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
Định luật Faraday
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. Bài tập ví dụ về điện phân
Ví dụ 1: Điện phân 100 ml dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn với cường độ dòng điện I = 1,93A. Dung dịch thu được sau khi điện phân có pH = 12. Biết thể tích dung dịch không đổi, clo không hòa tan trong nước và hiệu suất điện phân 100%. Thời gian tiến hành điện phân là:
A. 50 s
B. 60 s
C. 100 s
D. 200 s
Đáp án hướng dẫn giải chi tiết
pH = 12 [OH-] = 10-2 nOH- = 10-3 M
Tại catot (–) xảy ra phản ứng:
2H2O + 2e → H2 + 2OH-
ne = 10-3 mol
t = 50 s
hoặc mH2 = 10-3 gam
t = 50 s
Đáp án A
Ví dụ 2: Điện phân dung dịch CuSO4 với cường độ dòng điện I = 3,574 A trong thời gian t = 5400s. Hãy tính thể tích khí thu được ở catot.
A. 1,12 lít
B. 2,24 lít
C. 3,36 lít
D. 4,48 lít
Đáp án hướng dẫn giải chi tiết
Sơ đồ biểu diễn quá trình điện phân dung dịch CuSO4
Anot (+)
SO42-, H2O
2H2O → 4H+ + O2- + 4e
0,05 0,2
Catot (-)
Cu2+, H2O
Cu2+ + 2e → Cu
0,2 0,1
Áp dụng định luật Faraday
mCu = Alt/nF = 64.3,574.5400/2.96500 = 6,4 gam
nCu = 0,1 mol
=> VO2 = 0,05.22,4 = 1,12 lít
Ví dụ 3: Điện phân dung dịch chứa m gam CuSO4 và NaCl ( điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi nước bị điện phân ở cả 2 điện cực thì dừng điện phân. Dung dịch sau điện phân hòa tan vừa đủ 1,6g CuO và ở anot có 448 ml khí (dktc). Giá trị của m là :
A. 5,970
B. 3,875
C. 7,140
D. 4,950
Đáp án hướng dẫn giải chi tiết
Điện phân đến khi cả 2 điện cực cùng có khí thì dừng => catot chưa điện phân nước
Catot : Cu2+ + 2e → Cu
Anot : 2Cl- → Cl2 + 2e
2H2O → 4H+ + O2 + 4e
=> nH+ = 2nCuO = 0,04 mol => nO2 = 0,01 mol
=> nCl2 = nkhí – nO2 = 0,01 mol
=> ne = 2nCu2+ = 2nCl2 + 4nO2 => nCu2+ = 0,03 mol
Ban đầu có : 0,03 mol CuSO4; 0,02 mol NaCl
=> m = 5,97 g
Đáp án A
5. Ứng dụng của điện phân
Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp
1. Điều chế các kim loại (xem bài điều chế các kim loại)
2. Điều chế một số phi kim như H2, O2, F2, Cl2
3. Điều chế một số hợp chất như NaOH, H2O2, nước Gia – ven
4. Tinh chế một số kim loại như Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au…
5. Mạ điện
Điện phân với anot tan cũng được dùng trong mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. Anot là kim loại dùng để mạ (như hình vẽ là vàng) còn catot là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ 5.10-5 ÷ 1.10-3 cm.
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
Câu 1. Điện phân 100ml dung dịch chứa NaCl với điện cực trơ ,có màng ngăn, cường
độ dòng điện I = 1.93 . Tính thời gian điện phân để được dung dịch pH = 12, thể tích dung
dịch được xem như không thay đổi, hiệu suất điện phân là 100%.
A. 50s
B. 100s
C. 150s
D . 200s
Vì dung dịch có pH = 12
⇒ Môi trường kiềm .
pH = 12 ⇒ [H+] = 10-12
⇒ [OH-] = 0,01 M ⇒ nOH- = 0,001 mol
NaCl → Na+ + Cl
Catot (-)
Na+ không bị điện phân
2H2O + 2e → H2 + 2OH-
Anot (+)
Cl- → Cl2 + 2e
0,001 → 0,001
ne trao đổi = 0,001 mol = It/F => t = 50s
Câu 2. Điện phân Al2O3 nóng chảy với dòng điện cường độ 9,65 A trong thời gian 3000 giây. Khối lượng nhôm thu được là:
A. 2,16g
B. 1,62g
C. 2,7g
D. 1,08g
Câu 3. Điện phân NaCl nóng chảy với cường độ I = 1,93A trong thời gian 6 phút 40 giây thì thu được 0,1472 gam Na. Hiệu suất quá trình điện phân là
