Hòa tan hoàn toàn m gam hỗn hợp CuSO₄ và NaCl vào nước, thu được dung dịch X. Tiến hành điện phân X với các điện cực trơ, màng ngăn xốp, dòng điện có cường độ không đổi. Tổng số mol khí thu được trên cả hai điện cực (n) phụ thuộc vào thời gian điện phân (t) được mô tả như đồ thị bên (đồ thị gấp khúc tại các điểm M, N). Giả sử hiệu suất điện phân là 100% bỏ qua sự bay hơi của nước. Giá trị của m là:

Đáp án C

Phương pháp giải:

Chia đồ thị ra 3 giai đoạn

Đoạn 1: chỉ có Cl₂ thoát ra ở anot

Đoạn 2: Có Cl₂ và H₂ bên catot thoát ra

Đoạn 3: Có H₂ và O₂ bên anot thoát ra

Lập phương trình với số mol khí thoát ra và số mol e trao đổi sẽ tìm ra được số mol mỗi khí Cl₂, H₂, O₂

Từ đó suy ngược lại tìm được m.

Giải chi tiết:

Tại catot:                                         Tại anot:

Cu²⁺ + 2e → Cu                              2Cl^- → Cl₂ + 2e

H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-                  H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Đoạn 1: n_Cl2 = 0,04 mol

→ Trong a giây mỗi điện cực đã trao đổi 0,04.2 = 0,08 mol electron.

Đoạn 2: Có độ dốc lớn hơn đoạn 1 nên tốc độ thoát khí nhanh hơn → thoát Cl₂ và H₂

Bảo toàn electron → n_Cl2 = n_H2 = u (mol)

Đoạn 3: Thoát H₂ và O₂. Đặt n_O2 = v mol → n_H2 = 2v mol

Ta có hệ: $\left\{\begin{array}{l}\sum {\mathrm{n}}_{\mathrm{khi}}={\mathrm{n}}_{{\mathrm{Cl}}_2}+{\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2}+{\mathrm{n}}_{{\mathrm{O}}_2}\\ \sum {\mathrm{n}}_{\mathrm{e}\left(\mathrm{anot}\right)}=2{\mathrm{n}}_{{\mathrm{Cl}}_2}+4{\mathrm{n}}_{{\mathrm{O}}_2}\end{array}\to \left\{\begin{array}{l}0,04+2\mathrm{u}+3\mathrm{v}=0,21\\ 2\left(\mathrm{u}+0,04\right)+4\mathrm{v}=3,5.0,08\end{array}\to \left\{\begin{array}{l}\mathrm{u}=0,04\\ \mathrm{v}=0,03\end{array}\right.\right.\right.$

n_CuSO4 = n_Cu = n_{Cl2 đoạn 1} = 0,04 (mol)

n_NaCl = 2n_Cl2 tổng = 2(0,04 + 0,04) = 0,16(mol)

→ m = 0,04.160 + 0,16.58,5 = 15,76 (g).