Bài 12. Điện phân trang 83, 84, 85 Hóa 12 Cánh diều: Vì sao phải điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy để điều chế Na? Có thể điện phân NaCl rắn được không?...

Câu hỏi trang 83

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

a) Giải thích sự chuyển động của các ion về các điện cực.

b) Dự đoán quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở điện cực nào.

Dựa vào sự dịch chuyển các ion trong bình điện phân ở hình 12.1

a) Các ion dương dịch chuyển theo điện cực âm; các ion âm dịch chuyển theo điện cực dương

b) Quá trình khử ở cực âm: \(N{a^ + } + 1{\rm{e}} \to Na\)

Quá trình oxi hóa ở cực dương: \(2C{l^ - } \to C{l_2} + 2{\rm{e}}\)

Câu hỏi trang 84 Câu hỏi

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

Dựa vào khái niệm điện phân: là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy.

Không thể điện phân NaCl rắn vì NaCl rắn không dẫn điện, trong khi đó NaCl ở trạng thái nóng chảy phân li ra Na⁺ và Cl^-.

Câu hỏi trang 84 Luyện tập

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).

Dựa vào nguyên tắc của phản ứng điện phân.

CuCl₂ (aq) \( \to \) Cu²⁺ (aq) + 2Cl^- (aq)

Câu hỏi trang 85 Thực hành 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 100ml, 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 60ml dung dịch NaCl bão hòa, rồi nối hai điện cực với nguồn điện bằng dây dẫn điện để tiến hành điện phân. Thời gian 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 để nối nguồn điện chạm vào nhau; đeo khẩu trang và thực hiện thí nghiệm ở nơi thoáng khí hoặc trong tủ hút.

Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ và không có màng ngăn, trong quá trình điện phân NaOH ở cathode sẽ phản ứng với khí Cl₂ sinh ra ở anode.

Hiện tượng: có khí Cl₂ sinh ra ở anode, vì không có màng ngăn nên khí Cl₂ hòa tan trong dung dịch NaOH.

Câu hỏi trang 85 Thực hành 2

Điện phân dung dịch copper(II) sulfate

Chuẩn bị

- Hóa chất: Dung dịch CuSO₄ 0,5M

- Dụng cụ: Cốc thủy tinh loại 100ml, 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 60ml dung dịch CuSO₄ 0,5M rồi nối hai điện cực với nguồn điện để tiến hành điện phân. Thời gian 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.

Khi điện phân dung dịch CuSO₄ có xuất hiện kim loại đồng bám vào điện cực

Hiện tượng: Màu xanh lam dung dịch CuSO₄ nhạt màu dần, cực âm có kim loại đồng bám vào, cực dương có bọt khí bám trên điện cực.

Câu hỏi trang 85 Câu hỏi 1

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

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.

b) Vì sao sản phẩm thu được trong Thí nghiệm 1 là nước Javel (chứa NaOCl) mà không phải NaOH. Giải thích.

a) Xác định chất oxi hóa, khử để biết các quá trình trong quá trình điện phân.

b) Khi không có màng ngăn khí Cl₂ dịch chuyển sang cực dương hòa tan trong dung dịch NaOH.

a) Quá trình oxi hóa xảy ra ở điện cực âm: 2H₂O (l) + 2e \( \to \) H₂(g) + 2 OH^- (aq)

Quá trình khử xảy ra ở điện dương: 2Cl^- (aq) \( \to \) Cl₂(g) + 2e

b) NaOH sinh ra ở cathode sẽ phản ứng với khí Cl₂ sinh ra ở anode theo phương trình hóa học:

2NaOH(aq) + Cl₂(aq) \( \to \) NaOCl(aq) + NaCl (aq) + H₂O (l)

Do đó không thu được NaOH mà thu được NaOCl.

Câu hỏi trang 85 Vận dụng

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

Dựa vào kiến thức tìm hiểu trên sách, báo, internet

Ứng dụng của Javel: làm chất tẩy rửa, tẩy màu, xử lý nước thải, hồ bơi,….

Thí nghiệm để chứng minh dung dịch nước Javel có tính tẩy màu:

Hòa tan dung dịch nước Javel vào nước, sau đó đổ từ từ dung dịch nước Javel vào dung dịch CuSO₄ (dung dịch màu xanh lam). Sau một thời gian, dung dịch màu xanh lam mất dần, có xuất hiện kết tủa dưới ống nghiệm.

Câu hỏi trang 85 Câu hỏi 2

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

2H₂O \( \to \) O₂ + 4H⁺ + 4e

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

Thí nghiệm 2 có kim loại đồng bám vào điện cực, và có bọt khí xuất hiện ở điện cương dương.

