Đáp án Hóa học 12 cánh diều Bài 12: Điện Phân

BÀI 12: ĐIỆN PHÂN

MỞ ĐẦU

Hình 12.1 mô tả sự chuyển động của các ion về các điện cực trong bình điện phân.

1. a) Giải thích sự chuyển động của các ion về các điện cực.
2. b) Dự đoán quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở điện cực nào.

Hướng dẫn chi tiết:

1. a) Các ion sẽ di chuyển về các cực trái dấu trong bình điện phân.
2. b) Ở điện cực dương xảy ra quá trình oxi hoá, còn ở điện cực âm xảy ra quá trình khử.

I. KHÁI NIỆM VÀ THỨ TỰ ĐIỆN PHÂN

Câu hỏi 1: Vì sao phải điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy để điều chế Na? Có thể điện phân NaCl rắn được không?

Hướng dẫn chi tiết:

Phải điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy để điều chế Na vì NaCl ở trạng thái này có thể điện phân thành 2 ion là Na⁺ và Cl^-. Không thể điện phân NaCl ở dạng rắn vì nó không phải chất điện li.

Luyện tập 1: Hãy viết phương trình hóa học của phản ứng điện phân xảy ra khi điện phân dung dịch CuCl₂ bằng điện cực trơ (than chì).

Hướng dẫn chi tiết:

Phương trình hóa học của phản ứng điện phân xảy ra khi điện phân dung dịch CuCl₂ bằng điện cực trơ (than chì) là:

Thí nghiệm 1: Điện phân dung dịch sodium chloride không màng ngăn để điều chế nước Javel.

Chuẩn bị:

- Hóa chất: Dung dịch NaCl bão hòa.

- Dụng cụ: Cốc thủy tinh loại 100 mL, hai điện cực than chì, nguồn điện một chiều 6V (hoặc pin 6V), dây dẫn điện.

Tiến hành: Nhúng hai điện cực vào cốc đựng khoảng 60 mL dung dịch NaCl bão hòa, rồi nối hai cực với nguồn điện bằng dây dẫn điện để tiến hành điện phân. Thời gian tiến hành điện phân tối thiểu là 5 phút.

Yêu cầu: Quan sát và mô tả hiện tượng xảy ra.

Chú ý: Không để hai điện cực đã nối nguồn điện chạm vào; đeo khẩu trang và thực hiện thí nghiệm ở nơi thoáng khí hoặc trong tủ hút.

Hướng dẫn chi tiết:

Hiện tượng quan sát được là: ta thấy ở điện cực anode có xuất hiện bọt khí là Cl₂, sau đó Cl₂ phản ứng với dung dịch NaOH vừa tạo ra.

Thí nghiệm 2: Điện phân dung dịch copper(II) sulfate.

Chuẩn bị:

- Hóa chất: Dung dịch CuSO₄ 0,5 M.

- Dụng cụ: Cốc thủy tinh loại 100 mL, hai điện cực than chì, nguồn điện một chiều 6 V (hoặc pin 6V), dây dẫn điện.

Tiến hành: Nhúng hai điện cực vào cốc đựng khoảng 60 mL dung dịch CuSO₄ 0,5 M rồi nối hai điện cực với nguồn điện để tiến hành điện phân. Thời gian tiến hành điện phân tối thiểu là 5 phút.

Yêu cầu: Quan sát và mô tả hiện tượng xảy ra.

Chú ý: Không để hai điện cực đã nối nguồn điện chạm vào nhau.

Hướng dẫn chi tiết:

Hiện tượng quan sát được là dung dịch ban đầu bị mất dần màu xanh của nó do CuSO₄ đã bị điện li, tại cực âm có chất rắn bám vào điện cực than chì. Trong khi đó ở cực dương xuất hiện bọt khí.

Câu hỏi 2: Đối với quá trình điện phân dung dịch NaCl bão hòa không có màng ngăn:

1. a) Hãy viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử tại mỗi điện cực. Viết phương trình hóa học của quá trình điện phân.
2. b) Vì sao sản phẩm thu được trong Thí nghiệm 1 là nước Javel (chứa NaOCl) mà không phải là NaOH? Giải thích.

Hướng dẫn chi tiết:

1. a) Ở điện cực âm xảy ra quá trình oxi hoá:

Ở điện cực dương xảy ra quá trình khử:

1. b) Sản phẩm thu được trong Thí nghiệm 1 là nước Javel (chứa NaOCl) mà không phải là NaOH vì khi không có màng ngăn, khí Cl₂ được tạo thành sẽ tiếp tục phản ứng với dung dịch NaOH, sau phản ứng sản phẩm thu được sẽ là nước Javel. Phương trình hoá học của phản ứng là:

Vận dụng 1: Tìm hiểu ứng dụng của Javel. Đề xuất thí nghiệm đơn giản để chứng minh rằng dung dịch nước Javel có tính tẩy màu.

Hướng dẫn chi tiết:

Ứng dụng của nước Javel là:

- Nước Javel giúp tẩy trắng quần áo, vải vóc, sàn hoặc tường nhà...

- Nước Javel có khả năng khử trùng, khử mùi đồ gia dụng.

- Ngoài ra, nước Javel còn có thể xử lý ô nhiễm nước.

- Trong đời sống thường ngày, nước Javel còn được dùng khử trùng bồn cầu.

