o NGUYEN HOANH TH - Cc rc oc Cc ~- £. “ TOẦN Nón £ © eats UTS | y « ey 7 se aati een UAT BAN DAI HOG auée cin va "4 NGUYÊN HOÀNH THỊ PHƯƠNG PHÁP MỚI Giai TOAN HOA CHUYEN DE DIEN PHAN Luyén thi dai hoc (Tai ban lần thứ ba có sửa chữa và bố sung) CC /ZƑT1 NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NOI DUNG Phần một Hướng dẫn chung. 7 Phan hai Bài tập để nắm vững lý thuyét. 27 Phan ba Đáp án bài tap để nắm vững lý ChuyẾt.- c2 ccSccssc2 37 Phần bốn Phần bài tập nâng cao.
74 Phán năm Lời giải phần bài tập nâng cao. 106 Phan sau Một số đề thi về điện phân vào các Trường đại học và cao đẳng năm 1999 — 2000 va 2000 — 2001. 201 Phan bay Lời giải các đề thi về dién phan. 210 Loi gibi thiệu K ién thuc dién phan la mét mang quan trong trong chương trình hoá học phổ thông.
Ở đó các em học sinh có điều biện tìm hiểu những quy luật uề các quá trình ôxi hoá - khử xảy ra trong những điều biện đặc biệt : sự trao đối electron tiến hành trên bề mặt phân chia giữa uật thể rắn uà uật thể lỏng dưới những điện áp xác định; sự biến đổi điện năng thành hoá năng theo những tỷ lệ định lượng xác định nghiêm ngặt; khả năng ôxi hoá- khử của các chất anh hưởng quyết định đến thứ tự uà tiến trình phản ứng. Nếu tìm hiểu sâu hơn, các em học sinh có thể phát hiện nhiều điều “ bất thường”, gợi mở những tư duy sâu sắc uề tính phức tạp của quá trình hoá học trên bề mặt điện cực gắn liền uới lớp uỏ hiđrat của ion, sự tao mam của bọt bhí uà tỉnh thể,. Về phương diện xử lý toán học các bài toán điện phân cũng có nhiều bhía cạnh lý thú. Cuốn sách ” Chuyên đề điện phân " của nhà giáo Nguyễn Hoành Thi là một tài liệu quý giúp cho học sinh phổ thông trung hoc tim hiểu sâu hơn lĩnh uực điện phân.
Đặc biệt quý là phần bài tập nâng cao. Đó là công sức sưu tập uà sáng tạo cua tác giả đóng góp cho bho tùng tài liệu giáo khoa hoá học phổ thông của Việt Nam. Trong giới giáo uiên hoá học uà học sinh phổ thông trung học ở Hà Nội uà nhiều tỉnh trên miền Bắc, tên tuổi của nhà giáo Nguyễn Hoành Thi khong phai la xa lạ. Hơn nữa nhò giáo Nguyễn Hoành Thì đã nhiều năm làm công tác giảng dạy uà nghiên cứu trong lĩnh uực hoá học phân tích có liên quan nhiều đến phương pháp điện phân, đã từng có những công trình nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học của Mỹ uà các nước phương Tây, được giới khoa học trong nước chú ý.
Vì thế cuốn sách còn thể hiện những hình nghiém va tu duy khoa học độc đáo của tác giả. Vốn là bạn đồng nghiệp có quan hệ tâm giao lâu năm uới tác giả, tôi rất hiểu uà quý trọng khỏủ năng lao động sáng tạo uà tư duy độc đáo của tác giả, một nhà giáo tâm huyết uới nghề. Tôi trân trọng giới thiệu cuốn sách "Chuyên đề điện phân" uới các bạn đọc trẻ tuổi đang nỗ lực chuẩn bị bước uào cổng trường đại học. Chúc các bạn đạt được ước mở cao dep của mình.