A. 90%.
B. 80%.
C. 100%.
D. 75%.
t = 400s => mNa thu được lí thuyết = A.I.t / nF = 0,184 gam
mà mNa thực tế = 0,1472 gam
=> H = 0,1472 / 0,184 .100% = 80%
Câu 4. Điện phân 100ml dung dịch CuSO4 0,2M với cường độ I = 9,65A. Tính khối lượng Cu bám bên catot khi thời gian điện phân t1 = 200s và t2 = 500s (với hiệu suất là 100%)
A. 0,32g; 0,64g
B. 0,64g; 1,28g
C. 0,64g; 1,32g
D. 0,32g; 1,28g
Ta có: nCuSO4 ban đầu = 0,02 mol
Với t1 = 200s, ta có: ne trao đổi = It/F = 9,65.200 : 96500 = 0,02 mol
Cu2++ 2e → Cu
0,01 ← 0,02 → 0,01 mol
Vậy mCu = 0,01.64 = 0,64 gam
Với t2 = 500s, ta có: ne trao đổi = It/F = 9,65.500 : 96500 = 0,05 mol
Cu2++ 2e → Cu
0,02→ 0,04 → 0,02 mol
Ta có số mol e do Cu2+ tối đa nhận là 0,04 < 0,05 mol nên ở đây có xảy ra sự điện phân của nước:
2H2O + 2e → H2 + 2OH-
Vậy mCu = 0,02.64 = 1,28 gam
Câu 5. Điện phân dung dịch CuSO4 bằng điện cực trơ với dòng điện có cường độ I = 0,5A trong thời gian 1930 giây thì khối lượng đồng và thể tích khí O2 sinh ra là
A. 0,64g và 0,112 lit
B. 0,32g và 0,056 lít
C. 0,96g và 0,168 lít
D. 1,28g và 0,224 lít
ne trao đổi = I.t / F = 0,01 mol
Ở catot: Cu2+ + 2e → Cu
=> nCu = 0,01 :2 = 0,005 (mol) => mCu = 0,32 (g)
Ở anot: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
=> nO2 = 0,01:4 = 0,0025 (mol) => VO2 = 0,056 (l)
Câu 6. Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 với cường độ dòng điện không đổi thì sau 600s, nước bắt đầu bị điện phân ở cả 2 điện cực.nếu thời gian điện phân là 300s thì khối lượng Cu thu được bên catot là 3,2g. Tính nồng độ mol của CuSO4 trong dung dịch ban đầu và cường độ dòng điện.
A. 0,1M; 16,08A
B. 0,25M; 16,08A
C. 0,20 M; 32,17A
D. 0,12M; 32,17A
nCu =3.2/64 = 0.05 mol
⇒ nCu sau 600 giây = 0.05x2 = 0.1 mol
⇒CMCuSO4 = 0.1/0.5 = 0.2 M
Ta có công thức: ne = It/A
⇒ I = ne.A/t =0.05.2.96500/300 = 32.17 A
Câu 7. Điện phân 100 ml dung dịch CuSO4 0,12M thu được 0,384g Cu bên catot lúc t1= 200s; nếu tiếp tục điện phân với cường độ I2 bằng 2 lần cường độ I1 của giai độan trên thì phải tiếp tục điện phân trong bao lâu để bắt đầu sủi bọt bên catot? Cho Cu = 64.
A.150s
B. 200s
C.180s
D.100s
| CuSO4: 0,012 mol | |
Catot (-): Cu2+ 0,012 mol; H2O Cu2+ + 2e → Cu Bđ: 0,012 Đp: 0,006 0,012 0,384/64 Với t1 = 200 s Dư 0,006 → 0,012 Với t2 = ? | Anot (-): SO42- 0,012 mol; H2O 2H2O - 4e → O2 + 4H+ |
Với t1 = 200s thì đồng mới điện phân hết 0,006 mol đang còn dư 0,006 mol
Từ các tính số mol e = I.t/F => I2 = 2I1 thì t1 = 2t2 => t = 100s
Câu 8. Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65 A. Khi thể tích khí thoát ra ở cả hai đện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân. Khối lượng kim loại sinh ra ở catốt và thời gian điện phân là:
A. 3,2g và 1000s
B. 2,2g và 800s
C. 6,4g và 3600s
D. 5,4g và 1800s
Ta có nH2 = nO2 = 0,05 mol
ne = 2nCu + 2nH2 = 4nO2 = 4.0,05 = 0,2 => nCu = (0,2-2.0,05)/2 = 0,05
=> mCu = 0,05.32 = 3,2 gam
t = (0,2.96500)/9,65 = 2000 (s)
Chọn A
Câu 9. Điện phân dùng điện cực trơ dung dịch muối sunfat kim loại hoá trị II với cường độ dòng điện 3A. Sau 1930 giây thấy khối lượng catot tăng 1,92 gam. Cho biết tên kim loại trong muối sunfat
A. Fe
B. Ca
C. Cu
D. Mg
Quá trình điện phân: M2+ + 2e → M
Có: ne = I.t/F = 3.1930/96500 = 0,06 mol
