Định luật điện phân Faraday

Định luật điện phân Faraday là một định luật điện phân cơ bản do Michael Faraday đưa ra năm 1833 được VnDoc sưu tầm và đăng tải. Mời các bạn cùng theo dõi bài viết

1. Phát biểu định luật Faraday

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất.

2. Công thức Faraday

\(m = \frac{{A.I.t}}{{n.F}}\)

Trong đó:

m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực

n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

I: cường độ dòng điện (A)

t: thời gian điện phân (s)

F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10^-19.6,022.10²³ ≈ 96500 C.mol-1)

3. Biểu thức liên hệ

Q = I.t = 96500.ne =>_{\({n_e} = \frac{{I.t}}{F}\)} (ne là số mol electron trao đổi ở điện cực)

4. Ví dụ về định luật Faraday

Đáp án hướng dẫn giải chi tiết

Vì thu được dung dịch pH = 12 

→ [H⁺] = 10^-12

→ [OH-] = 10^-2M

→ n_NaOH = 10^-2.0,1 = 0,001 mol

Tại cathode: 2H₂O → 2OH^- + 2H₂ + 2e

                                  0,001→ 0,001

Áp dụng định luật Faraday: n.F = I.t

\(t =\frac{0,001.96500}{1,93} =50s\)

Đáp án hướng dẫn giải chi tiết

Sơ đồ biểu diễn quá trình điện phân dung dịch CuSO₄

Cu²⁺, H₂O, SO₄^2-, H₂O

Cathode (-) Cu2+, H2O	Anode (+) SO42-, H2O
Cu2+ + 2e → Cu	2H2O → 4H+ + O2- + 4e

2H₂O + 2e → H₂ + OH^-

Áp dụng định luật Faraday

\(m_{Cu} = \frac{AIt}{nF} = 1,28 gam\Rightarrow \frac{1}{F} .It=\frac{1,28.2}{64} =0,04\)

\(m_{O_{2} } = \frac{A_{O} It}{n_{O} F} \Rightarrow \frac{0,04}{4} .24,79.1000=247,9mL\)

Đáp án hướng dẫn giải chi tiết

Cathode (-) Cu2+, H2O	Anode (+) SO42-, H2O
Cu2+ + 2e → Cu 2H2O + 2e → 2OH- + H2	2Cl- → Cl2 + 2e 2H2O → 4H+ + O2 + 4e

Trường hợp 1: Nếu chỉ xảy ra điện phân nước tại Cathode thì dung dịch thu được có OH 

OH^- + Al(OH)₃  → AlO₂^- + 2H₂O

0,12 ← 0,12 mol

Số mol khí thoát ra là nkhis = 0,11 = n_Cl2 + n_H2 → n_Cl2 = 0,11 - 0,12:2 = 0,05 mol

Bảo toàn electron có n_Cu²⁺ .2 + n_OH- = 2.n_Cl2 → n_Cu²⁺ < 0 loại

Trường hợp 2: Nếu chỉ xảy ra điện phân nước tại Anode thì dung dịch có chứa H⁺

3H⁺ + Al(OH)₃ → Al³⁺ + 3H₂O

→ n_H⁺ = 0,12.3 = 0,36 mol → n_O2 = 0,09 mol

n khí = n_O2 + n_Cl2 = 0,11 → n_Cl2 = 0,02 mol

Bảo toàn electron có 2n_Cl2 + 4n_O2 = 2n_Cu²⁺ → n_Cu²⁺ = 0,2 mol

Ban đầu có 0,2 mol CuSO₄ và 0,04 mol NaCl → m = 34,34 gam

5. Ứng dụng của phương pháp điện phân

5.1. Sản xuất kim loại

- Trong công nghiệp, một số kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch (đpdd).

- Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Al, ... được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy (đpnc) hợp chất ion của chúng.

5.2. Tinh chế kim loại

- Từ nguồn kim loại thô (kim loại phế liệu hoặc sau quá trình nhiệt luyện, thuỷ luyện), các kim loại như Zn, Ni, Co, Cu, Ag, Au, ... được tinh chế bằng phương pháp điện phân.

- Quá trình tinh chế được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch chất tan (muối hoặc phức chất) của kim loại đó với anode làm bằng kim loại thô tương ứng.

5.3. Mạ điện

- Phương pháp điện phân được sử dụng trong mạ điện, trong đó 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.

- Trong kĩ thuật mạ điện, các kim loại mạ thường là chromium, nickel, đồng, vàng, bạc, platinum, ...

- Bình mạ điện chứa dung dịch muối của kim loại mạ, vật cần mạ và thanh kim loại mạ.

6. Các bước giải bài điện phân

+ Bước 1: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân; xác định các ion ở mỗi
điện cực.

+ Bước 2: Viết các phương trình hóa học của các bán phản ứng (viết phương trình cho,
nhận e của các ion tại các điện cực); tính số e trao đổi ở mỗi điện cực (Nếu giả thiết cho cường
độ dòng điện và thời gian điện phân): ne (cho ở anot) = ne (nhận ở catot) = ne trao đổi tại điện cực.

