Giải chi tiết Hóa học 12 KNTT bài 16 Điện phân

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Trong pin điện hóa, hóa năng được chuyển thành điện năng của dòng điện một chiều thông qua phản ứng oxi hóa – khử tự xảy ra. Ngược lại, trong bình điện phân, điện năng của dòng điện một chiều được sử dụng để thực hiện phản ứng oxi hóa – khử không tự xảy ra. Vậy quá trình điện phân tuân theo nguyên tắc nào và có ứng dụng gì trong sản xuất?

Bài làm chi tiết:

- Quá trình điện phân tuân theo nguyên tắc:

+ Tại anode, chất khử mạnh hơn bị oxi hoá trước.

+ Tại cathode, chất ion hoá mạnh hơn bị khử trước.

- Ứng dụng: quá trình điện phân được ứng dụng sản xuất kim loại, tinh chế kim loại và mạ điện. 

I. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN

Hoạt động nghiên cứu: 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 Cl₂ 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.

Bài làm chi tiết:

1. Phương trình phân li:

NaCl → Na⁺ + Cl^-

2. Ở anode (điện cực dương): 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Ở cathode (điện cực âm): Na⁺ + 1e → Na

3. Phương trình hoá học: 2NaCl  đpnc→  2Na + Cl₂↑

Câu hỏi 1: Xét thí nghiệm điện phân dung dịch (đpdd) CuCl₂ với điện cực trơ (như than chì).

Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hóa học của phản ứng điện phân.

Bài làm chi tiết:

Tại anode: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Tại cathode: Cu²⁺ → Cu + 2e

PTHH: CuCl₂  đpdd→  Cu + Cl₂↑

Thí nghiệm: Thí nghiệm: Điện phân dung dịch CuSO₄

Chuẩn bị:

Hóa chất: dung dịch CuSO₄ 0,5M.

Dụng cụ: nguồn điện một chiều (3 – 6 vôn), ống thủy 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 CuSO₄ như Hình 16.2.

- Rót dung dịch CuSO₄ 0,5 M vào ống thủy 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.

Quan sát hiện tượng xảy ra ở mỗi điện cực và giải thích.

Bài làm chi tiết:

- Tại anode: xảy ra quá trình oxi hoá H₂O, có hiện tượng sủi bọt khí. PTHH:

2H₂O → O₂↑ + 4H⁺ + 4e

- Tại cathode: xảy ra quá trình khử Cu²⁺, có hiện tượng Cu màu đỏ bám vào điện cực. PTHH:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Hoạt động: Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ (graphite)

a) Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực, biết sản phẩm của quá trình điện phân có khí Cl₂ và H₂.

b) Viết phương trình hóa 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 hóa học nào?

Bài làm chi tiết:

a) Ở anode: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Ở cathode: H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

b) PTHH: NaCl + H₂O  đpdd→  NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

c) Sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau tạo ra phản ứng hoá học: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Thí nghiệm: Thí nghiệm: Thủy phân dung dịch NaCl (tự điều chế nước Javel để tẩy rửa)

Chuẩn bị:

Hóa chất: dung dịch NaCl bão hòa, cánh hoa hồng.

Dụng cụ: nguồn điện một chiều (3 – 6 vôn), cốc thủy 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 NaCl bão hòa 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 hồng vào cốc chứa khoảng 5 mL dung dịch sau điện phân

Quan sát hiện tượng quan sát 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?

Bài làm chi tiết:

1. Ở cực âm: quá trình oxi hoá xảy ra. PT: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

Ở cực dương: quá trình khử xảy ra. PT: H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

2. Khả năng tẩy màu của dung dịch sau điện phân có được do Cl₂ là chất oxy hoá mạnh, có thể tác động lên chất hữu cơ (như màu của cánh hoa hồng) và tẩy màu. Đồng thời, trong dung dịch cũng có NaOH có khả năng làm mất màu chất hữu cơ.

3. Nên dùng đắp nậy trong quá trình điện phân vì để ngăn chặn sự bay hơi của dung dịch và chất khí sản phẩm. Việc này giúp giữ cho quá trình điện phân diễn ra đúng và chất khí sinh ra có mùi xốc gây ảnh hưởng đến sức khoẻ, đậy nắp giúp đảm bảo an toàn khi làm thí nghiệm. 

II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

Câu hỏi 2: 

a) Liệt kê một số đồ vật được mạ kim loại và nêu tác dụng của việc mạ đó.

b) Kể tên một số kim loại được sản xuất bằng phương pháp điện phân.

Bài làm chi tiết:

a) Một số đồ vật được mạ kim loại: đồ trang sức, dây cáp điện, chảo, nồi, dây cáp ô tô, ống dẫn nước, thanh ray,… Tác dụng của việc mạ kim loại: tăng độ bền, chống sự ăn mòn và cải thiện tính thẩm mĩ.

b) Một số kim loại được sản xuất bằng phương pháp điện phân: nhôm, đồng, sắt, kẽm, bạc,…