Bài 16. Điện phân – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm, bình điện phân và thứ tự điện phân

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 chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

Bình điện phân gồm hai điện cực nhúng trong chất điện li, mỗi điện cực nối với một cực của nguồn điện một chiều:

Điện cực nối với cực âm của nguồn điện là cathode: tại đây xảy ra quá trình khử.
Điện cực nối với cực dương của nguồn điện là anode: tại đây xảy ra quá trình oxi hoá.
Trong chất điện li, cation di chuyển về cathode, anion di chuyển về anode.

Thứ tự điện phân ở các điện cực (dung dịch, điện cực trơ).

Ở cathode: chất có tính oxi hoá mạnh hơn (thế điện cực chuẩn lớn hơn) bị khử trước. Các cation như $\mathrm{Ag^+, Cu^{2+}, Fe^{3+}, Ni^{2+}, Zn^{2+}}$ bị khử thành kim loại (riêng $\mathrm{Fe^{3+}}$ bị khử trước hết thành $\mathrm{Fe^{2+}}$ ). Các cation kim loại hoạt động mạnh ( $\mathrm{K^+, Na^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Al^{3+}}$ ) không bị khử trong dung dịch; khi đó nước bị khử: $\mathrm{2H_2O + 2e \to H_2 + 2OH^-}$ .
Ở anode: chất có tính khử mạnh hơn bị oxi hoá trước, thứ tự $\mathrm{I^- > Br^- > Cl^- > H_2O}$ . Các anion như $\mathrm{SO_4^{2-}, NO_3^-, F^-}$ không bị oxi hoá trong dung dịch; khi đó nước bị oxi hoá: $\mathrm{2H_2O \to O_2 + 4H^+ + 4e}$ .

2. Phương trình hoá học tiêu biểu

Ghi chú: đpnc = điện phân nóng chảy; đpdd =điện phân dung dịch với điện cực trơ.

Điện phân nóng chảy

$\mathrm{2NaCl \xrightarrow{\text{đpnc}} 2Na + Cl_2}$ .
Sản xuất nhôm: $\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow[\text{cryolite}]{\text{đpnc}} 4Al + 3O_2}$ .

Điện phân dung dịch, điện cực trơ

Dung dịch NaCl (có màng ngăn):

$\mathrm{2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{\text{đpdd}} 2NaOH + H_2 + Cl_2}$ .
Dung dịch muối sulfate của kim loại có tính oxi hoá trung bình, yếu: $\mathrm{2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{\text{đpdd}} 2Cu + 2H_2SO_4 + O_2}$ .
Dung dịch $\mathrm{H_2SO_4}$ , $\mathrm{NaOH}$ , $\mathrm{Na_2SO_4}$ : thực chất là điện phân nước $\mathrm{2H_2O \xrightarrow{\text{đpdd}} 2H_2 + O_2}$ .

Điện phân với anode tan (tinh chế kim loại, mạ điện)

Anode bằng đồng bị hoà tan: $\mathrm{Cu \longrightarrow Cu^{2+} + 2e}$ .
Cathode: $\mathrm{Cu^{2+} + 2e \longrightarrow Cu}$ .
Tinh chế đồng: anode là đồng thô bị hoà tan, đồng tinh khiết bám ở cathode, nồng độ $\mathrm{Cu^{2+}}$ trong dung dịch gần như không đổi.

3. Định luật Faraday

Khối lượng chất thoát ra ở điện cực tỉ lệ thuận với điện lượng đi qua bình điện phân và với tỉ số $\dfrac{M}{n}$ của chất đó.

\boxed{m=\frac{M\cdot I\cdot t}{n\cdot F}} \qquad\text{(nếu có hiệu suất $H$ thì nhân thêm $H$)}

Trong đó:

$m$ : khối lượng chất thoát ra ở điện cực ( $\mathrm{g}$ ).
$M$ : khối lượng mol của chất (g/mol).
$q=I\cdot t$ : điện lượng ( $\mathrm{C}$ ); $I$ là cường độ dòng điện ( $\mathrm{A}$ ); $t$ là thời gian ( $\mathrm{s}$ ).
$n$ : số electron mà một nguyên tử hoặc ion trao đổi (ví dụ: $\mathrm{Cu^{2+}+2e\to Cu}$ thì $n=2$ ).
$F=96\,485\approx 96\,500$ : hằng số Faraday ( $\mathrm{C/mol}$ electron).

Số mol electron trao đổi: $n_e=\dfrac{I\cdot t}{F}$ . Nếu cho cùng một dòng điện qua nhiều bình điện phân mắc nối tiếp, số mol electron trao đổi ở mỗi bình như nhau:

m_1:m_2:\dots=\frac{M_1}{n_1}:\frac{M_2}{n_2}:\dots

4. Ứng dụng của điện phân

Điều chế kim loại hoạt động mạnh (Na, K, Mg, Ca…): điện phân nóng chảy muối chloride của chúng.
Sản xuất nhôm: điện phân nóng chảy $\mathrm{Al_2O_3}$ có mặt cryolite (giúp hạ nhiệt độ nóng chảy).
Điện phân dung dịch $\mathrm{NaCl}$ có màng ngăn để sản xuất $\mathrm{NaOH}$ , $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{H_2}$ .
Tinh chế kim loại (như đồng): kim loại thô làm anode, kim loại tinh khiết làm cathode, dung dịch muối của kim loại đó.
Mạ điện: vật cần mạ làm cathode, kim loại dùng để mạ làm anode, dung dịch chứa muối của kim loại dùng để mạ.

5. Phương pháp giải bài tập

Các bước chung

1.
Xác định chất điện li, loại điện cực (trơ hay tan); xác định cathode, anode.
2.
Dùng thứ tự điện phân để biết chất nào bị khử ở cathode, chất nào bị oxi hoá ở anode.
3.
Viết các quá trình ở điện cực, phương trình hoá học tổng.
4.
Tính điện lượng $q=I\cdot t$ , số mol electron $n_e=\dfrac{q}{F}$ .
5.
Dùng bảo toàn electron (số mol electron nhận ở cathode bằng số mol electron nhường ở anode) để tính khối lượng, thể tích hoặc nồng độ.

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho dòng điện có cường độ $10$ A đi qua dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ dư (điện cực trơ, hiệu suất $100\%$ ) trong $2$ giờ. Tính khối lượng đồng thoát ra ở cathode và thể tích khí thoát ra ở anode (đkc). Lấy $F=96\,500$ C/mol.

Lời giải · 4 bước

Cathode: $\mathrm{Cu^{2+}+2e\to Cu}$ ; anode: $\mathrm{2H_2O\to O_2+4H^+ + 4e}$ .

Bước 2

Thời gian $t=2$ giờ $=7200$ s, nên

q=10\cdot 7200=72\,000\ \mathrm{C},\qquad n_e=\frac{72\,000}{96\,500}\approx 0{,}746\ \mathrm{mol}.

Bước 3

Ở cathode: $n_{\mathrm{Cu}}=\dfrac{n_e}{2}\approx 0{,}373$ mol,

m_{\mathrm{Cu}}\approx 0{,}373\cdot 64\approx 23{,}88\ \mathrm{g}.

Bước 4

Ở anode: $n_{\mathrm{O_2}}=\dfrac{n_e}{4}\approx 0{,}1865$ mol,

V_{\mathrm{O_2}}\approx 0{,}1865\cdot 24{,}79\approx 4{,}62\ \mathrm{L}.

Ví dụ 2

Điện phân dung dịch $\mathrm{NaCl}$ với điện cực trơ, có màng ngăn. Biết ở cathode thu được $2{,}479$ L khí hydrogen (đkc). Tính khối lượng $\mathrm{NaOH}$ tạo thành.

Lời giải · 2 bước

Cathode: $\mathrm{2H_2O+2e\to H_2+2OH^-}$ .

Bước 2

$n_{\mathrm{H_2}}=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}1$ mol, suy ra $n_{\mathrm{OH^-}}=2n_{\mathrm{H_2}}=0{,}2$ mol, do đó

n_{\mathrm{NaOH}}=0{,}2\ \mathrm{mol} \quad\Rightarrow\quad m_{\mathrm{NaOH}}=0{,}2\cdot 40=8\ \mathrm{g}.

Ví dụ 3

Cho dòng điện $I=10$ A điện phân nóng chảy $\mathrm{Al_2O_3}$ trong $100$ giờ, hiệu suất $100\%$ . Tính khối lượng nhôm thu được. Lấy $F=96\,500$ C/mol.

Lời giải · 2 bước

Cathode: $\mathrm{Al^{3+}+3e\to Al}$ nên $n=3$ .

q=10\cdot 100\cdot 3600=3\,600\,000\ \mathrm{C}.

Bước 2

Áp dụng định luật Faraday:

m_{\mathrm{Al}} =\frac{27\cdot 3\,600\,000}{3\cdot 96\,500} \approx 335{,}75\ \mathrm{g}.

7. Lưu ý hay nhầm

Lưu ý

Trong bình điện phân, cathode nối với cực âm, anode nối với cực dương của nguồn (ngược với dấu các điện cực trong pin điện hoá), nhưng ở cả hai thiết bị cathode luôn là nơi xảy ra sự khử, anode là nơi xảy ra sự oxi hoá.
Trong dung dịch, các ion $\mathrm{K^+, Na^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Al^{3+}}$ không bị khử ở cathode, nước bị khử tạo $\mathrm{H_2}$ ; còn các ion như $\mathrm{Zn^{2+}, Fe^{2+}, Ni^{2+}}$ vẫn bị khử thành kim loại.
Ở anode trơ, $\mathrm{SO_4^{2-}, NO_3^-, F^-}$ không bị oxi hoá, khi đó nước bị oxi hoá tạo $\mathrm{O_2}$ .
Trong công thức Faraday, $n$ là số electron trao đổi của một ion (hay nguyên tử) cần tính, không lấy hệ số của cả phương trình.
Khi tinh chế, mạ điện với anode tan, nồng độ ion kim loại trong dung dịch gần như không đổi.
Ở điều kiện chuẩn (đkc: $25\,^\circ\mathrm{C}$ , $1$ bar), $1$ mol khí chiếm $24{,}79$ L.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm, bình điện phân và thứ tự điện phân

2. Phương trình hoá học tiêu biểu

3. Định luật Faraday

4. Ứng dụng của điện phân

5. Phương pháp giải bài tập

6. Ví dụ minh hoạ

7. Lưu ý hay nhầm