Nguyên lý điện phân: Dung dịch CuCl₂ và dung dịch NaCl bão hòa

Phương trình / Quy luật áp dụng: Bình điện phân: Điện năng → Hóa năng (Phản ứng điện cực · Vật liệu điện cực · Dẫn điện bằng ion · Dẫn điện bằng electron)

Giải thích chuẩn SGK: Bình điện phân là thiết bị chuyển hóa trực tiếp điện năng thành hóa năng: cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li để gây ra phản ứng oxi hóa - khử tại anode và cathode.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm ôn tập: Cấu tạo bình điện phân (phản ứng điện cực, vật liệu điện cực, vật dẫn ion, vật dẫn electron); chiều chuyển hóa năng lượng của bình điện phân so với pin điện hóa.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Cu²⁺ + 2Cl⁻ =điện phân= Cu + Cl₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Khi có dòng điện đi qua, dung dịch CuCl₂ xảy ra phản ứng oxi hóa ở anode và phản ứng khử ở cathode tạo thành Cu và Cl₂: tại anode 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂↑ (sự oxi hóa), tại cathode Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu (sự khử), phương trình tổng cộng Cu²⁺ + 2Cl⁻ =điện phân= Cu + Cl₂↑.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Quá trình ở các điện cực và phương trình điện phân dung dịch CuCl₂; mô tả hiện tượng và cách nhận biết khí thoát ra ở anode.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Q = I·t ｜ m(Cu) = Q·M/(2F)

Giải thích chuẩn SGK: Điện lượng đi qua bình Q = I·t quyết định lượng sản phẩm: cứ 2 mol electron trao đổi sẽ kết tủa 1 mol Cu ở cathode và giải phóng 1 mol Cl₂ ở anode.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Bài toán tính lượng chất điện phân (Điện lượng Q → Khối lượng / Thể tích sản phẩm); tỉ lệ số mol sản phẩm ở hai cực; giải thích tại sao màu dung dịch ít thay đổi. Thể tích khí tính ở 25 ℃ (Vm = 24.5 L/mol; ở đkc 25 ℃, 1 bar là 24.79 L/mol, ở đktc 0 ℃, 1 atm là 22.4 L/mol).

Phương trình / Quy luật áp dụng: Anion → Anode ｜ Cation → Cathode (Electron chỉ đi ở mạch ngoài)

Giải thích chuẩn SGK: Khi có dòng điện đi qua, các ion đang chuyển động tự do chuyển sang chuyển động có hướng: anion di chuyển về anode, cation di chuyển về cathode; electron ở mạch ngoài đi từ cực âm của nguồn điện đến cathode, không đi vào dung dịch.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Vẽ sơ đồ nguyên lý bình điện phân; phân biệt chiều dòng electron ở mạch ngoài với chiều di chuyển của các ion trong dung dịch.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2Cl⁻ + 2H₂O =điện phân= Cl₂↑ + H₂↑ + 2OH⁻

Giải thích chuẩn SGK: Ở anode Cl⁻ dễ nhường electron hơn OH⁻ (H₂O), ở cathode H⁺ (H₂O) dễ nhận electron hơn Na⁺, nên sản phẩm thu được là Cl₂, H₂ và NaOH: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂↑, 2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻, phương trình tổng cộng 2Cl⁻ + 2H₂O =điện phân= Cl₂↑ + H₂↑ + 2OH⁻.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Bán phản ứng ở hai cực, phương trình điện phân và sản phẩm khi điện phân dung dịch NaCl bão hòa; giải thích tại sao cathode không sinh ra Na và anode không sinh ra O₂.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻ (Vùng cathode có môi trường kiềm)

Giải thích chuẩn SGK: Ở cathode, H₂O nhận electron theo bán phản ứng: 2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻; ion OH⁻ sinh ra ở vùng cathode làm dung dịch có tính kiềm và làm phenolphthalein hóa đỏ. Trong hệ CuCl₂, ion Cu²⁺ nhận electron trước nên không sinh ra OH⁻ và phenolphthalein không đổi màu.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Tại sao bán phản ứng ở cathode viết là 2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻; hiện tượng phenolphthalein hóa đỏ ở vùng cathode chứng minh điều gì.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Anode: Cl⁻ phóng điện trước ｜ Cathode: H⁺ (H₂O) phóng điện trước → Còn lại NaOH

Giải thích chuẩn SGK: Thứ tự điện phân được quyết định bởi khả năng nhường / nhận electron: ở anode Cl⁻ dễ nhường electron hơn OH⁻ (H₂O), ở cathode H⁺ (H₂O) dễ nhận electron hơn Na⁺; Na⁺ và OH⁻ còn lại tạo thành NaOH trong dung dịch.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Thứ tự điện phân (ở anode: S²⁻ > I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > OH⁻/H₂O > gốc acid có oxi; ở cathode: Ag⁺ > Cu²⁺ > … > H⁺/H₂O > Na⁺); vai trò của màng ngăn trong công nghiệp clo - kiềm.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Cu − 2e⁻ = Cu²⁺ (Anode tan / Điện cực hoạt động)