Hà Nội, tháng 11 năm 1999 Nguyễn Đình Chi Nhà giáo ưu tú Phan một HƯỚNG DAN CHUNG A. BAN CHAT DIEN PHAN Điện phân là dùng điện năng để thực hiện đồng thời quá trình khử trên trên bề mặt catốt (cực âm) và quá trình ôxy hoá trên bề mặt anốt (cực dương), khi nhúng hai cực vào môi trường điện phân. Ví dụ 1: Điện phân muối BaCl; nóng chảy BaCl, —%4 » Ba®* + 2 Cl Catốt (-): xảy ra quá trình khử Ba” thành Ba Ba” + 2e ——> Ba Anếốt (+): xảy ra quá trình ôxy hoá Cl thanh Cl, #ÖFY -5e ——>» OLT Phương trình điện phân chung cho cả hai cực BaCl, —ĐPX€› Bạ + Cl, t Vi du 2: Dién phan dung dich CuSO, với điện cực trơ H,O == H*+ OH” CuSO, ——> Cu” + SO,” Catốt (-): Cu”, H' Gu” + 2e ———+ Cu Hét Cu” thi: 2H'+ 2e ——> H,† Anét (+): OH’, SO,”. Chỉ OH“ được điện phân 20H -3e —› H,O +2 O,7 Phương trình điện phân chung cho cả 2 cực: CuSO, + H,O —22-5 Cu + O,† + H,SO, Vậy bản chất của điện phân là thực hiện quá trình ôxy hoá khử trên hai cực, nhưng khác với phản ứng ôxyhoá khử thông thường ở chỗ : - Phản ứng không tự xảy ra, mà nhờ điện năng (năng lượng cung cấp thường bởi nguồn điện một chiều).
- Các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp trao đổi điện tử cho nhau mà phải truyền điện tử qua dây dẫn. CAC TRUONG HOP DIEN PHAN 1. Điện phân chất nóng chảy Phương pháp điện phân chất nóng chảy chỉ áp dụng điều chế các kim loại hoạt động rất mạnh, đó là các kim loại kiểm (Na, K.), các kim loại phân nhóm chính nhóm 2 (Mg, Ca, Ba,. a) Dién phan 6xit néng chay: chi 4p dung điều ché Al.
Al,O; là chất khó nóng chảy, nên để giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng độ dẫn điện, người ta phải thêm vào Al;O; một lượng thích hợpNa;AIF, (er1ôl). - Điện cực dùng điện phân Al,O; làm bằng graphit (than chì) nên bị khí anốt ăn mòn, do đó phải liên tục bổ sung ALO, —22es#» Al*+ AlO,* Catot (-): 2Al* + 6e ——> 2Al Anét (4): 2A1O;” - 66 ——> Al,O; + 3O* 20* 4, 0,7 C(dién cuc ) + O* ——> COT CŒ+90* ——› CO,† Phương trình điện phân chung cho cả 2 cực là : Al,O; + 3C —“®°`› 2AI + 3COT† (1) 2A1,0, + 8C —®*“; 4AI + 3CO,† (3) Al,O, —ĐPNG, 2A] + + 0,7 (3) Anét graphít mòn dần là do (1) và (2). Khí anốt sinh ra thường là hỗn hợp các khí CO, CO,, Os. Chú ý : Khi không xét tới sự ăn mòn anốt, không xét tới thành phần khí anốt sinh ra, để đơn giản, người ta chỉ viết phương trình điện phân Al;O; nóng chảy theo (3).
b) Điện phân hidrôxít nóng chảy Phương pháp này chỉ áp dụng điều chế kim loại kiểm, vì hiđrôxít kim loại kiểm rất dễ nóng chảy, không bị nhiệt phân, có độ dẫn điện cao. Ví dụ : NaOH(nóng chảy) ——> Na" + OH™ Catốt (-): 2Na*+2e ——>» 2Na Anét (+): 20H--2e —> 5 ont +H,O† Phương trình điện phân tổng quát 10 3NaOH —PPSS, 2Na + 50:1 +H,O* c) Điện phân muối CÌ' nóng chủy Phương pháp này dùng điều chế kim loại kiểm (Na, K,.), cac kim loại phân nhóm chính nhóm 2 (Mg, Ca, Ba,.) Ví dụ 1 : Điện phân muối NaCl nóng chảy NaCl (néng chay ) ——> Na*+ CI Catốt (-): 2Na'+2e ——> 2Na Anét (+): 2CI-2e ——> CI,† Phương trình điện phân tổng quát 2NaCl —”®©`› 2Na + CI,† Ví dụ 2 : Điện phân muối MgCl, nong chảy MgCl, (néng chay ) ——> Mg* + 2Cl” Catét (-): Mg” + 2e ——>» Mg Anết (+): 2CI-2e ——> CI,† Phương trình điện phân tổng quát MgCl, —2PXS_, Mg + Cl,t 2. Dién phan dung dich Trong điện phân dung dịch, nước có vai tro đặc biệt, trước hết nó là môi trường để các cation va anion di chuyển về 2 cực; không ít trường hợp H,O tham gia 11 trực tiếp vào quá trình điện phân. hoặc bị khử trên catốt thành H;, (2H' + 2e = H,† ), hoặc bị ôxihoá trên anốt thànhO, (2OH--9e= s04 +H,O).
