Vàng hồng là một hợp kim quý được sử dụng chủ yếu trong chế tác trang sức. Trên thị trường có các loại vàng hồng 10K, 14K, 18K với thành phần như sau:
Vàng hồng…… 10K…… 14K….. 18K
%Au………….. 41,7….. 58,5….. 75
%Ag………….. 20…….. 21,5….. 10
%Cu………….. 38,3….. 20…….. 15
Vàng hồng 10K thường bị xỉn màu nhanh do hàm lượng đồng cao. Một nhóm học sinh khi được giao dự án làm tăng hàm lượng vàng, bạc trong một mảnh hợp kim thu hồi từ chiếc nhẫn vàng hồng 10K đã đề xuất sử dụng phương pháp điện phân để loại đồng ra khỏi mảnh nhẫn, với giả thuyết “Nếu kim loại đồng trong mảnh nhẫn tan hết thì khối lượng mảnh nhẫn không giảm nữa”. Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm học sinh đã làm thí nghiệm như sau:
– Cân để xác định khối lượng ban đầu của mảnh nhẫn (1,125 gam) và thanh đồng tinh khiết (2,255 gam).
– Nối mảnh nhẫn với một điện cực và thanh đồng tinh khiết với điện cực còn lại của nguồn điện một chiều, rồi nhúng vào bình điện phân chứa dung dịch copper(II) sulfate.
– Điện phân ở hiệu điện thế phù hợp.
– Sau thời gian điện phân, làm khô, rồi cân để xác định lại khối lượng của mảnh nhẫn và thanh đồng tinh khiết, thấy khối lượng của mảnh nhẫn là 0,515 gam và của thanh đồng là 2,740 gam.
Trong quá trình điện phân nước bay hơi không đáng kể.
a. Có một lượng kim loại bị rơi xuống đáy bình điện phân.
b. Do mảnh nhẫn có chứa Au và Ag có thế điện cực lớn hơn thế điện cực của Cu nên mảnh nhẫn phải được nối với cực dương, thanh đồng tinh khiết được nối với cực âm của nguồn điện.
c. Nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch không đổi trong quá trình điện phân.
d. Với kết quả thí nghiệm như trên thì giả thuyết của nhóm học sinh là sai.
Câu trả lời tốt nhất
Mảnh nhẫn nối với cực dương (anode), tại đây xảy ra quá trình oxi hóa các kim loại thành ion (Cu2+, Ag+, Au3+ tan vào dung dịch).
Thanh đồng tinh khiết nối với cực âm (cathode), tại đây xảy ra quá trình khử các ion trên thành kim loại.
m mảnh nhẫn bị giảm (tan hoặc lắng xuống) = 1,125 – 0,515 = 0,61 gam
m kim loại mới bên cathode = 2,74 – 2,255 = 0,485
Tính khử Cu > Ag > Au nên phần mảnh nhẫn bị hòa tan chứa chủ yếu Cu, một lượng nhỏ Ag và một lượng ít hơn nữa là Au.
(a) Đúng, một lượng kim loại bị rơi xuống đáy bình điện phân. Đây là kết quả của sự hòa tan không đồng đều 3 kim loại Cu, Ag, Au, kim loại nào chưa kịp tan và không còn chỗ bám sẽ rơi xuống.
(b) Đúng.
(c) Sai, với sự xuất hiện các cation mới (Au3+, Ag+) trong khi lượng anion không thay đổi thì nồng độ Cu2+ có bị biến động trong quá trình điện phân.
(d) Đúng, giả thiết của nhóm học sinh là sai vì nếu chỉ có Cu tan ra (0,61.38,3% = 0,23363 gam) thì cathode phải tăng đúng lượng như vậy, trong khi thực tế cathode tăng tới 0,485 gam —> Phải có Ag, Au cùng tan đồng thời cũng có Ag, Au bám vào cathode. Điều này có nghĩa là nếu hết Cu bên anode nhưng Ag, Au vẫn còn thì các kim loại này vẫn tiếp tục tan và anode vấn tiếp tục giảm khối lượng.
*Anode (+): Các KL Cu, Ag, Au bị oxi hoá đồng thời, trong đó tốc độ oxi hoá khác nhau (Cu > Ag > Au). Tại sao sự oxi hoá các kim loại này không theo thứ tự (tức là hết Cu mới đến Ag, hết Ag mới đến Au) ạ? *Cathode (-): Tại sao lại tồn tại các ion Au3+, Ag+ trong dung dịch sau điện phân ạ? Vì tính oxi hoá của Au3+ > Ag+ > Cu2+ nên Au3+, Ag+ bị điện phân hết trước Cu2+ chứ ạ?