Số mol NaCl = 0,1 L * 0,1 M = 0,01 mol (n_Cl⁻ = 0,01 mol). Số mol CuSO₄ = 0,1 L * 0,05 M = 0,005 mol (n_Cu²⁺ = 0,005 mol, n_SO₄²⁻ = 0,005 mol).
Thứ tự điện phân:
Catode (-): Cu²⁺ + 2e → Cu (E° = +0,34V) > Na⁺ (không bị khử) > H₂O (2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻, E° = -0,83V ở pH=7). Cu²⁺ bị khử trước nước.
Anode (+): Cl⁻ (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e, E° = +1,36V) > H₂O (2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e, E° = +1,23V). Cl⁻ bị oxi hóa trước nước nếu nồng độ đủ lớn, nhưng thế điện cực của nước gần với Cl⁻, và SO₄²⁻ không bị oxi hóa.
Điện phân dừng khi nước bắt đầu điện phân ở cả hai cực.
Ở catode: Cu²⁺ bị điện phân hết trước. n_Cu²⁺ = 0,005 mol. Cần 0,005 * 2 = 0,01 mol e. Sau đó, nước bắt đầu điện phân tạo H₂.
Ở anode: Cl⁻ bị điện phân hết trước. n_Cl⁻ = 0,01 mol. Cần 0,01 mol Cl⁻ * (1 mol Cl₂ / 2 mol Cl⁻) * 2 mol e/mol Cl₂ = 0,01 mol e. Sau đó, nước bắt đầu điện phân tạo O₂.
Quá trình điện phân xảy ra đồng thời ở cả hai cực.
Catode: Cu²⁺ + 2e → Cu. Khi n_Cu²⁺ = 0,005 mol, cần 0,01 mol e.
Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e. Khi n_Cl⁻ = 0,01 mol, cần 0,01 mol e.
Do số mol electron cần để điện phân hết Cu²⁺ và Cl⁻ là bằng nhau (0,01 mol), cả Cu²⁺ và Cl⁻ sẽ bị điện phân hết đồng thời.
Khi Cu²⁺ và Cl⁻ hết, nước bắt đầu bị điện phân ở cả hai cực. Catode: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻. Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e.
Đề bài nói dừng khi nước bắt đầu điện phân ở cả hai cực, tức là vừa hết Cu²⁺ và Cl⁻. Tổng số mol electron đã truyền qua là 0,01 mol (để điện phân hết Cu²⁺) + 0,01 mol (để điện phân hết Cl⁻) = 0,02 mol. KHÔNG ĐÚNG. Số mol electron truyền qua mạch là như nhau ở cả hai cực. Lượng electron tối đa có thể truyền qua trước khi nước điện phân ở catode là 0,01 mol (để hết Cu²⁺). Lượng electron tối đa có thể truyền qua trước khi nước điện phân ở anode là 0,01 mol (để hết Cl⁻). Vì cả hai quá trình xảy ra song song, tổng e truyền qua là 0,01 mol (để hết Cu²⁺) và 0,01 mol (để hết Cl⁻). Tổng số electron đã truyền đến khi hết Cu²⁺ và Cl⁻ là 0,01 mol.
Tại catode: Hết Cu²⁺ (0,005 mol), đã nhận 0,01 mol e. Bắt đầu điện phân nước tạo H₂.
Tại anode: Hết Cl⁻ (0,01 mol), đã nhường 0,01 mol e tạo 0,005 mol Cl₂. Bắt đầu điện phân nước tạo O₂.
Tổng electron truyền qua đến khi hết cả Cu²⁺ và Cl⁻ là 0,01 mol.
Khi hết Cu²⁺ (0,005 mol) ở catode, đã nhận 0,01 mol e.
Khi hết Cl⁻ (0,01 mol) ở anode, đã nhường 0,01 mol e tạo 0,005 mol Cl₂.
Vậy lượng electron đã truyền qua là 0,01 mol.