Giải thích chuẩn SGK: Khi anode là kim loại hoạt động (Cu), bản thân kim loại làm anode dễ nhường electron hơn Cl⁻: Cu − 2e⁻ = Cu²⁺ (anode tan), còn ở cathode vẫn là Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu; kết quả tổng cộng là đồng được "chuyển" từ anode sang cathode — đây chính là nguyên lý mạ điện và tinh luyện đồng bằng phương pháp điện phân, giữ cho nồng độ Cu²⁺ trong dung dịch không đổi.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: Phân biệt điện cực trơ và điện cực tan; cách chọn anode, cathode và dung dịch điện li khi mạ điện / tinh luyện đồng; tại sao nồng độ dung dịch không đổi khi mạ điện.

Phương trình / Quy luật áp dụng: m(Cu) = Q·M/(2F) → Q ≈ 91.1 C

Giải thích chuẩn SGK: Tổng kết khảo sát: Lượng sản phẩm chỉ phụ thuộc vào điện lượng Q — m(Cu) = Q·M/(2F), nên các cặp (0.20 A, 450 s), (0.50 A, 180 s), (0.10 A, 900 s), (0.30 A, 300 s) đều cho cùng kết quả miễn là điện lượng nằm trong khoảng 89.6–92.6 C (Q = 90 C): dòng điện lớn trong thời gian ngắn và dòng điện nhỏ trong thời gian dài tạo ra lượng sản phẩm bằng nhau.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Cấu trúc trả lời điểm tối đa: Viết bán phản ứng ở cathode Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu → Từ m = Q·M/(2F) tính ngược ra Q → Từ Q = I·t chọn cặp (I, t) và giải thích vì sao "dòng lớn thời gian ngắn" tương đương với "dòng nhỏ thời gian dài".

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Anode nối với cực dương của nguồn điện, xảy ra phản ứng oxi hóa. Theo quy ước điện hóa: điện cực nơi xảy ra phản ứng oxi hóa là anode, nơi xảy ra phản ứng khử là cathode; trong bình điện phân, anode nối với cực dương của nguồn điện một chiều, còn cathode nối với cực âm. Ở Bước 2: anode (nhánh phải, nối cực dương) thoát khí Cl₂, cathode (nhánh trái, nối cực âm) kết tủa Cu.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Electron chỉ chạy ở mạch ngoài từ cực âm nguồn điện đến cathode; trong dung dịch anion di chuyển về anode, cation di chuyển về cathode. Trong quá trình điện phân: electron chỉ di chuyển ở dây dẫn mạch ngoài (từ cực âm nguồn điện đến cathode, và từ anode về cực dương nguồn điện), còn trong dung dịch dẫn điện nhờ sự di chuyển có hướng của các ion — anion về anode, cation về cathode.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Cathode kết tủa đồng (Cu), anode thoát khí chlorine (Cl₂). Tại anode: 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂↑, tại cathode: Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu, phương trình điện phân: Cu²⁺ + 2Cl⁻ =điện phân= Cu + Cl₂↑. Trong điều kiện thí nghiệm này, H₂O không tham gia điện phân nên cathode không thoát H₂ và anode không thoát O₂. Giấy thử KI - hồ tinh bột ẩm hóa xanh chứng minh sự có mặt của khí Cl₂.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Cathode thoát khí H₂ và tạo ra OH⁻, anode thoát khí Cl₂. Ở anode, ion Cl⁻ dễ nhường electron hơn H₂O nên Cl⁻ bị oxi hóa thành khí Cl₂; ở cathode, H₂O dễ nhận electron hơn ion Na⁺ nên H₂O bị khử tạo thành khí H₂ và ion OH⁻: 2H₂O + 2e⁻ = H₂↑ + 2OH⁻. Ion OH⁻ cùng với Na⁺ tạo thành NaOH trong dung dịch. Thể tích khí ở hai cực bằng nhau (15.2 mL : 15.2 mL = 1 : 1) và vùng cathode làm phenolphthalein hóa đỏ.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Khoảng 40 mg. Ta có Q = I·t = 0.20 × 600 = 120 C; khối lượng đồng m = Q·M/(2F) = 120 × 63.55 / (2 × 96485.33) = 0.0395 g ≈ 39.5 mg (xấp xỉ 40 mg). Khi tăng gấp đôi cường độ dòng điện hoặc thời gian thì khối lượng sản phẩm cũng tăng gấp đôi.