[Chân trời] Trắc nghiệm Hóa học 12 bài 13: Điện phân

Để thu được kim loại Cu ở catot, cần có phản ứng: Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Số mol electron cần cho phản ứng này là 2 \times 0,1 = 0,2 mol. Để thu được khí Cl_{2} ở anot, cần có phản ứng: 2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2} + 2e^{-}. Số mol electron cần cho phản ứng này là 2 \times 0,2 = 0,4 mol. Tổng số mol electron cần cho cả hai quá trình là 0,2 + 0,4 = 0,6 mol. Do đó, cần điện phân đủ số mol electron cho cả Cu^{2+} và Cl^{-}. Kết luận Giải thích: Cần điện phân đủ số mol electron cho cả Cu^{2+} và Cl^{-}

Tại catot, các cation kim loại sẽ bị khử. Thứ tự bị khử phụ thuộc vào thế điện cực chuẩn của chúng. Kim loại có thế điện cực chuẩn âm hơn sẽ bị khử sau. Các ion kim loại trong dung dịch: Na^{+} (E^{0} = -2.71V) và Cu^{2+} (E^{0} = +0.34V). Nước cũng có thể bị khử tạo H_{2} (E^{0} = -0.41V ở pH=7, hoặc 0V ở pH=0 cho phản ứng 2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_{2}). Ion có thế điện cực chuẩn dương hơn sẽ bị khử trước. Do đó, Cu^{2+} (dương hơn) sẽ bị khử trước, sau đó mới đến nước bị khử tạo H_{2} (nếu điện cực trơ và nồng độ Cu^{2+} cạn kiệt). Na^{+} có thế điện cực chuẩn âm hơn nhiều nên sẽ không bị khử trong dung dịch nước. Thứ tự bị điện phân tại catot là Cu^{2+} rồi đến nước. Kết luận Giải thích: Cu^{2+}, Na^{+}

Trong dung dịch HCl có các ion H^{+}, Cl^{-} và nước. Tại catot (cực âm), các cation sẽ bị khử. Ion H^{+} sẽ bị khử theo phản ứng: 2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_{2}. Tại anot (cực dương), ion Cl^{-} sẽ bị oxi hóa theo phản ứng: 2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2} + 2e^{-}. Do đó, sản phẩm thu được ở catot là khí H_{2}. Kết luận Giải thích: H_{2}

Tại catot, các cation sẽ bị khử. Thứ tự bị khử dựa vào thế điện cực chuẩn tăng dần (hoặc tính kim loại giảm dần). Các cation có trong dung dịch là K^{+}, Na^{+}, Cu^{2+}. Ta cũng cần xét khả năng bị khử của nước. Thế điện cực chuẩn: K^{+} (-2.92V), Na^{+} (-2.71V), Cu^{2+} (+0.34V), 2H_{2}O + 2e^{-} \rightarrow H_{2} + 2OH^{-} (E^{0} \approx -0.83V ở pH=7). Ion có thế điện cực chuẩn dương hơn sẽ bị khử trước. Ion có thế điện cực chuẩn âm hơn sẽ bị khử sau, hoặc nước bị khử. Vậy, thứ tự bị khử tại catot là: Cu^{2+} (bị khử thành Cu), sau đó đến nước (bị khử thành H_{2} và OH^{-}). K^{+} và Na^{+} có thế điện cực chuẩn âm hơn nhiều so với Cu^{2+} và nước nên sẽ không bị khử. Kết luận Giải thích: Cu^{2+}, H_{2}O

Khi điện phân nóng chảy Al_{2}O_{3}, các ion có trong dung dịch là Al^{3+} và O^{2-}. Tại catot (cực âm), các cation sẽ bị khử. Ion Al^{3+} sẽ nhận electron để tạo thành kim loại nhôm: Al^{3+} + 3e^{-} \rightarrow Al. Tại anot (cực dương), ion O^{2-} sẽ nhường electron để tạo thành khí oxi: 2O^{2-} \rightarrow O_{2} + 4e^{-}. Kết luận Giải thích: Al^{3+} + 3e^{-} \rightarrow Al.

Trong dung dịch KOH bão hòa có các ion K^{+}, OH^{-} và nước. Tại catot (cực âm), các cation sẽ bị khử. K^{+} là kim loại kiềm, có thế điện cực chuẩn rất âm, không bị khử trong dung dịch nước. Nước sẽ bị khử theo phản ứng: 2H_{2}O + 2e^{-} \rightarrow H_{2} + 2OH^{-}. Do đó, ở catot sẽ sủi bọt khí H_{2}. Tại anot (cực dương), ion OH^{-} hoặc nước bị oxi hóa. Tuy nhiên, OH^{-} khó bị oxi hóa hơn nước. Phản ứng ở anot là 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. Kết luận Giải thích: Sủi bọt khí H_{2}.