Một thí nghiệm đơn giản để chứng minh rằng dung dịch nước Javel có tính tẩy màu là thí nghiệm của nước Javel với dung dịch CuSO₄. Khi phản ứng xảy ra, ta có thể quan sát thấy dung dịch sau phản ứng không có màu xanh như ban đầu và có xuất hiện kết tủa của Cu(OH)₂.

Câu hỏi 3: Cho biết trong Thí nghiệm 2, tại điện cực dương, H₂O điện phân trước ion SO₄^2- theo quá trình sau:

Xác định các sản phẩm thu được trong Thí nghiệm 2. Viết phương trình hóa học của quá trình điện phân.

Hướng dẫn chi tiết:

Sản phẩm thu được trong Thí nghiệm 2 bao gồm: Cu, H₂SO₄ và khí O₂.

Phương trình hóa học của quá trình điện phân là:

Luyện tập 2: Hãy sắp xếp thứ tự điện phân các ion dương ở cực âm khi tiến hành điện phân dung dịch gồm: FeCl₂ 1 M, CuCl₂ 1 M và HCl 1 M.

Hướng dẫn chi tiết:

Thứ tự điện phân các ion dương ở cực âm khi tiến hành điện phân dung dịch gồm: FeCl₂ 1 M, CuCl₂ 1 M và HCl 1 M là: Cu²⁺, H⁺, Fe²⁺.

II. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN PHÂN TRONG THỰC TIỄN

Vận dụng 2: Hãy tìm hiểu và cho biết vì sao không điện phân nóng chảy AlCl₃ trong sản xuất nhôm.

Hướng dẫn chi tiết:

Không điện phân nóng chảy AlCl₃ vì khi điện phân nóng chảy AlCl₃, ta sẽ thu được khí Cl₂ và Al. Tuy nhiên, với điều kiện môi trường nhiệt độ cao, hai chất này sẽ lại phản ứng với nhau, do đó người ta không sử dụng phương pháp này trong sản xuất nhôm.

Vận dụng 3: Trong sản xuất nhôm bằng phương pháp điện phân, điện cực than chì được sử dụng ở cả cực dương và cực âm. Người ta nhận thấy, trong quá trình điện phân, điện cực dương bị hao mòn nhanh hơn điện cực âm. Hãy tìm hiểu và giải thích hiện tượng trên.

Hướng dẫn chi tiết:

Trong quá trình điện phân, điện cực dương bị hao mòn nhanh hơn điện cực âm vì khi quá trình điện phân xảy ra, tại điện cực dương xuất hiện khí O₂. Khí này sẽ phản ứng với than chì có ở trong điện cực với điều kiện môi trường nhiệt độ cao. Do đó, điện cực dương bị hao mòn nhanh hơn.

Vận dụng 4: Tìm hiểu trong thực tế và chỉ ra những ví dụ về việc sử dụng mạ điện với mục đích bảo vệ, mạ điện với mục đích trang trí.

Hướng dẫn chi tiết:

Công dụng của mạ điện với mục đích bảo vệ, mạ điện với mục đích trang trí là:

- Mạ điện giúp làm giảm lực ma sát, bảo vệ kim loại khỏi sự bức xạ, làm tăng độ dẫn điện và dẫn nhiệt của kim loại, tăng độ bền kim loại...

- Ngoài ra, mạ điện giúp nâng cao tính thẩm mỹ: mạ bạc, mạ vàng trang sức...

BÀI TẬP

Bài 1: Chọn những phát biểu đúng:

1. a) Phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là tự diễn biến, trong bình điện phân là không tự diễn biến.
2. b) Phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là không tự diễn biến, trong bình điện phân là tự diễn biến.
3. c) Cực dương của bình điện phân được gọi là anode, của pin điện hóa được gọi là cathode.
4. d) Cực dương của bình điện phân được gọi là cathode, của pin điện hóa được gọi là anode.

Hướng dẫn chi tiết:

Những đáp án đúng là: (a), (c).

Bài 2: Xét quá trình sản xuất nhôm được thực hiện theo phương pháp điện phân Al₂O₃ nóng chảy với điện cực than chì.

2. a) Giải thích vì sao thực tế thành phần thể tích khí bay ra ở cực dương gồm CO (30% – 50%) và CO₂ (70% – 50%) mà không phải là O₂.
3. b) Trung bình để sản xuất được 1 tấn Al thì lượng điện cực than chì bị tiêu hao do phản ứng oxi hóa là bao nhiêu? Giả thiết thành phần khí bay ra ở cực dương gồm 50% CO và 50% CO₂ về thể tích.

Hướng dẫn chi tiết:

2. a) Thực tế, thành phần thể tích khí bay ra ở cực dương gồm CO (30% – 50%) và CO₂ (70% – 50%) mà không phải là O₂ vì trong quá trình điện phân, khí O₂ được sinh ra ở cực dương sẽ phản ứng hết với than chì để tạo ra khí CO và CO₂.
3. b) Đổi: 1 tấn = 10⁶ gam

 (mol)

Phương trình hoá học:

Nhìn vào phương trình hoá học ta thấy:  (mol)

Do %CO = %CO₂ = 50% =>

Gọi số mol của CO là x =>

Ta có: (mol)

=> (mol)

 (mol)

=>  ().