Giải SGK Hóa 12 Chân trời sáng tạo Bài 13: Điện phân

Mở đầu: Pin điện hoá hoạt động dựa trên các phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra trong pin (hoá năng chuyển thành điện năng). Tuy nhiên, một số phản ứng oxi hoá – khử chỉ có thể xảy ra nhờ năng lượng dòng điện, được gọi là phản ứng điện phân (điện năng chuyển thành hoá năng). Khi điện phân, các quá trình trên bề mặt điện cực xảy ra theo nguyên tắc nào? Điện phân có ứng dụng gì trong đời sống, sản xuất?

Lời giải:

- Nguyên tắc điện phân:

+ Nguyên tắc điện phân nóng chảy:

• Tại cathode (điện cực âm): xảy ra quá trình khử ion dương.

• Tại anode (điện cực dương): xảy ra quá trình oxi hoá ion âm.

+ Nguyên tắc điện phân dung dịch: ở cathode, ưu tiên điện phân chất có tính oxi hoá mạnh hơn; ở anode, ưu tiên điện phân chất có tính khử mạnh hơn.

- Ứng dụng: điều chế, tinh chế một số kim loại, mạ điện,...

1. Điện phân nóng chảy, điện phân dung dịch

Thảo luận 1: Xác định sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khi điện phân NaCl nóng chảy.

Lời giải:

Quá trình xảy ra ở mỗi điện cực:

Cực dương (anode): $2C{l}^{-}\to C{l}_2+2e$

Cực âm (cathode): $N{a}^{+}+1e\to Na.$

Như vậy, khi điện phân NaCl nóng chảy ở cực dương thu được khí Cl2 và ở cực âm thu được kim loại Na.

Luyện tập: Viết phương trình hoá học của quá trình điện phân nóng chảy các chất: MgCl2, Al2O3.

Lời giải:

Phương trình hoá học:

$MgC{l}_2\stackrel{đpnc}{\to }Mg+C{l}_2$

$2A{l}_2{O}_3\stackrel{đpnc}{\to }4Al+3O_2$

Thảo luận 2: Tiến hành Thí nghiệm 1 và nêu hiện tượng quan sát được.

Lời giải:

- Hiện tượng quan sát được: có hiện tượng sủi bọt khí, Cu màu đỏ bám vào điện cực. 

Thảo luận 3: Cho biết khi điện phân dung dịch CuSO4, ion Cu2+ và $S{O}_4^{2-}$  di chuyển về điện cực nào.

Lời giải:

Thảo luận 4: Xác định sản phẩm sinh ra ở điện cực khi điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực trơ.

Lời giải:

- Ở cathode, sản phẩm sinh ra là Cu; ở anode, sản phẩm sinh ra là O2 và H+.

Thảo luận 5: Tiến hành Thí nghiệm 2 và nêu hiện tượng xảy ra. Giải thích.

Lời giải:

Luyện tập: Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và phương trình hoá học của phản ứng điện phân khi điện phân dung dịch AgNO3; CuCl2 với điện cực graphite.

Lời giải:

* Điện phân dung dịch AgNO3:

Tại anode (cực dương): $2H_{2}O\to O_2+4H^{+}+4e$

Tại cathode (cực âm): $A{g}^{+}+1e\to Ag$

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

$4AgN{O}_3+2H_{2}O\stackrel{đpdd}{\to }4Ag+O_2+4HN{O}_3$

* Điện phân dung dịch CuCl2:

Tại anode (cực dương): $2C{l}^{-}\to C{l}_2+2e$

Tại cathode (cực âm): $C{u}^{2+}+2e\to Cu$

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

$CuC{l}_2\stackrel{đpdd}{\to }Cu+C{l}_2$

${}_{\mathrm{2.\; Ứng\; dụng}}$

Thảo luận 6: Em hãy tìm hiểu và nêu một số ứng dụng của phương pháp điện phân trong thực tiễn.

Lời giải:

- Sản xuất kim loại: Trong công nghiệp, các kim loại mạnh (Na, K, Ca, Mg, Al,…) được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy, các kim loại yếu và trung bình được điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch.

- Tinh chế kim loại: các kim loại từ nguồn kim loại thô được tinh chế bằng phương pháp điện phân.

- Mạ điện: ion kim loại bị khử, tạo thành lớp kim loại rắn bao phủ trên bề mặt kim loại cần mạ nhằm trang trí bề mặt hoặc chống sự ăn mòn.

Bài tập

Bài tập 1: Điện phân CaCl2 nóng chảy, ở cathode xảy ra quá trình nào?

A. Oxi hoá ion Ca2+.

B. Khử ion Ca2+.

C. Oxi hoá ion Cl−.

D. Khử ion Cl−.

Đáp án: B

Cực âm (cathode): $C{a}^{2+}+2e\to Ca.$

Như vậy, ở cực âm xảy ra sự khử ion Ca2+.

Bài tập 2: Điện phân dung dịch Cu(NO3)2 với điện cực trơ, ở anode xảy ra quá trình nào?

Đáp án: A

Tại anode (cực dương): $H_{2}O\to \frac{1}{2}{O}_2+2H^{+}+2e.$

Bài tập 3: Viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân khi điện phân KCl nóng chảy.

Lời giải:

Bài tập 4: Hãy đề xuất và trình bày cách mạ đồng (Cu) lên một đồ vật làm từ sắt (Fe) bằng phương pháp điện phân.

Lời giải:

Điện phân dung dịch CuSO4 với anode làm bằng đồng (Cu) và cathode bằng sắt (Fe).

- Ở anode: Cu → Cu2+ + 2e

- Ở cathode: Fe2+ + 2e → Fe

Kết quả của quá trình trên là anode tan và tạo Cu bám trên cathode.