Khi điện phân dung dịch H_{2}SO_{4} loãng với điện cực trơ, trong dung dịch có các ion H^{+}, SO_{4}^{2-} và nước. Tại catot (cực âm), ion H^{+} sẽ bị khử theo phản ứng: 2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_{2}. Tại anot (cực dương), nước sẽ bị oxi hóa theo phản ứng: 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. Không có ion kim loại nào trong dung dịch để bị khử thành kim loại. Do đó, không thu được kim loại ở catot mà chỉ thu được khí H_{2}. Kết luận Giải thích: Không thu được kim loại.

Khi điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực bằng Cu, Cu ở anot sẽ tan ra thành ion Cu^{2+} và đi vào dung dịch, đồng thời ion Cu^{2+} trong dung dịch sẽ nhận electron tại catot và sinh ra kim loại Cu bám vào catot. Phương trình tại anot: Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^{-}. Phương trình tại catot: Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Do đó, catot tăng khối lượng do Cu bám vào, còn anot bị ăn mòn và giảm khối lượng. Tuy nhiên, câu hỏi hỏi về điện cực bằng Cu (thường ám chỉ anot là Cu). Nếu anot là Cu, nó sẽ tan ra. Nếu catot là Cu, nó sẽ nhận Cu^{2+} bám vào. Xét trường hợp anot là Cu và catot là một kim loại trơ (ví dụ Pt). Khi đó, anot là Cu sẽ tan (Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^{-}), catot sẽ nhận Cu^{2+} (Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu). Vậy catot tăng khối lượng, anot giảm khối lượng. Nếu cả hai điện cực đều là Cu, thì Cu ở anot tan ra, Cu^{2+} ở dung dịch bám vào catot. Về khối lượng, anot giảm và catot tăng. Tuy nhiên, trong nhiều sách giáo khoa, trường hợp điện cực Cu trong dung dịch CuSO_{4} được coi là điện phân dung dịch muối đồng với anot tan. Nếu câu hỏi ám chỉ điện cực bằng đồng là anot, thì nó bị ăn mòn. Nếu ám chỉ điện cực bằng đồng là catot thì nó sẽ tăng khối lượng. Tuy nhiên, câu hỏi có thể hiểu là điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực bằng Cu, tức là Cu đóng vai trò là anot. Trong trường hợp điện phân dung dịch CuSO_{4} với hai điện cực bằng Cu: Anot: Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^{-}. Catot: Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Khối lượng anot giảm, khối lượng catot tăng. Tuy nhiên, nếu hiểu là điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực bằng Cu (không chỉ rõ là anot hay catot), và xét đến việc Cu có thể đóng vai trò là vật liệu điện cực trong quá trình điện phân, thì việc Cu ở anot tan ra và Cu^{2+} bám vào catot là phổ biến. Nếu giả định điện cực bằng Cu là anot, thì nó bị ăn mòn. Nếu giả định điện cực bằng Cu là catot, thì nó sẽ tăng khối lượng. Tuy nhiên, nếu chỉ hỏi về điện cực bằng Cu mà không chỉ rõ vai trò, và nếu Cu là anot thì nó tan, nếu là catot thì nó tăng khối lượng. Xem xét các lựa chọn, lựa chọn B là hợp lý nhất nếu điện cực bằng Cu là catot. Nếu điện cực bằng Cu là anot thì nó bị ăn mòn. Một cách hiểu khác của câu hỏi là điện phân dung dịch CuSO_{4} và có một điện cực bằng Cu, còn điện cực kia là trơ. Nếu điện cực bằng Cu là catot: Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Catot tăng khối lượng. Nếu điện cực bằng Cu là anot: Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^{-}. Anot bị ăn mòn. Câu hỏi hơi mập mờ. Tuy nhiên, trong các bài tập điện phân, khi điện cực kim loại không hoạt động (như Pt, C) được dùng làm catot và dung dịch chứa ion kim loại đó, thì kim loại sẽ sinh ra trên catot. Khi điện cực kim loại hoạt động (như Cu, Ag, Ni) được dùng làm anot, nó sẽ tan ra. Nếu điện cực bằng Cu là anot thì nó bị ăn mòn. Nếu là catot thì nó tăng khối lượng. Nếu câu hỏi muốn ám chỉ trường hợp điện phân dung dịch muối kim loại mà kim loại đó là vật liệu điện cực, thì thường là điện phân với anot tan. Tuy nhiên, lựa chọn B là catot tăng khối lượng, anot không thay đổi. Điều này xảy ra khi điện phân dung dịch có mặt ion kim loại và điện cực catot chính là kim loại đó, còn anot là điện cực trơ. Nếu điện cực bằng Cu là catot và anot là trơ, thì catot sẽ tăng khối lượng. Nếu cả hai điện cực đều là Cu, thì anot tan, catot tăng. Lựa chọn B nói catot tăng, anot không đổi. Điều này chỉ đúng nếu anot là điện cực trơ và catot là Cu. Nhưng đề bài nói điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực bằng Cu, ngụ ý điện cực đó có vai trò. Nếu điện cực bằng Cu là catot, nó tăng khối lượng. Nếu điện cực bằng Cu là anot, nó giảm khối lượng. Tuy nhiên, trong một số ngữ cảnh, khi điện phân dung dịch muối kim loại với điện cực bằng chính kim loại đó, người ta thường ngầm hiểu là điện cực đó là catot và nó sẽ tăng khối lượng. Nếu điện cực bằng Cu là catot, thì Cu^{2+} sẽ nhận electron tại đó và bám vào, làm tăng khối lượng catot. Nếu anot là điện cực trơ, thì nó không thay đổi khối lượng. Vậy lựa chọn B là có thể đúng nếu điện cực bằng Cu là catot và anot là trơ. Tuy nhiên, cách diễn đạt điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực bằng Cu thường ám chỉ điện cực đó là một trong hai điện cực tham gia phản ứng. Nếu Cu là anot thì nó tan, nếu Cu là catot thì nó tăng khối lượng. Lựa chọn B mô tả catot tăng khối lượng, anot không đổi. Điều này xảy ra khi điện phân dung dịch có ion kim loại và điện cực catot là kim loại đó, còn anot là điện cực trơ. Nếu điện cực bằng Cu là catot, nó tăng khối lượng. Nếu điện cực bằng Cu là anot, nó bị ăn mòn. Nếu giả sử điện cực bằng Cu là catot và anot là điện cực trơ, thì catot tăng khối lượng, anot không đổi. Câu hỏi này có thể gây nhầm lẫn. Tuy nhiên, xét các đáp án, nếu điện cực bằng Cu là catot thì nó sẽ tăng khối lượng. Nếu anot là điện cực trơ thì nó không đổi. Vậy đáp án B là hợp lý nhất trong trường hợp điện cực bằng Cu là catot.Kết luận: Catot tăng khối lượng, anot không thay đổi khối lượng. (Giả định điện cực bằng Cu là catot và anot là điện cực trơ).Kết luận Giải thích: Catot tăng khối lượng, anot không thay đổi khối lượng.

