Hình minh họa một máy điện phân được sử dụng trong phòng thí nghiệm ở trường học.

Trong hóa họcsản xuất chế tạo, điện phân là một phương thức sử dụng một dòng điện một chiều để thúc đẩy một phản ứng hóa học mà nếu không có dòng điện nó không tự xảy ra. Điện phân có tầm quan trọng cao về mặt thương mại do nó là một khâu trong việc tách riêng các nguyên tố hóa học từ những nguồn tài nguyên trong tự nhiên như quặng. Điện áp cần thiết để hiện tượng điện phân xảy ra được gọi là thế điện phân. Quá trình điện phân về bản chất là quá trình ngược với pin điện hóa 🔋

Phân loại Điện phânSửa đổi

Có 2 loại điện phân: Điện phân nóng chảy và Điện phân dung dịch.

Điện phân nóng chảySửa đổi

Điện phân dung dịchSửa đổi

Dương cực-AnodeSửa đổi

Điện cực dương (cực dương, dương cực, anốt) là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, là nơi hút các điện tử (anion) về và xảy ra quá trình oxi hóa.

Âm cực-CathodeSửa đổi

Điện cực âm (âm cực, cực âm, catốt) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi các cation chạy về và xảy ra quá trình khử. Thực nghiệm cho thấy khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào điện cực catot. Ion nào càng đứng sau thì có tính oxi hóa càng mạnh nên càng bị khử trước ở catot.

Thế điện cựcSửa đổi

Định nghĩaSửa đổi

● Suất điện động:

Hiệu của thế điện cực dương (E(+)) với thế điện cực âm (E(-)) được gọi là suất điện động của pin điện hóa:

                              Epin   =  E(+)  - E(-)

(ở ví dụ này E0pin   =  E0(Cu2+/ Cu) -    E0(Zn2+/Zn)).

● Điện cực hidro chuẩn:Sửa đổi

Tấm platin (Pt) nhúng trong dung dịch axit có nồng độ ion H+ là 1 M. Bề mặt được hấp phụ bởi khí hidro dưới áp suất 1atm. E02H+/ H2 = 0,00 V.

● Thế điện cực chuẩn kim loại:Sửa đổi

- Điện cực KL mà nồng độ ion KL trong dung dịch bằng 1M được gọi là điện cực chuẩn.

- Thế điện cực chuẩn của KL cần đo được chấp nhận bằng sđd của pin tạo bởi điện cực hidro chuẩn và điện cực chuẩn của KL cần đo.

- Nếu KL đóng vai cực âm, thì thế điện cực chuẩn của KL có giá trị âm, nếu đóng vai trò cực dương thì thế điện cực chuẩn của KL có gía trị dương.

Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của KL.Sửa đổi

● So sánh tính oxi hóa-khử:Sửa đổi

Trong dung dịch nước thế điện cực chuẩn của KL  E0Mn+/ M càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mn+ và tính khử của KL M càng yếu. (ngược lại).

● Xác định chiều của phản ứng oxi-hóa khử:Sửa đổi

Cation KL trong cặp oxihóa-khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxihóa được KL trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn.

- dựa vào thế điện cực chuẩn của KL để sắp xếp nhỏ bên trái, lớn bên phải.

- viết phương trình phản ứng theo quy tắc anpha ().

KL trong cặp oxihóa-khử có thế ĐCC âm khử được ion H+ của dung dịch axit.

● Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa:Sửa đổi

Epin   =  E(+)  - E(-)

suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương

● Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa-khử:Sửa đổi

               E0pin X-Y = E0Yn+/Y - E0Xm+/X

Khi biết E0pin X-Y, nếu biết E0Yn+/Y  Þ E0Xm+/X

Ví dụ:

Xác định E0Ni2+/Ni. Biết E0pin Ni-Cu = 0,60 V, E0Cu2+/Cu = 0,34V

             E0pin Ni-Cu = E0Cu2+/Cu - E0Ni2+/Ni

             Þ E0Ni2+/Ni = 0,34 – 0,6 = -0,26 V

• Bảng giá trị thế điện cực chuẩnSửa đổi


Lịch sửSửa đổi

Phản ứng xảy raSửa đổi

Điện phân nóng chảySửa đổi

Điện phân chất điện li nóng chảy

Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)     ←    NaCl    →    Anot (+)

