{2-}, I^-, Br^-, Cl^-$ điện phân tạo halogen. $2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e$
• Ion $H_2O$ điện phân tạo $O_2$. $2H_2O \rightarrow O_2 + 4H^+ + 4e$
• Các anion gốc axit chứa oxi (như $SO_4^{2-}, NO_3^-, F^-$) không bị điện phân.
• Nếu anot là kim loại (trừ Au, Pt), thì kim loại sẽ bị oxi hóa: $M \rightarrow M^{n+} + ne$

II. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

1. Dạng 1: Tính khối lượng chất tạo thành ở điện cực

Phương pháp:

1. Xác định chất bị điện phân ở mỗi điện cực (Catot và Anot) theo thứ tự điện phân.

2. Viết bán phản ứng điện phân tại mỗi điện cực.

3. Áp dụng công thức Faraday để tính khối lượng chất tạo thành:

   $m = \frac{AIt}{nF}$

   hoặc

   $n_{e \, trao \, đổi} = \frac{It}{F}$

   Từ số mol electron trao đổi, suy ra số mol chất tạo thành và khối lượng tương ứng.

Ví dụ: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 0,5M bằng dòng điện một chiều có cường độ 1,93A trong thời gian 200 giây. Tính khối lượng Cu bám ở catot.

Giải:

1. Số mol CuSO4: $n_{CuSO_4} = 0,2 \times 0,5 = 0,1 \, mol$

2. Phản ứng điện phân tại catot: $Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu$

3. Số mol electron trao đổi: $n_{e} = \frac{It}{F} = \frac{1,93 \times 200}{96485} = 0,004 \, mol$

4. Theo phương trình phản ứng, số mol Cu tạo thành: $n_{Cu} = \frac{1}{2} n_e = \frac{1}{2} \times 0,004 = 0,002 \, mol$

5. Khối lượng Cu bám ở catot: $m_{Cu} = 0,002 \times 64 = 0,128 \, g$

2. Dạng 2: Xác định thể tích khí thoát ra ở điện cực

Phương pháp:

1. Xác định chất bị điện phân ở mỗi điện cực.
2. Viết bán phản ứng điện phân tại mỗi điện cực.
3. Áp dụng công thức Faraday để tính số mol electron trao đổi: $n_{e} = \frac{It}{F}$
4. Từ số mol electron trao đổi, suy ra số mol khí tạo thành theo phương trình phản ứng.
5. Tính thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc) hoặc điều kiện khác (nếu đề bài cho) bằng công thức:
   • Đktc: $V = n \times 22,4$
   • Điều kiện khác: $PV = nRT$

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl dư (điện cực trơ, màng ngăn xốp) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây. Thể tích khí Cl2 (đktc) thu được ở anot là bao nhiêu?

Giải:

1. Phản ứng điện phân tại anot: $2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e$

2. Số mol electron trao đổi: $n_e = \frac{It}{F} = \frac{5 \times 3860}{96485} = 0,2 \, mol$

3. Theo phương trình phản ứng, số mol Cl2 tạo thành: $n_{Cl_2} = \frac{1}{2} n_e = \frac{1}{2} \times 0,2 = 0,1 \, mol$

4. Thể tích Cl2 (đktc): $V_{Cl_2} = 0,1 \times 22,4 = 2,24 \, lit$

3. Dạng 3: Bài toán điện phân hỗn hợp

Phương pháp:

1. Xác định các chất tham gia điện phân và thứ tự điện phân tại mỗi điện cực.
2. Viết các bán phản ứng điện phân.
3. Tính số mol electron trao đổi dựa vào cường độ dòng điện và thời gian điện phân.
4. Dựa vào thứ tự điện phân và số mol electron, xác định chất nào bị điện phân hết, chất nào còn dư.
5. Tính khối lượng các chất tạo thành ở điện cực.

Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa 0,2 mol CuCl2 và 0,15 mol FeCl3 bằng dòng điện một chiều có cường độ 2A trong thời gian t giây. Ngừng điện phân, thu được dung dịch X và 6,72 gam kim loại ở catot. Giá trị của t là bao nhiêu?

Giải:

1. Các quá trình xảy ra ở catot: $Fe^{3+} + 1e \rightarrow Fe^{2+}$ $Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu$ $Fe^{2+} + 2e \rightarrow Fe$

2. Số mol Cu tạo thành: $n_{Cu} = \frac{6,72}{64} = 0,105 \, mol$

3. Ta có sơ đồ điện phân tại catot:

   • $Fe^{3+}$ điện phân thành $Fe^{2+}$: 0,15 mol $Fe^{3+}$ cần 0,15 mol e
   • $Cu^{2+}$ điện phân thành Cu: 0,105 mol Cu cần 0,105 * 2 = 0,21 mol e Vậy tổng số mol e trao đổi ở catot là: $n_e = 0,15 + 0,21 = 0,36$ mol

4. Tổng số mol electron trao đổi: $n_e = \frac{It}{F} \Rightarrow t = \frac{n_e F}{I} = \frac{0,36 \times 96485}{2} = 17367,3 \, s$

4. Dạng 4: Xác định pH của dung dịch sau điện phân

Phương pháp:

1. Xác định các chất bị điện phân tại mỗi điện cực.

2. Viết bán phản ứng điện phân.

3. Tính số mol $H^+$ hoặc $OH^-$ tạo ra hoặc bị tiêu thụ trong quá trình điện phân.

4. Tính nồng độ $H^+$ hoặc $OH^-$ sau điện phân.

5. Tính pH của dung dịch:

   • $[H^+] = 10^{-pH}$
   • $pOH = -log[OH^-]$
   • $pH + pOH = 14$

Ví dụ: Điện phân 200 ml dung dịch CuCl2 0,5M với điện cực trơ, dòng điện một chiều cường độ 2A trong thời gian 1930 giây. Giả sử thể tích dung dịch không thay đổi, tính pH của dung dịch sau điện phân.

Giải:

1. Phản ứng điện phân: $CuCl_2 + H_2O \xrightarrow{đpdd} Cu + Cl_2 + H_2O$ Hoặc có thể viết: Tại catot: $Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu$ Tại anot: $2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e$

2. Số mol CuCl2: $n_{CuCl_2} = 0,2 \times 0,5 = 0,1 \, mol$

3. Số mol electron trao đổi: $n_e = \frac{It}{F} = \frac{2 \times 1930}{96485} = 0,04 \, mol$

4. Số mol Cu tạo thành: $n_{Cu} = \frac{1}{2} n_e = 0,02$ mol.

5. Số mol CuCl2 điện phân: 0,02 mol.

6. Sau điện phân, dung dịch chứa các ion Cl- và $H^+$. Tuy nhiên, Cl- là ion trung tính, không ảnh hưởng đến pH. Phản ứng phụ có thể xảy ra: $2H_2O \rightarrow 4H^+ + O_2 + 4e$ (nếu điện phân lâu hơn, sau khi hết Cl-)

7. Do bài toán không yêu cầu tính pH do có $H^+$ sinh ra từ điện phân nước, nên ta bỏ qua yếu tố này. Thực tế, bài toán này sau khi điện phân, dung dịch có pH gần như không đổi (pH xấp xỉ 7).

III. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài 1: Điện phân 400 ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ dòng điện 9,65A trong thời gian 20 phút. Tính khối lượng Cu thu được ở catot và thể tích khí O2 (đktc) thoát ra ở anot.

Bài 2: Điện phân dung dịch chứa 0,2 mol AgNO3 với cường độ dòng điện 2,68A trong thời gian t giờ, thu được 5,4 gam kim loại Ag ở catot. Tính giá trị của t.

Bài 3: Điện phân 200 ml dung dịch hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M bằng điện cực trơ, màng ngăn xốp, với cường độ dòng điện 2A. Thời gian điện phân là 193 phút. Tính thể tích khí (đktc) thoát ra ở anot.

Bài 4: Điện phân 200 ml dung dịch NaCl 2M (d=1,1 g/ml) với điện cực trơ, có màng ngăn. Sau khi điện phân thu được 2,24 lít khí Cl2 (đktc). Tính nồng độ % của dung dịch NaOH thu được.

Bài 5: Điện phân (điện cực trơ, màng ngăn xốp) 500 ml dung dịch NaCl 4M đến khi ở anot thu được 6,72 lít khí (đktc). Dung dịch sau điện phân có pH là bao nhiêu? (Giả sử thể tích dung dịch không thay đổi)

IV. KẾT LUẬN

Điện phân là một quá trình quan trọng trong hóa học và có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc nắm vững định luật Faraday và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân là rất cần thiết để giải quyết các bài tập liên quan. Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các bạn học sinh lớp 12 hiểu rõ hơn về điện phân và có thể áp dụng kiến thức vào giải bài tập một cách hiệu quả.