Khi điện phân nóng chảy oxit kim loại M có công thức là M_{x}O_{y}, trong dung dịch sẽ có các ion M^{n+} (với n là hóa trị của M) và O^{2-}. Tại catot (cực âm), các cation M^{n+} sẽ bị khử để tạo thành kim loại M theo phản ứng: M^{n+} + ne^{-} \rightarrow M. Tại anot (cực dương), các anion O^{2-} sẽ bị oxi hóa để tạo thành khí oxi theo phản ứng: 2O^{2-} \rightarrow O_{2} + 4e^{-}. Kết luận Giải thích: M^{n+} + ne^{-} \rightarrow M.

Khi điện phân dung dịch hỗn hợp các ion kim loại với điện cực trơ, ion nào có thế điện cực chuẩn lớn hơn sẽ bị khử trước. Thế điện cực chuẩn: Fe^{3+}/Fe là -0.04V, Cu^{2+}/Cu là +0.34V. Do Cu^{2+} có thế điện cực chuẩn lớn hơn Fe^{3+} nên Cu^{2+} sẽ bị khử trước tại catot theo phản ứng Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Chỉ khi toàn bộ ion Cu^{2+} đã bị điện phân hết thì ion Fe^{3+} mới bắt đầu bị khử theo phản ứng Fe^{3+} + 3e^{-} \rightarrow Fe. Việc có kim loại Fe bám ở catot chứng tỏ ion Cu^{2+} đã phản ứng hết. Kết luận Giải thích: Ion Cu^{2+} đã bị điện phân hết.

