LÝ THUYẾT / HÓA HỌC

ĐIỆN PHÂN

I. SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI

1. ĐIỆN PHÂN NÓNG CHẢY MUỐI CLORUA

Trong thực tế, người ta thường chỉ tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) NÓNG CHẢY của các kim loại có tính KHỬ MẠNH như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al

TỔNG QUÁT: MCl_n → M+ Cl₂

Catot (-): Mⁿ⁺+ ne → M

Anot (+): 2Cl^-→ Cl₂+ 2e

2. ĐIỆN PHÂN NÓNG CHẢY HIĐROXIT

(CHỈ áp dụng để điều chế các kim loại KIỀM: Na, K)

TỔNG QUÁT: MOH →M+O₂+ 2H₂O

Catot (-): M⁺+1e→1M

Anot (+): 4OH^-→ O₂+ 2H₂O + 4e

3. ĐIỆN PHÂN NÓNG CHẢY OXIT

2Al₂O₃ 4Al + 3O₂↑

(Chỉ áp dụng điều chế Al)

VD. Điện phân Al₂O₃ nóng chảy trong thực tế cần thêm criolit (Na₃AlF₆)

SƠ ĐỒ ĐIỆN PHÂN:

2Al₂O₃ 4Al + 3O₂↑

Catot ( – ) Anot ( + )

Al³⁺ + 3e → Al 2O^2- → O₂+ 4e

* Vai trò của criolit (Na₃AlF₆):

- Criolit (Na₃AlF₆) có vai trò quan trọng nhất là làm GIẢM nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃từ 2050^oC xuống khoảng 900^oC.

- Làm TĂNG độ dẫn điện của hệ.

- TẠO LỚP NGĂN CÁCH giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài.

* CHÚ Ý nếu ANOT làm bằng THAN CHÌ:

- Nếu điện cực làm bằng GRAPHIT (THAN CHÌ) thì sẽ bị khí sinh ra ở anot ĂN MÒN.

- Khí ở anot sinh ra thường là HỖN HỢP khí CO, CO₂và O₂.

II. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LI TRONG NƯỚC

- Trong quá trình ĐIỆN PHÂN dung dịch, NGOÀI các ion do chất điện li phân li ra còn có các ion H⁺và OH^-của nước.

- Do đó VIỆC XÁC ĐỊNH sản phẩm của sự điện phân phức tạp hơn.

- Tùy vào TÍNH KHỬ và TÍNH OXI HOÁ của các ion có trong dung dịch điện phân mà ta thu được những sản phẩm KHÁC NHAU.

VD. khi điện phân dung dịch NaCl, các

ION Na⁺, H⁺(H₂O) di chuyển về CATOT

ION Cl^-, OH^-(H₂O) di chuyển về ANOT

Cần xét xem ion nào sẽ phóng điện ở các điện cực.

- CƠ SỞ để giải quyết vấn đề này là dựa vào tính oxi hóa và tính khử của các CẶP OXI HOÁ - KHỬ .

- CHÚ Ý thứ tự cho và nhận electron:

+ CỰC ÂM (-): Chất có tính oxi hóa MẠNH hơn thì NHẬN ELECTRON TRƯỚC.

+ CỰC DƯƠNG (+): Chất có tính khử MẠNH hơn thì CHO ELECTRON TRƯỚC.

1. KHẢ NĂNG OXI HÓA CATION Ở CATOT(CỰC ÂM)

- Ở CATOT có thể xảy ra các quá trình khử sau đây:

Mⁿ⁺ + ne → M

2H⁺(axit) + 2e → H₂

Hoặc ion HIĐRÔ của nước bị khử: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

- Khả năng bị KHỬ của các ion kim loại như sau:

Các cation từ Zn²⁺ đến cuối dãy Hg²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺, Ag⁺… DỄ bị khử nhất và thứ tự tăng dần

Từ Al³⁺ đến các ion đầu dãy Na⁺, Ca²⁺, K⁺ KHÔNG bị khử trong dung dịch

Các ion H⁺của axit DỄ bị khử hơn các ion H⁺của nước

VD. khi điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl₃, CuCl₂ và HCl thì THỨ TỰ các ion bị khử là:

Fe³⁺ + 1e → Fe²⁺

Cu²⁺ + 2e → Cu

2H⁺ + 2e → H₂

Fe²⁺ + 2e → Fe

2. KHẢ NĂNG KHỬ ANION Ở ANOT(CỰC DƯƠNG)

- Với ANOT TRƠ: Ở anot có thể xảy ra các quá trình KHỬ sau đây:

2Cl^- → Cl₂ + 2e

4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e

Hoặc ION OH^- của nước bị OXI HOÁ: 2H₂O → O₂+ 4H⁺+ 4e

- Khả năng bị OXI HOÁ của các anion như sau:

- Các anion gốc axit không chứa oxi DỄ bị oxi hóa nhất theo thứ tự:

S^2– > I^– > Br^– > Cl^– > RCOO^– > OH^– > H₂O.

Các anion gốc axit như NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2-, ClO₄^-…KHÔNG bị oxi hóa.

* Với ANOT TAN:

Nếu khi điện phân dùng các KIM LOẠI như Ni, Cu, Ag… ( trừ Pt) làm anot

Thì các kim loại này DỄ bị oxi hóa hơn các anion do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan) theo sơ đồ:

M (anot) → Mⁿ⁺_(dd)+ ne.

III. ĐỊNH LƯỢNG QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN

Muốn tính khối lượng các chất giải phóng ở các điện cực ta có thể tính theo phương trình điện phân.

Khi biết cường độ dòng điện (I) và thời gian điện phân (t) ta có thể tính theo công thức Faraday:(*)

Trong đó:

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

A: Khối lượng nguyên tử (đối với kim loại) hoặc khối lượng phân tử (đối với chất khí) thu được ở điện cực

n: Số electron mà nguyên tử hoặc ion cho hoặc nhận

I: Cường độ dòng điện (ampe)

t: Thời gian điện phân (giây)

F: Hằng số Faraday (F = 96500)

- Số mol electron nhường hoặc nhận ở mỗi điện cực :

IV. ỨNG DỤNG

Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp:

- ĐIỀU CHẾ CÁC KIM LOẠI

- Điện phân NÓNG CHẢY điều chế kim loại hoạt động RẤT MẠNH như KIM LOẠI KIỀM (Na, K..), kim loại NHÓM IIA (Mg,Ca,Ba...) và Al.
- Điện phân DUNG DỊCH điều chế các kim loại KÉM Al (đứng SAU NHÓM): Cu, Pb, Zn. Fe. Ag, Au…

- ĐIỀU CHẾ một số phi kim như: H_2,O₂, F₂, Cl₂.

- ĐIỀU CHẾ một số hợp chất như: NaOH, H₂O₂, nước Gia – ven.

- TINH CHẾ kim loại và tách riêng từng kim loại ra khỏi hợp kim

- Ứng dụng quan trọng của điện phân trong công nghiệp là MẠ ĐIỆN.

Điện phân với anot TAN được dùng trong mạ điện, nhằm BẢO VỆ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. ANOT là kim loại dùng để mạ (như mạ vàng) còn CATOT là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường RẤT MỎNG, có độ dày từ 5.10^-5 ÷ 1.10³ cm.