CuSO4 ra Cu: điện phân dung dịch CuSO4 và cách giải

Trả lời nhanh

Khi điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ, ta thu được Cu: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu↓ + O₂↑ + 2H₂SO₄ (điều kiện: điện phân dung dịch, có dòng điện một chiều). Cu²⁺ bị khử ở catot thành Cu, còn nước bị oxi hoá ở anot sinh ra khí O₂ và axit H₂SO₄.

Phương trình điện phân CuSO₄

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄ (điều kiện: điện phân dung dịch, điện cực trơ như than chì hoặc platin).

Cân bằng: vế trái có 2Cu, 2S, 10 O (8 O trong 2CuSO₄ và 2 O trong 2H₂O), 4H; vế phải có 2Cu, 2S, 4H, và 2 + 8 = 10 O. Phương trình đã cân bằng.
Chất tạo thành: đồng kim loại màu đỏ, khí oxi không màu và dung dịch axit sunfuric.

Cơ chế phản ứng ở hai điện cực

Điện cực	Ion/phân tử tham gia	Quá trình
Catot (−)	Cu²⁺, H₂O	Cu²⁺ + 2e → Cu (Cu²⁺ dễ bị khử hơn nước)
Anot (+)	SO₄²⁻, H₂O	2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e (SO₄²⁻ không bị oxi hoá)

Nhân nửa phản ứng catot với 2 rồi cộng với nửa phản ứng anot: 2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 4H⁺. Thêm 2SO₄²⁻ vào hai vế, ta được phương trình phân tử ở trên.

Mẹo nhớ: catot thì cation nhận electron, anot thì gốc axit chứa oxi (SO₄²⁻, NO₃⁻) không bị oxi hoá, nên nước nhường electron thay.

Hiện tượng quan sát được

Trên catot có lớp kim loại màu đỏ (đồng) bám vào.
Trên anot có bọt khí không màu thoát ra (O₂).
Màu xanh của dung dịch nhạt dần vì nồng độ Cu²⁺ giảm.
pH dung dịch giảm vì sinh ra H₂SO₄.

Khi Cu²⁺ đã hết thì sao?

Nếu tiếp tục điện phân, nước bị điện phân: catot 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻, anot vẫn sinh O₂. Phương trình chung: 2H₂O → 2H₂ + O₂ (đpdd). Lúc này dung dịch chỉ còn H₂SO₄ với nồng độ tăng dần.

Các cách khác để từ CuSO₄ thu được Cu

Thuỷ luyện: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓ (đinh sắt sáng chuyển đỏ, dung dịch xanh nhạt dần). Zn, Mg cũng đẩy được Cu.
Không dùng K, Na, Ca, Ba: các kim loại này tác dụng với nước trước, tạo bazơ rồi kết tủa Cu(OH)₂ màu xanh, không ra Cu.
Điện phân với anot đồng (điện cực tan): anot Cu → Cu²⁺ + 2e, catot Cu²⁺ + 2e → Cu. Nồng độ CuSO₄ gần như không đổi, đây là nguyên lý tinh luyện và mạ đồng.

Cách tính theo định luật Faraday

Số mol electron trao đổi: n_e = I·t / F, với F = 96500 C/mol. Khối lượng chất thoát ra: m = A·I·t / (n·F).

Ví dụ (tự đặt): điện phân 500 mL dung dịch CuSO₄ dư, điện cực trơ, I = 1,93 A trong 5000 s.

n_e = 1,93 × 5000 / 96500 = 0,1 mol.
Catot: n_Cu = 0,1 / 2 = 0,05 mol → m_Cu = 0,05 × 64 = 3,2 g.
Anot: n_O2 = 0,1 / 4 = 0,025 mol → V = 0,025 × 22,4 = 0,56 lít (đktc).
Sinh ra 0,1 mol H⁺, nếu thể tích không đổi thì [H⁺] = 0,2M, pH ≈ 0,70.

Lỗi sai thường gặp

Viết sản phẩm là Cu + SO₃ + O₂. Đây là nhiệt phân, không phải điện phân dung dịch.
Quên H₂O ở vế trái nên không cân bằng được H và O.
Cho rằng khí ở anot là SO₂ hoặc H₂. Khí ở anot là O₂.
Quên rằng khối lượng dung dịch giảm bằng m_Cu + m_O2.

Bài luyện tập

Bài 1. Điện phân hoàn toàn 200 mL dung dịch CuSO₄ 0,5M (điện cực trơ) bằng dòng điện 2 A. Tính thời gian điện phân và độ giảm khối lượng dung dịch.

Giải: n_CuSO4 = 0,2 × 0,5 = 0,1 mol → n_e = 0,2 mol → t = 0,2 × 96500 / 2 = 9650 s. Thu được 0,1 mol Cu (6,4 g) và 0,05 mol O₂ (1,6 g), nên khối lượng dung dịch giảm 8,0 g.

Bài 2. Khi điện phân dung dịch CuSO₄, khối lượng catot tăng 1,6 g. Tính thể tích O₂ (đktc) và số mol H₂SO₄ sinh ra.

Giải: n_Cu = 1,6 / 64 = 0,025 mol → n_O2 = 0,0125 mol → V = 0,28 lít; n_H2SO4 = n_Cu = 0,025 mol.

Bài 3. Vì sao pH của dung dịch giảm trong quá trình điện phân CuSO₄?

Đáp án: ở anot nước bị oxi hoá sinh ra H⁺, kết hợp với SO₄²⁻ còn lại thành H₂SO₄, nên nồng độ H⁺ tăng và pH giảm.

Câu hỏi thường gặp

Điện phân dung dịch CuSO4 thu được những chất nào?

Catot thu được Cu, anot thu được khí O2, trong dung dịch tạo thành H2SO4. Phương trình: 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + O2 + 2H2SO4.

Vì sao ở anot sinh ra O2 mà không phải SO2 hay SO3?

Ion SO4^2- chứa lưu huỳnh ở mức oxi hoá cao nhất (+6) và rất khó bị oxi hoá, nên H2O nhường electron: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e.

Muốn điều chế Cu từ CuSO4 trong phòng thí nghiệm thì làm thế nào?

Có thể dùng kim loại mạnh hơn nhưng không tác dụng với nước như Fe, Zn, Mg: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. Hoặc điện phân dung dịch CuSO4.

Điện phân CuSO4 bằng anot đồng có giống dùng điện cực trơ không?

Không. Với anot đồng, anot bị tan (Cu → Cu2+ + 2e) và không sinh O2; nồng độ CuSO4 gần như không đổi. Đây là cơ sở của việc tinh luyện và mạ đồng.