Khi điện phân dung dịch CuSO_{4} với điện cực trơ: Tại catot (cực dương): Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu. Ion Cu^{2+} bị khử thành kim loại Cu bám vào catot. Tại anot (cực âm): Nước bị oxi hóa do SO_{4}^{2-} rất khó bị oxi hóa. 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. Do đó, ở anot sủi bọt khí oxi và dung dịch có thể có tính axit do H^{+} sinh ra. Khối lượng dung dịch giảm do nước bị oxi hóa thành O_{2} và H^{+} (hoặc do Cu^{2+} bị khử, nhưng nước bị oxi hóa là chính). Sự sinh ra H^{+} làm cho dung dịch có tính axit nhẹ, hoặc nếu nước bị oxi hóa tạo OH^{-} ở catot thì dung dịch có thể có tính bazơ. Tuy nhiên, phản ứng chính ở anot là oxi hóa nước. Phản ứng tổng cộng: 2CuSO_{4} + 2H_{2}O \xrightarrow{đpnc} 2Cu + O_{2} + 2H_{2}SO_{4}. Do đó, ở anot xảy ra sự oxi hóa nước chứ không phải ion SO_{4}^{2-}. Kết luận Giải thích: Ở anot xảy ra sự oxi hóa ion SO_{4}^{2-}.

Trong dung dịch NaOH loãng có các ion Na^{+}, OH^{-} và nước. Tại catot (cực âm), các cation sẽ bị khử. Na^{+} là kim loại kiềm, có thế điện cực chuẩn rất âm, không bị khử trong dung dịch nước. Nước sẽ bị khử theo phản ứng: 2H_{2}O + 2e^{-} \rightarrow H_{2} + 2OH^{-}. Do đó, ở catot sẽ sủi bọt khí H_{2}. Tại anot (cực dương), ion OH^{-} hoặc nước bị oxi hóa. Phản ứng ở anot là 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. Kết luận Giải thích: H_{2}

Khi điện phân nóng chảy NaCl, tại catot (cực âm) xảy ra sự khử ion Na^{+}: Na^{+} + e^{-} \rightarrow Na. Để điện phân hoàn toàn 1 mol NaCl, ta cần 1 mol Na^{+}. Số mol electron trao đổi là 1 mol. Số mol Na thu được là 1 mol. Khối lượng mol của Na là 23 g/mol. Khối lượng Na thu được là 1 mol \times 23 g/mol = 23 g. Kết luận Giải thích: 23 g

Áp dụng định luật Faraday thứ nhất: m = \frac{1}{F} \times \frac{A}{n} \times I \times t. Trong đó: m là khối lượng chất thu được (g), F là hằng số Faraday (96500 C/mol), A là khối lượng mol của chất (Ag có A = 108 g/mol), n là hóa trị của ion kim loại (Ag có hóa trị +1, n=1), I là cường độ dòng điện (A), t là thời gian (s). Ta có: I = 1A, t = 965s, A = 108 g/mol, n = 1, F = 96500 C/mol. m = \frac{1}{96500} \times \frac{108}{1} \times 1 \times 965 = \frac{108 \times 965}{96500} = \frac{108}{100} = 1,08 g. Kết luận Giải thích: 1,08 g

Trong dung dịch NaCl bão hòa có nước. Khi điện phân với điện cực trơ, tại anot (cực dương) xảy ra sự oxi hóa các anion hoặc nước. Các ion có thế điện cực chuẩn âm hơn sẽ bị oxi hóa trước. Trong dung dịch có Cl^{-} và H_{2}O. Thế điện cực chuẩn của Cl_{2}/Cl^{-} là +1.36V, của O_{2}/H_{2}O là +1.23V. Tuy nhiên, do hiệu ứng siêu điện thế của oxi trên anot cacbon, nước bị oxi hóa ưu tiên hơn. Phản ứng ở anot: 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. Nhưng nếu nồng độ Cl^{-} cao (dung dịch bão hòa), Cl^{-} có thể bị oxi hóa. Xét hai khả năng: 1) Oxi hóa nước: 2H_{2}O \rightarrow O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}. 2) Oxi hóa ion Cl^{-}: 2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2} + 2e^{-}. Trong dung dịch NaCl bão hòa, nồng độ Cl^{-} cao, nên Cl^{-} bị oxi hóa ưu tiên hơn nước mặc dù thế điện cực chuẩn của O_{2}/H_{2}O nhỏ hơn. Do đó, ở anot sủi bọt khí Cl_{2}. Tại catot (cực âm) xảy ra sự khử các cation. Na^{+} không bị khử mà nước bị khử: 2H_{2}O + 2e^{-} \rightarrow H_{2} + 2OH^{-}. Kết luận Giải thích: Sủi bọt khí Cl_{2}.