H;O nguyên chất không bị điện phân vì điện trở quá lớn, dòng điện đi qua xem như bằng không. Muốn điện phân H,O thì phải hoà tan thêm các chất điện ly mạnh như H,SO,, NaOH, Na,SO,. để làm tăng độ dẫn điện ( xúc tác điện phân ) H,O 20, HT + O,† như vậy, ngoài các cation va anion cua chat bị điện phân, có thể H*, OH' của nước và chính kim loại làm cực cũng tham gia vào các quá trình ôxyhoá khử trên 2 điện cực. Thứ tự các cation bị khử trên catốt và anion bị ôxyhoá trên anốt phụ thuộc cường độ ôxyhoá khử của chúng, được đặc trưng bởi đại lượng gọi là " ¿hế điện + 2 A - Z tA ` E a >.
hoá của một cặp", ký hiệu là “4° ‘AO do bang don vi (kh) von. Ag, va Agu 1a dạng ôxyhoá (nhận e') và dạng khử (cho e') cua A theo: A (ôx) te E==` 'Đạii E°. = 0,771 vôn, nu, = 0,337 vôn. Fe Cu 12 he Kk Trong 2 cap nay wf o> 4 xã nên trên bề mặt catốt.
Fe”' được ưu tiên khử trước thành Fe”, sau đó mới đến Cu”' thành Cu. Ax) An có giá trị càng cao thì dạng ôxyhoá có (kh) tính ôxyhoá càng mạnh và dạng khử có tính khử càng yếu, tức là dạng ôxyhoá càng được ưu tiên khử trước. Ngược lại, TH. có giá trị càng thấp thì dạng khử (kh) có tính khử càng mạnh, tức là càng được ưu tiên ôxyhoá trước.
By i ig ~ Giá trị của ^® A phụ thuộc nhiều yếu (kh) tố như: nồng độ của A¿„ và Aa„, trong dung dich, nồng độ H", nhiệt độ, dung môi, tính chất bề mặt của điện cực ,. Nếu trong một dung dịch, nông độ của dạng ôxyhoá và của dạng khử bằng nhau và bằng IM thì thế điện hoá đo được có tên là “Thế điện hoá tiêu chuẩn” và ký hiệu là TH 0. Bary _ Nhu vay, trong thuc té dién phan, do néng dé thay đổi, tính chất bể mặt điện cực thay đối,. mà thứ tự bị khử hay bị ôxyhoá trên 2 cực có thể thay đôi so với dự toán E”.
13 Có thể áp dụng quy tắc kinh nghiệm sau: a) Su khu catét : - Các kim loại từ AI trở về phía đầu trong dãy thế điện hoá thì các cation của chúng thực tế không bị khử khi điện phân dung dịch. - Các kim loại sau Al, càng đứng cuối trong dãy thế điện hoá thì càng được ưu tiên khử trước thành kim loại. - Riêng hiđrô, tuy đứng sau Ni, Fe,. nhưng H" khó bị khử hơn Ni”, P*$*, Fe?*,.
Để giải thích tính chất đặc biệt đó, nhiều người cho rằng, H" tôn tại trong dung dịch dưới dạng HạO”, mà quá trình khử HạO' trong dung dịch xảy ra qua nhiều giai đoạn phức tạp, đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng lớn hơn nhiều so với mức bình thường.“ b) Sự ôxy hoá ở nốt : - Dễ bị ôxy hoá nhất chính là các kim loại (2n, Fe, N¡,Cu,. Khi điện phân dung dịch, kim loại làm anốt (trừ Pt) bị ôxy hoá tan vào dung dịch theo sơ đồ. M(anét) - ne > M™ ( dung dich ) do đó anốt bị mòn dần. Anốt trực tiếp tham gia vào quá trình điện phân, bị mòn dần, gọi là œnốf hoạt động.