SỰ ĐIỆN PHÂN

  1. Định nghĩa

       Điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li ở trạng thái nóng chảy.

      Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học.

Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy điều chế Na.

                 2NaCl   \(\xrightarrow{\tildeđpnc}\)  2Na  +  Cl2­

  • Điện cực: Là thanh kim loại hoặc các vật dẫn điện khác như cacbon (graphit), nhờ nó các electron chuyển từ dung dịch trong bình điện phân vào mạch điện hoặc ngược lại, chuyển từ mạch điện vào dung dịch.

+ Điện cực nối với cực âm (-) của nguồn điện được gọi là catot - cực âm.

+ Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là anot - cực dương.

  • Điện cực trơ : Là điện cực chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, không tham gia cho nhận electron (oxi hoá - khử) trong quá trình điện phân. Đó là điện cực platin (Pt), cacbon (graphit).
  • Trên bề mặt catot, cation của chất điện li đến nhận electron.

                                 (tổng quát: Chất oxi hoá đến nhận electron).

      Xét ví dụ trên:                        Na+ + 1e  →  Na

Vậy trên catot xảy ra sự khử, có sự chuyển electron từ điện cực đến cation chất điện li.

  • Trên bề mặt anot, anion của chất điện li đến nhường electron.

                                    (tổng quát: Chất khử nhường electron).

      Cũng xét ví dụ trên :                 2Cl-   →  Cl2  +  2e

Vậy trên anot xảy ra sự oxi hoá, có sự chuyển electron từ anion của chất điện li tới bề mặt điện cực.

  1. Sự điện phân chất điện li
  2. Điện phân nóng chảy

      Điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm và một số phi kim như F2.

      Ví dụ 1 : Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al.

Al2O3   \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\)   2Al3+   +   3O2-             

Ở catot (cực âm) :       4Al3+  +  12e  →  4Al               (1)

Ở anot (cực dương) :       6O2-  →  3O2  +  12e            (2)

              2Al2O3  \(\xrightarrow{\tildeđpnc}\)   4Al   +   3O2        (3)

      (1), (2) là các phản ứng xảy ra trên bề mặt các điện cực, (3) là phản ứng điện phân tổng quát.

      Không thể điện phân nóng chảy AlCl3 vì đó là hợp chất cộng hóa trị, ở nhiệt độ cao nó không nóng chảy thành ion mà thăng hoa.

        Ví dụ 2 : Điện phân nóng chảy NaOH

                             NaOH   → Na+  +  OH-

Ở catot : 2Na+ + 2e → 2Na

Ở anot : 2OH-   \(\frac{1}{2}\)O2­ + H2O  +   2e

=> 2NaOH  \(\xrightarrow{\tildeđpnc}\)  Na   +   \(\frac{1}{2}\)O2   +   H2O

  1. Điện phân dung dịch chất điện li
  2. Nguyên tắc: Khi điện phân dung dịch nước, ngoài các ion của chất điện li còn có thể có các ion H+ và ion OH- của nước và bản thân kim loại làm điện cực tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực. Khi đó quá trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào tính oxi hoá - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình điện phân. Ta xét trường hợp điện phân dung dịch với điện cực trơ.
  • Thứ tự khử ở catot :

Nói chung, nếu kim loại có tính khử càng yếu thì cation kim loại có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị khử.

         + Khi điện phân dung dịch nước, thường những kim loại nào đứng sau nhôm sẽ thoát ra trên catot:                      

 Mn+   +  ne    →   M

      - Thứ tự khử tại catot (cực âm) : Ag+ > Fe3+ > Cu2+ > H+ > Ni2+ > Fe2+ ...

Các ion không bị điện phân: K+ , Na+, Mg2+, Al3+

  • Thứ tự oxi hoá ở anot:

Nói chung, những phi kim có tính oxi hoá càng yếu thì anion của nó có tính khử càng mạnh và càng dễ bị oxi hoá.

Thường khi điện phân dung dịch nước, thứ tự phóng điện (điện phân) của các anion như sau :

              + Nếu trong dung dịch chất điện li có anion gốc axit không có oxi (S2-, I-, Br-, Cl-...).  Những ion này dễ bị oxi hoá hơn so với phân tử nước. Thực tế trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các ion này thành nguyên tử (phân tử) tự do:      

S2-  →  S  + 2e

                        2X-   →  X2 + 2e

         + Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có anion gốc axit có oxi (SO42-, NO3-, ClO4-...), những anion này khó bị oxi hoá hơn các phân tử nước. Do vậy trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các phân tử nước tạo ra khí oxi và ion H+:

                                                               2H2O   →  O2­  +  4H+  + 4e          

      - Thứ tự oxi hóa tại anot (cực dương) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải :

  Xét các anion

Các ion không bị điện phân: SO42-, NO3-, ClO4-

Các ion có thể bị điện phân : S2- > I- > Br- > Cl- > OH-

  1. Các trường hợp cụ thể:
  • Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr...) với các kim loại từ sau nhôm.

Ví dụ:  + Điện phân dung dịch CuCl2.

Tại catot (-):                1 X  Cu2+  +  2e  →   Cu¯

Tại anot  (+):                1 X 2Cl-  → Cl2­ + 2e

Phương trình ion:          Cu2+ + 2Cl-  \(\xrightarrow{\tilde{n}pdd}\)  Cu¯    +    Cl2­

                                                                               (catot)       (anot)

Phương trình  phân tử :         CuCl2    →  Cu¯     +     Cl2­

  • Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr...) với các kim loại từ nhôm trở về trước (Al3+, Mg2+, Na+, Ca2+, K+).

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

                                             NaCl  → Na+  +  Cl-

                                              H2O  →  H+  +  OH-

Tại catot (-):                1   2H2O  +  2e   →  H2­  +  2OH-

Tại anot  (+):                1  2Cl-  → Cl2­ + 2e

Phương trình ion :            2Cl-   + 2H2O  \(\xrightarrow{\tilde{n}pdd}\)    2OH-    + H2­  +  Cl2­                                                                      

Phương trình  phân tử : 2NaCl + 2H2O  →  2NaOH  + H2­   +  Cl2­

                                                                                                              (catot)    (anot)

Nếu không có màng ngăn, Cl2 sinh ra sẽ tác dụng với NaOH tạo thành nước Gia-ven :

2NaOH  +  Cl2  →  NaCl  + NaClO  +  H2O

(Trong quá trình điện phân, nồng độ ion H3O+ ở khu vực anot tăng và nồng độ OH- tăng ở khu vực catot. Do đó, ở khu vực anot có phản ứng axit còn ở khu vực catot có phản ứng kiềm).

Nhận xét : Trong các trường hợp điện phân dung dịch muối Na2SO4, axit H2SO4, bazơ kiềm NaOH... bản chất là sự điện phân nước. Khi đó muối, axit, kiềm chỉ đóng vai trò chất dẫn điện. Lượng chất (số mol) các chất trong dung dịch không thay đổi (nồng độ các chất tăng  dần do nước bị điện phân, thể tích dung dịch giảm).

(Chú ý:-Trong dung dịch điện li nếu có ion F- và nước thì H2O sẽ bị điện phân.

-Nếu có ion R-COO- khi bị điện phân:   2R-COO- - 2e  = R-R  + 2CO2­ ).

  1. Điện phân hỗn hợp

+Nếu trong dung dịch chất điện li có chứa nhiều ion của những kim loại khác nhau (có nồng độ mol bằng nhau) thì ở catot  sẽ xảy ra sự khử những ion kim loại này theo trình tự sau: Ion kim loại nào có tính oxi hoá mạnh hơn (đứng sau trong dãy thế điện hoá) sẽ bị khử trước.

+ Nếu trong dung dịch chất điện li có những anion gốc axit khác nhau cùng không chứa oxi như: Br-, Cl-, S2-, I- (có cùng nồng độ mol) thì anion nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước. Trên anot sẽ xảy ra sự oxi hoá những anion trên theo trình tự:     

S2-,  I- ,  Br-,  Cl-.

Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa hỗn hợp các muối KBr, FeCl3, CuCl2, FeCl2. Hãy viết thứ tự các phản ứng xảy ra tại các điện cực.

Phương trình phân li:

                                                KBr  →  K+   +   Br-

                                                FeCl3 → Fe3+ + 3Cl-

                                                CuCl2 → Cu2+ + 2Cl-

                                                FeCl2 → Fe2+ + 2Cl-

                                                H2O  \(\rightleftarrows \)  H+ + OH-

 

Thứ tự điện phân tại catot: (Cực âm)

Thứ tự điện phân tại anot:  (Cực dương)

    Fe3+ + 1e  → Fe2+

    Cu2+ + 2e  → Cu

    Fe2+  + 2e  → Fe

sự khử nước    2H2O + 2e  → H2­ + 2OH-

                             2Br-  →  Br2 + 2e

                             2Cl-  → Cl2­ + 2e

 

  sự oxi hoá nước   2H2O → O2­ + 4H+ + 4e

  1. Điện phân với anot (dương cực) tan

Nếu khi điện phân ta dùng anot bằng kim loại hoặc hợp kim thì lúc đó anot bị tan dần do kim loại bị oxi hoá thành ion kim loại.

Ví dụ: Khi điện phân dung dịch CuSO4 nếu thay cực dương (anot) trơ (Pt hay than chì) bằng bản đồng thì sản phẩm của sự điện phân sẽ khác.

Tại catot        (-):      Cu2+  + 2e   → Cu

Tại anot (Cu) (+):     Cu  →  Cu2+   +  2e

              Cu2+ (dd)  +   Cu (r)    →    Cu (r)   +   Cu2+ (dd)      

                             (anot-tan)       (catot-bám)

Kết quả: Cu kim loại kết tủa ở cực âm (catot), khối lượng catot tăng, cực dương (anot) tan ra, khối lượng anot giảm, nồng độ ion Cu2+ và SO42-  trong dung dịch không biến đổi. Kết quả như là sự vận chuyển Cu từ anot sang catot.

Trong công nghiệp, người ta lợi dụng tính tan của cực dương khi điện phân để tinh chế các kim loại, nhất là đồng và để mạ kim loại. Chẳng hạn muốn mạ một kim loại lên trên một vật nào đó, người ta để vật đó ở cực âm (catot) rồi điện phân dung dịch muối của kim loại với cực dương (anot) làm bằng chính kim loại đó.

  1. Định lượng trong điện phân

      Công thức Faraday : \(m = \frac{{{\rm{AIt}}}}{{{\rm{nF}}}}\)

      Trong đó :

              m : Khối lượng chất thu được ở điện cực (gam)

A : Khối lượng mol của chất thu được ở điện cực

F : Hằng số Farađay có giá trị bằng 96500.

n : Số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận (số electron trao đổi)

I : Cường độ dòng điện (ampe)

t : Thời gian điện phân (giây)

 
 
 
 
 
 

Luyện bài tập vận dụng tại đây!