Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp CuSO₄ 0,1M và NaCl 0,1M với điện cực trơ, dòng điện không đổi 10A trong 30 phút.

a) Viết các phản ứng xảy ra ở catot và anot.
b) Tính khối lượng kim loại đồng bám ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc).
c) Giải thích tại sao khí clo được ưu tiên sinh ra tại anot dù điện thế chuẩn cao hơn khí oxi.

Question

Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp CuSO₄ 0,1M và NaCl 0,1M với điện cực trơ, dòng điện không đổi 10A trong 30 phút.

a) Viết các phản ứng xảy ra ở catot và anot.
b) Tính khối lượng kim loại đồng bám ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (ở đktc).
c) Giải thích tại sao khí clo được ưu tiên sinh ra tại anot dù điện thế chuẩn cao hơn khí oxi.

Accepted Answer

a) Các phản ứng xảy ra ở catot và anot:

1. Phản ứng ở catot (cực âm):

Các ion có khả năng bị khử tại catot là $ \text{Cu}^{2+} $ và $ \text{H}_2\text{O} $.

- $ \text{Cu}^{2+} $ có thế điện cực chuẩn $ E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0,34 \, \text{V} $ (dễ bị khử hơn $ \text{H}_2\text{O} $).

- $ \text{H}_2\text{O} $ bị khử ở $ E^\circ_{\text{H}_2\text{O}/\text{H}_2} = -0,83 \, \text{V} $.

→ Phản ứng chính tại catot:

$$\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu} \quad \text{(kim loại đồng bám vào catot)}$$

2. Phản ứng ở anot (cực dương):

Các ion có khả năng bị oxi hóa tại anot là $ \text{Cl}^- $ và $ \text{H}_2\text{O} $.

- $ \text{Cl}^- $ bị oxi hóa thành $ \text{Cl}_2 $ ở $ E^\circ_{\text{Cl}_2/\text{Cl}^-} = +1,36 \, \text{V} $.

- $ \text{H}_2\text{O} $ bị oxi hóa thành $ \text{O}_2 $ ở $ E^\circ_{\text{O}_2/\text{H}_2\text{O}} = +1,23 \, \text{V} $.

→ Phản ứng chính tại anot:

$$2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e^- \quad \text{(khí clo thoát ra)}$$

*Lưu ý: Mặc dù $ \text{O}_2 $ có thế điện cực thấp hơn, nhưng $ \text{Cl}^- $ thường bị oxi hóa trước do hiệu ứng quá thế (overpotential) của oxi.

---

b) Tính khối lượng Cu bám ở catot và thể tích khí $ \text{Cl}_2 $ ở anot (đktc):

1. Tính tổng điện lượng (Q) đi qua dung dịch:

$$Q = I \cdot t = 10 \, \text{A} \times 30 \times 60 \, \text{s} = 18\,000 \, \text{C}$$

2. Tính số mol electron trao đổi (n):

$$n_e = \frac{Q}{F} = \frac{18\,000}{96\,500} \approx 0,1865 \, \text{mol}$$

3. Tính khối lượng Cu bám ở catot:

Phản ứng: $ \text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu} $

$$n_{\text{Cu}} = \frac{n_e}{2} = \frac{0,1865}{2} \approx 0,0933 \, \text{mol}$$

$$m_{\text{Cu}} = n_{\text{Cu}} \times M_{\text{Cu}} = 0,0933 \times 64 \approx 5,97 \, \text{g}$$

4. Tính thể tích khí $ \text{Cl}_2 $ ở anot (đktc):

Phản ứng: $ 2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e^- $

$$n_{\text{Cl}_2} = \frac{n_e}{2} = 0,0933 \, \text{mol}$$

$$V_{\text{Cl}_2} = n_{\text{Cl}_2} \times 22,4 = 0,0933 \times 22,4 \approx 2,09 \, \text{lít}$$

---

c) Giải thích tại sao khí clo ($ \text{Cl}_2 $) được ưu tiên sinh ra ở anot dù có thế điện cực cao hơn oxi ($ \text{O}_2 $):

- Hiệu ứng quá thế (Overpotential):

- Oxi ($ \text{O}_2 $) sinh ra từ nước ($ \text{H}_2\text{O} $) cần một điện thế cao hơn lý thuyết (khoảng +1,7 V thay vì +1,23 V) do quá trình oxi hóa nước bị cản trở bởi các yếu tố động học (vd: bề mặt điện cực).

- Trong khi đó, $ \text{Cl}^- $ bị oxi hóa thành $ \text{Cl}_2 $ gần như ngay lập tức ở điện thế +1,36 V mà không cần quá thế lớn.

- Nồng độ ion $ \text{Cl}^- $ cao:

- Trong dung dịch NaCl 0,1M, nồng độ $ \text{Cl}^- $ đủ lớn để ưu tiên phản ứng oxi hóa $ \text{Cl}^- $ thay vì $ \text{H}_2\text{O} $.

→ Kết luận: Clo ($ \text{Cl}_2 $) được sinh ra trước do hiệu ứng quá thế của oxi và nồng độ $ \text{Cl}^- $ đủ lớn.

Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp CuSO₄ 0,1M và NaCl 0,1M với điện cực trơ, dòng điện không đổi 10A trong 30 phút. a) Viết các phản ứng xảy ra ở catot và anot. b) Tính khối lượng kim loại đồng bám ở ca...