=> nM = 1/2 ne = 0,03 mol
=> MM = 1,92 : 0,03 = 64 (g/mol) => Cu
Câu 10. Điện phân dung dịch một muối nitrat kim loại với hiệu suất dòng điện là 100%, cường độ dòng điện không đổi là 7,72A trong thời gian 9 phút 22,5 giây. Sau khi kết thúc khối lượng catot tăng lên 4,86 gam do kim loại bám vào. Kim loại đó là
A. Cu
B. Ag
C. Hg
D. Pb
Khối lượng catot tăng chính là khối lượng kim loại sinh ra bám vào
Áp dụng định luật Faraday:
mKL = AIt/Fn => 4,86 = (A.7,72.562,5)/(96500.2) => A = 108n
Cặp nghiệm phù hơp là: n = 1 và A = 108 (Ag)
Câu 11. Tiến hành điện phân (với điện cực Pt) 200 gam dung dịch NaOH 10% đến khi dung dịch NaOH trong bình có nồng độ 25% thì ngừng điện phân. Thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot và catot lần lượt là:
A. 149,3 lít và 74,7 lít
B. 156,8 lít và 78,4 lít
C. 78,4 lít và 156,8 lít
D. 74,7 lít và 149,3 lít
Đáp án D
mNaOH trước điện phân = 200.10/100 = 20 gam.
Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước: 2H2O → O2 + 2H2. Gọi số mol bị điện phân là x mol:
Sau khi điện phân khối lượng dung dịch còn lại là 200 - 18x.
Nồng độ NaOH sau điện phân là 25% => 200.0,1/(200 - 18x).100% = 25% => x = 20/3 mol
Thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở anot là VO2 = 0,5.22,4.20/3 = 7467 lít.
Thể tích khí (ở đktc) thoát ra ở catot là VH2 = 22,4.20/3 = 149,3 lít
Câu 12. Một bình điện phân chứa dung dịch bạc nitrat (AgNO3) có anot bằng bạc. Biết bạc (Ag) có khối lượng mol nguyên tử A=108g/mol và hoá trị n=1. Nếu hiệu điện thế giữa hai cực của bình là 10V và sau 16 phút 5 giay có 4,32g bạc bám vào anot thì điện trở của bình là
A. 2,5Ω
B. 25Ω
C. 5Ω
D. 50Ω
Ta có: t = 16 phút 5 giây = 965s
Khối lượng bạc bám vào anot được tính theo công thức:
m =1/96500.An.It ⇒ I = (96500.n.m)/A.t = (96500.4,32.1)/108.965 = 4A
Điện trở của bình điện phân là: R = U/I = 20/4 = 5Ω
Câu 13. Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực trơ, sau một thời gian thu được 0,32 gam Cu ở catot và một lượng khí X ở anot. Lượng khí X trên tác dụng vừa đủ với 200 ml dung dịch NaOH (ở nhiệt độ thường). Nồng độ của dung dịch NaOH là
A. 0,1M.
B. 0,05M.
C. 0,015M.
D. 0,025M.
Phương trình điện phân
CuCl2 → Cu + Cl2
0,005 mol → 0,005 mol
Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
0,005 → 0,01 mol
→ [NaOH] = 0,01 : 0,2 = 0,005M
Câu 14. Điện phân dung dịch chứa a mol CuSO4 và b mol NaCl ( với điện cực trơ, có màng ngăn xốp). Để dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển sang màu hồng thì điều kiện của a và b là:
A. b = 2a
2b = a
b > 2a
b < 2a
Ban đầu xảy ra phản ứng điện phân:
(1) CuSO4 + 2NaCl → Cu + Cl2 + Na2SO4
Ban đầu: a mol b mol
Do dung dịch sau điện phân làm phenolphtalein chuyển hồng nên có OH- tức là có phản ứng điện phân:
(2) 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
Như vậy ta suy ra ở (1) thì CuSO4 điện phân hết trước so với NaCl
a/1 < b/2 ⇔ 2a < b
....................................
Trên đây VnDoc.com vừa gửi tới bạn đọc bài viết Định luật điện phân Faraday. Hi vọng qua bài viết này bạn đọc có thêm tài liệu bổ ích nhé. Mời các bạn cùng tham khảo thêm mục Trắc nghiệm Hóa học 11...
Mời các bạn tham khảo thêm một số tài liệu liên quan:
