Menu Học Tập

Bài tập Hoá 12 Bài 16: Điện phân (27 bài tập)

Lớp 12 · Hoá Học Bài 16

Điện phân

Khái niệm điện phân, so sánh với pin điện hoá, nguyên tắc (thứ tự) điện phân ở anode và cathode, điện phân nóng chảy và dung dịch, cùng các ứng dụng: sản xuất kim loại, tinh chế kim loại và mạ điện

1
Khái niệm điện phân
▼
ĐỊNH NGHĨA
Điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra tại các điện cực khi có dòng điện một chiều (hiệu điện thế đủ lớn) đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.
Phản ứng oxi hoá - khử trong điện phân là phản ứng không tự xảy ra, phải nhờ điện năng để gây ra. Đây là điểm ngược lại với pin điện hoá (phản ứng tự xảy ra và sinh ra điện năng).

▸ So sánh pin điện hoá & bình điện phân

Tiêu chíPin điện hoáBình điện phân
Nguyên tắcHoá năng → Điện năngĐiện năng → Hoá năng
Phản ứngTự xảy raKhông tự xảy ra (cần dòng điện)
AnodeCực âm (−)Cực dương (+)
CathodeCực dương (+)Cực âm (−)
Tại anodeOxi hoáOxi hoá
Tại cathodeKhửKhử
📌
Dù là pin hay bình điện phân: anode luôn xảy ra oxi hoá, cathode luôn xảy ra khử. Chỉ có dấu của cực (+/−) là khác nhau giữa hai loại.
2
Điện cực trong bình điện phân & vai trò của nước
▼

▸ Quy ước điện cực trong bình điện phân

Điện cựcCựcQuá trìnhIon di chuyển đến
AnodeDương (+)Oxi hoá (nhường e)Anion (ion âm)
CathodeÂm (−)Khử (nhận e)Cation (ion dương)
MẸO NHỚ
Trong bình điện phân: "ANODE – DƯƠNG – OXI HOÁ – ANION" (ADOA)

▸ Vai trò của nước trong điện phân dung dịch

Khi điện phân dung dịch, nước có thể tham gia điện phân với hai vai trò:

Nước là chất khử (tại anode)
$2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e$
Nước là chất oxi hoá (tại cathode)
$2\text{H}_2\text{O} + 2e \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-$

▸ Phân loại điện phân

LoạiĐối tượngVí dụ
Điện phân nóng chảyChất điện li ở trạng thái nóng chảyNaCl nóng chảy, $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy
Điện phân dung dịchDung dịch chất điện liDung dịch $\text{CuSO}_4$, dung dịch NaCl
3
Nguyên tắc (thứ tự) điện phân
▼
NGUYÊN TẮC CHUNG
Tại anode (+): chất khử MẠNH hơn bị oxi hoá trước.
Tại cathode (−): chất oxi hoá MẠNH hơn bị khử trước.

▸ Thứ tự bị oxi hoá tại anode (+)

$\text{I}^-$
>
$\text{Br}^-$
>
$\text{Cl}^-$
>
$\text{H}_2\text{O}$
🚫
Các anion KHÔNG bị điện phân (trong dung dịch): $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{F}^-$, $\text{ClO}_4^-$. Khi gặp các anion này, nước bị oxi hoá thay thế.

▸ Thứ tự bị khử tại cathode (−)

$\text{Au}^{3+}$
>
$\text{Ag}^+$
>
$\text{Hg}^{2+}$
>
$\text{Cu}^{2+}$
>
$\text{H}^+$
>
$\text{H}_2\text{O}$
🚫
Các cation KHÔNG bị khử trong dung dịch: $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Al}^{3+}$. Khi gặp các cation này, nước bị khử thay thế ($2\text{H}_2\text{O} + 2e \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-$).
MẸO NHỚ THỨ TỰ CATHODE
"Vàng – Bạc – Thuỷ – Đồng rồi mới đến H"
$\text{Au}^{3+} > \text{Ag}^+ > \text{Hg}^{2+} > \text{Cu}^{2+} > \text{H}^+$
▸ Mở rộng: dung dịch có nhiều ion kim loại, có cả $\text{Fe}^{3+}$
Thứ tự bị khử tại cathode dựa trên giá trị $E^{\circ}$: cặp có $E^{\circ}$ càng lớn thì càng dễ bị khử (khử trước).
Ví dụ với các cặp thường gặp trong đề thi:
  • $E^{\circ}_{\text{Ag}^+/\text{Ag}} = +0{,}80$ V
  • $E^{\circ}_{\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}} = +0{,}77$ V
  • $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}34$ V
  • $E^{\circ}_{\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}} = -0{,}44$ V
$\Rightarrow$ Thứ tự bị khử: $\text{Ag}^+ \to \text{Fe}^{3+} \to \text{Cu}^{2+} \to \text{Fe}^{2+}$.
Chú ý: $\text{Fe}^{3+}$ ưu tiên bị khử thành $\text{Fe}^{2+}$; không xét $\text{Fe}^{3+}$ bị khử trực tiếp thành Fe trong trường hợp này.
4
Điện phân nóng chảy
▼

Điện phân nóng chảy dùng để điều chế các kim loại có tính khử mạnh (Na, K, Mg, Ca, Al) — những kim loại không điều chế được bằng điện phân dung dịch (vì ion của chúng không bị khử trong nước).

▸ Ví dụ: điện phân nóng chảy NaCl

Phân li: $\text{NaCl} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$.

Bình điện phân NaCl nóng chảy
ANODE (+)
$2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e$
(oxi hoá → khí $\text{Cl}_2$)
CATHODE (−)
$\text{Na}^+ + e \rightarrow \text{Na}$
(khử → kim loại Na)
$2\text{NaCl} \xrightarrow{\text{đpnc}} 2\text{Na} + \text{Cl}_2$

▸ Sản xuất nhôm từ quặng bauxite

Quặng bauxite được tinh chế thành $\text{Al}_2\text{O}_3$. Vì $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy ở rất cao (2050 °C) nên được trộn cryolite ($\text{Na}_3\text{AlF}_6$) để hạ nhiệt độ nóng chảy xuống ~1000 °C.

Vai trò cryoliteGiải thích
Giảm nhiệt độ nóng chảyTiết kiệm năng lượng
Tăng độ dẫn điệnTăng hiệu suất điện phân
Bảo vệ nhôm lỏngLớp chất lỏng nổi trên, ngăn Al bị oxi hoá bởi không khí
Điện phân $\text{Al}_2\text{O}_3$ nóng chảy
ANODE (+)
$2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2 + 4e$
CATHODE (−)
$\text{Al}^{3+} + 3e \rightarrow \text{Al}$
$2\text{Al}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{đpnc}} 4\text{Al} + 3\text{O}_2$
🔥
Khí $\text{O}_2$ sinh ra ở nhiệt độ cao đốt cháy dần anode than chì: $\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^{\circ}} \text{CO}_2$ → phải hạ thấp dần các anode vào thùng điện phân.
5
Điện phân dung dịch (điện cực trơ)
▼

▸ a) Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$

Cation: $\text{Cu}^{2+}$, $\text{H}_2\text{O}$. Anion: $\text{SO}_4^{2-}$ (không điện phân), $\text{H}_2\text{O}$.

Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$ (điện cực trơ)
ANODE (+)
$2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e$
(khí $\text{O}_2$ không màu)
CATHODE (−)
$\text{Cu}^{2+} + 2e \rightarrow \text{Cu}$
(Cu màu đỏ bám vào)
$2\text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4$

▸ b) Điện phân dung dịch NaCl (có màng ngăn)

Cation: $\text{Na}^+$ (không bị khử), $\text{H}_2\text{O}$. Anion: $\text{Cl}^-$, $\text{H}_2\text{O}$.

Điện phân dung dịch NaCl (điện cực trơ)
ANODE (+)
$2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e$
(khí $\text{Cl}_2$ vàng lục)
CATHODE (−)
$2\text{H}_2\text{O} + 2e \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-$
(khí $\text{H}_2$ không màu)
$2\text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{NaOH} + \text{H}_2 + \text{Cl}_2$
🧴
Điều chế nước Javel: nếu KHÔNG có màng ngăn, $\text{Cl}_2$ phản ứng với NaOH: $\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$. NaClO có tính oxi hoá mạnh → khả năng tẩy màu.

▸ c) Điện phân dung dịch $\text{CuCl}_2$

Cả $\text{Cu}^{2+}$ (cathode) và $\text{Cl}^-$ (anode) đều bị điện phân trước nước:

$\text{CuCl}_2 \xrightarrow{\text{đpdd}} \text{Cu} + \text{Cl}_2$
6
Ứng dụng: sản xuất & tinh chế kim loại
▼

▸ Sản xuất kim loại

Phương phápĐối tượngVí dụ
Điện phân dung dịchKim loại trung bình & yếu (Zn, Cu, Ag…)$\text{ZnSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} \text{Zn} + \dfrac{1}{2}\text{O}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4$
Điện phân nóng chảyKim loại mạnh (Na, K, Mg, Ca, Al)$2\text{Al}_2\text{O}_3 \xrightarrow{\text{đpnc}} 4\text{Al} + 3\text{O}_2$
🏭
Hơn 50% sản lượng kẽm trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.

▸ Tinh chế kim loại (anode tan)

Nguyên tắc: điện phân dung dịch muối của kim loại với anode làm bằng kim loại thô tương ứng. Ví dụ tinh chế đồng:

Tinh chế đồng (dung dịch $\text{CuSO}_4$/$\text{H}_2\text{SO}_4$)
ANODE (+) — Cu thô
$\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e$
(anode tan dần)
CATHODE (−) — Cu tinh khiết
$\text{Cu}^{2+} + 2e \rightarrow \text{Cu}$
(Cu sạch bám vào)
💡
Quá trình tinh chế được coi như sự chuyển dời kim loại Cu từ anode (đồng thô) về cathode (đồng tinh khiết). Nồng độ $\text{Cu}^{2+}$ trong dung dịch gần như không đổi.
7
Mạ điện & phương pháp giải bài tập
▼

▸ Mạ điện

Mạ điện dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại lên bề mặt vật cần mạ, nhằm trang trí và chống ăn mòn.

Thành phầnVai trò
Anode (+)Thanh kim loại dùng để mạ
Cathode (−)Vật cần mạ
Dung dịch điện phânDung dịch muối của kim loại mạ
📝 VÍ DỤ – MẠ ĐỒNG LÊN CHÌA KHOÁ THÉP
Anode: thanh đồng; cathode: chìa khoá thép; dung dịch: $\text{CuSO}_4$.
→ Anode: $\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e$ (thanh đồng tan dần).
→ Cathode: $\text{Cu}^{2+} + 2e \rightarrow \text{Cu}$ (đồng bám vào chìa khoá).
📏
Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thời gian mạ.

▸ Dạng 1: Xác định sản phẩm điện phân

Loại điện phânTại anode (+)Tại cathode (−)
Đpnc muối halogenuaHalogen ($\text{Cl}_2$…)Kim loại
Đpnc oxide kim loại$\text{O}_2$Kim loại
Đpdd muối có $\text{Cl}^-$$\text{Cl}_2$Tuỳ cation
Đpdd muối có $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$$\text{O}_2$ (từ $\text{H}_2\text{O}$)Tuỳ cation

▸ Dạng 2: Viết quá trình & phương trình điện phân

📝 VÍ DỤ – ĐPDD KCl (có màng ngăn)
→ Anode: $\text{Cl}^-$ bị oxi hoá trước → $2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e$.
→ Cathode: $\text{K}^+$ không bị khử → nước bị khử: $2\text{H}_2\text{O} + 2e \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-$.
→ Phương trình: $2\text{KCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{KOH} + \text{H}_2 + \text{Cl}_2$.
8
Tổng kết & ghi nhớ nhanh
▼
Nội dungGhi nhớ
Điện phânĐiện năng → hoá năng; phản ứng không tự xảy ra
Bình điện phânAnode (+) oxi hoá · Cathode (−) khử
Anode (+) thứ tự$\text{I}^- > \text{Br}^- > \text{Cl}^- > \text{H}_2\text{O}$
Cathode (−) thứ tự$\text{Au}^{3+} > \text{Ag}^+ > \text{Hg}^{2+} > \text{Cu}^{2+} > \text{H}^+ > \text{H}_2\text{O}$
Không điện phân (anion)$\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$ → nước bị oxi hoá thay
Không bị khử (cation)$\text{K}^+$, $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Al}^{3+}$ → nước bị khử thay
Kim loại mạnh (Na, Al…)Chỉ điều chế bằng điện phân nóng chảy
Anode tanTinh chế kim loại, mạ điện
MẸO NHỚ NHANH
Bình điện phân: "ANODE – DƯƠNG – OXI HOÁ – ANION"
Cathode: "Vàng – Bạc – Thuỷ – Đồng rồi mới đến H"
Anion không điện phân: "Sunfat, Nitrat, Cacbonat, Photphat, Florua"

▸ Một số lỗi thường gặp

Lỗi saiCần nhớ đúng
Cho anode trong bình điện phân là cực âmTrong bình điện phân, anode là cực dương (+)
Cho $\text{Na}^+$ bị khử khi đpdd NaCl$\text{Na}^+$ không bị khử → nước bị khử thay
Cho $\text{SO}_4^{2-}$ bị oxi hoá tại anode$\text{SO}_4^{2-}$ không điện phân → nước bị oxi hoá thay
Cho điều chế Na bằng điện phân dung dịchNa (kim loại mạnh) chỉ điều chế bằng điện phân nóng chảy
Quên màng ngăn khi đpdd NaClKhông màng ngăn → $\text{Cl}_2$ + NaOH tạo nước Javel
📚
Xem lại lý thuyết điện phân, nguyên tắc thứ tự điện phân và các ứng dụng đầy đủ cùng các công thức và mẹo nhớ nhanh trong bài viết chi tiết.
Đọc bài chi tiết →
1
—
Điểm: 0/27
⚡

Cùng luyện Bài 16 – Điện phân!

27 câu: 21 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận

💡 Gợi ý
ThS. Lê Thị Mai Nhi

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ

Bài tập Hoá 12 Bài 29: Một số tính chất và ứng dụng của phức chất (26 bài tập) ( 23/05 )

Bài tập Hoá 12 Bài 28: Sơ lược về phức chất (27 bài tập) ( 23/05 )

Bài tập Hoá 12 Bài 27: Đại cương về kim loại chuyển tiếp dãy thứ nhất (27 bài tập) ( 23/05 )

Bài tập Hoá 12 Bài 25: Nguyên tố nhóm IIA (28 bài tập) ( 23/05 )

Bài tập Hoá 12 Bài 24: Nguyên tố nhóm IA (28 bài tập) ( 23/05 )