Khí thoát ra ở anode là Cl₂. Số mol Cl₂ = 0,01 mol e / 2 = 0,005 mol. Thể tích Cl₂ = 0,005 * 22,4 = 0,112 lít.
Khí thoát ra ở catode? Khi hết Cu²⁺ (0,005 mol), lượng e là 0,01 mol. Nước bắt đầu điện phân ở catode khi e > 0,01 mol. Nước bắt đầu điện phân ở anode khi e > 0,01 mol. Vậy tại thời điểm dừng (nước bắt đầu điện phân ở cả hai cực), tổng lượng electron truyền qua là *vừa đủ* để hết Cu²⁺ và Cl⁻. Lượng electron này là 0,01 mol.
Ở catode: Cu²⁺ + 2e → Cu (0,005 mol Cu²⁺ nhận 0,01 mol e). Hết Cu²⁺. Chưa điện phân nước.
Ở anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e (0,01 mol Cl⁻ nhường 0,01 mol e tạo 0,005 mol Cl₂). Hết Cl⁻. Chưa điện phân nước.
Như vậy, tại thời điểm nước bắt đầu điện phân ở cả hai cực, chỉ có khí Cl₂ thoát ra ở anode. Khí H₂ thoát ra ở catode chỉ khi lượng electron truyền qua lớn hơn 0,01 mol.
Đề bài nói 'nước bắt đầu bị điện phân ở cả hai cực'. Điều này có nghĩa là lượng electron truyền qua vừa đủ để điện phân hết cả Cu²⁺ và Cl⁻, và nếu tiếp tục dù ch?? một chút, nước sẽ bị điện phân ở cả hai cực. Tổng electron cần để hết Cu²⁺ và Cl⁻ là 0,01 mol.
Với 0,01 mol e:
Catode: 0,005 mol Cu²⁺ nhận 0,01 mol e tạo 0,005 mol Cu. (Hết Cu²⁺, catode chuẩn bị điện phân nước).
Anode: 0,01 mol Cl⁻ nhường 0,01 mol e tạo 0,005 mol Cl₂. (Hết Cl⁻, anode chuẩn bị điện phân nước).
Vậy tại thời điểm dừng, chỉ có khí Cl₂ thoát ra ở anode với số mol 0,005 mol. Không có khí H₂ ở catode. Tổng thể tích khí là 0,005 * 22,4 = 0,112 lít.
Có lẽ cách hiểu 'nước bắt đầu bị điện phân ở cả hai cực' là khi cả hai ion (Cu²⁺ và Cl⁻) đã hết, và nếu tiếp tục, nước sẽ điện phân. Số mol electron tối thiểu để hết cả hai ion là 0,01 mol. Với 0,01 mol e, chỉ có khí Cl₂ thoát ra.
Xem lại thứ tự E°: E°(Cu²⁺/Cu)=0.34V, E°(H⁺/H₂)=0V (pH=0), E°(H₂O/H₂,OH⁻)=-0.83V (pH=7). E°(Cl₂/Cl⁻)=1.36V, E°(O₂/H₂O)=1.23V.
Catode: Cu²⁺ nhận e trước nước. Anode: Cl⁻ nhường e trước nước (nếu nồng độ cao).
Khi hết Cu²⁺ (0.005 mol), e = 0.01 mol. Khi hết Cl⁻ (0.01 mol), e = 0.01 mol.
Nếu e = 0.01 mol: Catode hết Cu²⁺, chưa điện phân nước. Anode hết Cl⁻, tạo 0.005 mol Cl₂, chưa điện phân nước.
Nếu e tăng lên một chút > 0.01 mol: Catode bắt đầu điện phân nước tạo H₂. Anode bắt đầu điện phân nước tạo O₂.
Vậy thời điểm dừng là khi e = 0.01 mol. Khí thoát ra chỉ có Cl₂ ở anode.
Tổng thể tích khí = V_Cl₂ = 0,005 * 22,4 = 0,112 lít.