Quá trình xảy ra ở 2 điện cực:

Cực âm: Cu²⁺ +2e \( \to \)Cu

Cực dương: 2H₂O \( \to \) O₂ + 4H⁺ + 4e

Phương trình hóa học của phản ứng điện phân:

CuSO₄ + H₂O \( \to \) Cu + H₂SO₄ + ½ O₂

Sản phẩm thu được là: Cu, H₂SO₄ và O₂

Câu hỏi trang 85 Luyện tập

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

Ở cực âm, các chất có tính oxi mạnh sẽ điện phân trước.

Thứ tự điện phân: Cu²⁺ , H⁺, Fe²⁺

Câu hỏi trang 86 Vận dụng 1

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

Dựa vào quá trình điện phân nóng chảy AlCl₃

Các phản ứng điện phân tại các điện cực khi điện phân AlCl₃ nóng chảy là:

Ở cực âm xảy ra sự khử ion Al³⁺

Al³⁺ + 3e\( \to \) Al

Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa ion Cl^-

2Cl^- \( \to \) Cl₂ + 2e

Phương trình hóa học của phản ứng điện phân

2AlCl₃ \( \to \) 2Al + 3Cl₂

Tuy nhiên, nhôm bốc cháy trực tiếp trong khí Cl₂ nên khi sản xuất nhôm người ta không dùng AlCl₃

Câu hỏi trang 86 Vận dụng 2

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.

Dựa vào các quá trình điện phân Al₂O₃

Khi điện phân Al₂O₃ nóng chảy xảy ra quá trình điện phân như sau:

Ở cực âm xảy ra sự khử ion Al³⁺:

Al³⁺ + 3e \( \to \) Al

Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa ion O^2-:

O^2- \( \to \)1/2 O₂ + 3O₂

Điện cực than chì ở cực dương bị hao mòn nhanh hơn do khí O₂ tác dụng với C trong điện cực.

Câu hỏi trang 87

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.

Dựa vào ứng dụng của điện phân trong thực tiễn

Trong thực tế, sử dụng mạ điện với mục đích bảo vệ như mạ vỏ tàu, mạ đồng hồ.

Ngoài ra, sử dụng mạ điện với mục đích trang trí như: ấm trà mạ bạc, vòi nước mạ chromium.

Câu hỏi trang 88 Bài tập 1

Chọn những phát biểu đúng:

(a) Phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là tự diễn biến, trong bình điện phân là không tự diễn biến.

(b) Phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là không tự diễn biến, trong bình điện phân là tự diễn biến.

(c) Cực dương của bình điện phân được gọi là anode, của pin điện hóa được gọi là cathode.

(d) Cực dương của bình điện phân được gọi là cathode, của pin điện hóa được gọi là anode.

Dựa vào kiến thức về pin điện hóa và điện phân

(a) đúng

(b) sai, phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là tự diễn biến, trong bình điện phân không tự diễn

(c) đúng

(d) sai, cực dương của bình điện phân được gọi là anode, của pin điện hóa là cathode

Câu hỏi trang 88 Bài tập 2

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

a) Giải thích vì sao thực tế thành phần thể tích khí bay ra ở cực dương gồm CO (30% - 50%) và CO₂ (50% - 70%) mà không phải là O₂

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.

Dựa vào các quá trình điện phân Al₂O₃

Khi điện phân Al₂O₃ nóng chảy xảy ra quá trình điện phân như sau:

Ở cực âm xảy ra sự khử ion Al³⁺:

Al³⁺ + 3e \( \to \) Al

Ở cực dương xảy ra sự oxi hóa ion O^2-:

O^2- \( \to \)1/2 O₂ + 2e

a) Điện cực than chì ở cực dương bị hao mòn nhanh hơn do khí O₂ tác dụng với C trong điện cực. Nên sản phẩm ở cực dương không thu được O2 mà thu được CO và CO₂.

b) Đổi 1 tấn = 1000kg

n Al = \(\frac{{1000}}{{27}}k.mol\)

Phương trình phản ứng điện phân là:

2Al₂O₃ \( \to \) 4Al + 3O₂

\(\frac{{1000}}{{27}}\)\( \to \) \(\frac{{250}}{9}k.mol\)

Vì thành phần khí bay ra ở cực dương gồm 50% CO và 50% CO₂ về thể tích, nên n _CO2 = n _CO.

Gọi số mol CO₂ và CO là a (mol)

O₂ + 2C \( \to \) 2CO

\(\frac{a}{2}\) \( \leftarrow \) a

O₂ + C \( \to \) CO₂

a \( \leftarrow \) a

n _O2 = \(\frac{a}{2}\)+ a = \(\frac{3}{2}a\)= \(\frac{{250}}{9}\)=> a = \(\frac{{500}}{{27}}\)k.mol

n điện cực = n _CO2 + n _CO = \(\frac{{500}}{{27}}\)+ \(\frac{{500}}{{27}}\)k.mol

Khối lượng điện cực than chì bị tiêu hao là: \(\frac{{500}}{{27}}\).2.12 = 444,44kg = 0,44 tấn