+ Bước 3: Biểu diễn các đại lượng theo các bán phản ứng hoặc theo phương trình điện
phân chung.

+ Bước 4: Tính theo yêu cầu của bài toán.

+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron
thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh.

7. Bài tập vận dụng định luật Faraday

7.1. Trắc nghiệm đáp án nhiều lựa chọn

Câu 1. Điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ. Sau một thời gian, ở cathode thu được 2,56 g Cu và ở anode có V mL khí O₂ (25^oC, 1 bar) bay ra. Giá trị của V là

A. 495,8.

B. 124,0.

C. 247,9.

D. 743,7.

Câu 2. Phương trình hóa học nào sau đây biểu diễn quá trình điều chế kim loại bằng phương pháp điện phân dung dịch?

A. 2Al₂O₃→ 4Al + 3O₂.

B. 2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr.

C. Zn + CuSO₄→ ZnSO₄+ Cu.

D. CuCl₂ → Cu + Cl₂.

Câu 3. Trong công nghiệp, quá trình điện phân dung dịch NaCl bão hòa (điện cực trơ, có màng ngăn xốp) tạo ra khí nào sau đây ở cathode?

A. Hydrogen.

B. Chlorine.

C. Oxygen.

D. Hydrogen chloride.

Câu 4. Trong công nghiệp, quá trình điện phân dung dịch NaCl bão hòa (điện cực trơ, có màng ngăn xốp) tạo ra khí nào sau đây ở cathode?

A. Hydrogen.

B. Chlorine.

C. Oxygen.

D. Hydrogen chloride.

Câu 5. Khi điện phân dung dịch gồm NaCl 1 M và NaBr 1 M, quá trình oxi hóa đầu tiên xảy ra ở anode là

A. 2H₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e.

B. 2Cl^- → Cl₂ + 2e.

C. 2Br^-→ Br₂+ 2e.

D. Na → Na⁺ + 1e.

Câu 6. Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng graphite, ở anode xảy ra quá trình

A. 2H₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e.

B. 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e.

C. Cu²⁺+ 2e → Cu.

D. Cu → Cu²⁺ + 2e.

Câu 7. Khi điện phân dung dịch gồm Cu(NO₃)₂ 0,1 M và AgNO₃ 0,1 M, quá trình khử đầu tiên xảy ra ở cathode là

A. Ag⁺+ 1e → Ag.

B. Cu²⁺ + 2e → Cu.

C. 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-.

D. 2H⁺+ 2e → H₂.

Câu 8. Việc duy trì điện áp thấp (⁓ 5 V) trong quá trình điện phân nóng chảy Al₂O₃ trong 3NaF. AlF₃ nhằm ngăn cản quá trình nào sau đây xảy ra ở cathode?

A. Al³⁺+ 3e → Al.

B. Na⁺ + 1e → Na.

C. F₂+ 2e → 2F^-.

D. O₂ + 4e → O^2-.

...

7.2. Trắc nghiệm Đúng – Sai

Câu 1. Điện phân dung dịch MSO₄ (M là kim loại) với điện cực trơ, cường độ dòng điện không đổi. Sau thời gian t giây, thu được a mol khí ở anode. Nếu thời gian điện phân là 2t giây thì tổng số mol khí thu được ở cả hai điện cực là 2,5a mol. Giả sử hiệu suất điện phân là 100%, khí sinh ra không tan trong nước.

a) Tại thời điểm 2t giây, có bọt khí ở cathode.

b) Tại thời điểm t giây, ion M²⁺chưa bị điện phân hết.

c) Dung dịch sau điện phân có pH < 7.

d) Khi thu được 1,8a mol khí ở anode thì vẫn chưa xuất hiện bọt khí ở cathode.

Câu 2. Trong quá trình điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng đồng.

a) Ở anode xảy ra quá trình oxi hóa nước.

b) Khối lượng anode không thay đổi.

c) Nồng độ CuSO₄trong dung dịch giảm dần.

d) Khối lượng cathode tăng.

....

7.3. Câu hỏi trả lời ngắn

Câu 1. Để mạ 5,0 g bạc lên một đĩa sắt khi điện phân dung dịch chứa [Ag(NH₃)₂]⁺ với dòng điện có cường độ 1,5 A không đổi cần thời gian t phút.

Cho biết:

- Quá trình khử tại cathode: [Ag(NH₃)₂]⁺ + 1e → Ag + 2NH₃.

- Điện lượng q = It = n_e. F, F = 96 500 C/mol.

Giá trị của t là bao nhiêu? (Làm trong kết quả đến phần mười).

Câu 2. Tiến hành điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng đồng. Để hòa tan 100 g đồng ở anode trong 8 giờ thì cần cường độ dòng điện bằng bao nhiêu ampe? (Làm trong kết quả đến phần mười).

Chi tiết bộ câu hỏi, đáp án nằm trong FILE TẢI VỀ

................................