Na+ + 1e → Na                     2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl2

Ví dụ 2: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)      ←      Al2O3    →  Anot (+)

4| Al3+ + 3e → Al                    3| 2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân là: 2Al2O3 → 4Al + 3O2

Điện phân dung dịchSửa đổi

Tại CathodeSửa đổi

- Tại catot xảy ra quá trình khử cation (sau Al):  Mn+ + ne → M

- Nếu điện phân dung dịch có các cation K+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+ thì H2O sẽ tham gia điện phân theo PT: 2H2O + 2e → H2 + 2OH-

- Nếu trong dung  dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước.

Tại AnodeSửa đổi

Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion:  Xn- → X + ne  

* Gốc axit không chứa oxi như Cl-, S2-... hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước thì tham gia điện phân.

Thứ tự anion bị oxi hóa: S2– > I > Br > Cl > RCOO > OH > H2O

Gốc axit có chứa oxi NO3, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4… thì nước tham gia điện phân:  2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Nếu Anode không tan:Sửa đổi

Nếu anode là chất trơ (không tan, như Bạch kim (Pt), than chì (có thể dùng lõi pin)), các anion không chứa oxi sẽ bị oxi hóa ở anode, khi không còn anion không chứa oxi, nước sẽ bị oxi hóa, khi hết nước, quá trình điện phân sẽ ngừng.

Nếu Anode tan:Sửa đổi

Nếu anode không trơ thì anode sẽ bị tan và có thể phản ứng với dung dịch điện phân.

Nếu không có vách ngăn giữa hai cực:Sửa đổi

Thường thì bình điện phân có vách ngăn xốp ngăn thành hai phần, một phần chứa cathode, một phần chứa anode, nhưng nếu bỏ vách ngăn này, các chất tạo thành do điện phân sẽ phản ứng với dung dịch.

Ví dụ:Sửa đổi

Điện phân dung dịch NaCl không có vách ngăn, ta được nước Javel do Cl2 sinh ra phản ứng với NaOH tạo thành do điện phân:

2NaCl + 2H2O đp=> H2 + NaOH + Cl2

2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O (hỗn hợp này gọi là nước Javel)

Ví Dụ phản ứng điện phânSửa đổi

Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)     ←    NaCl    →    Anot (+)

Na+ + 1e → Na                     2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl2

Ví dụ 2: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)      ←      Al2O3    →  Anot (+)

4| Al3+ + 3e → Al                    3| 2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân là: 2Al2O3 → 4Al + 3O2

Ví dụ 3: Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)     ←     CuCl2      →      Anot (+)

Cu2+ + 2e → Cu                            2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân: CuCl2 → Cu + Cl2

Ví dụ 4: Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)       ←     NaCl       →       Anot (+)

H2O, Na+               (H2O)                 Cl-, H2O

2H2O + 2e → H2 + 2OH-                 2Cl-  → Cl2 + 2e

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

Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O

=> phương trình điện phân: NaCl + H2O → NaClO + H2

Ví dụ 5: Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)      ←      NiSO4    →    Anot (+)

Ni2+, H2O               (H2O)            H2O, SO42-  

Ni2+ + 2e → Ni                            2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Phương trình điện phân là: 2NiSO4 + 2H2O → 2Ni + 2H2SO4 + O2

Ví dụ 6: Điện phân dung dịch NiSO4 với anot bằng Cu có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)       ←         NiSO4      →      Cu (+)

Ni2+, H2O                  (H2O)                H2O, SO42-

Ni2+ + 2e → Ni                                   Cu → Cu2+ + 2e

Phương trình điện phân là: NiSO4 + Cu → CuSO4 + Ni

Ví dụ 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot (–)   ← FeCl3, CuCl2, HCl  → Anot (+)
Fe3+, Cu2+, H+

Fe3+ + 1e → Fe2+

Cu2+ + 2e → Cu    

2H+ + 2e → H2

Fe2+ + 2e → Fe

2Cl-  → Cl2 + 2e

Định luật FaradaySửa đổi

Bài chi tiết: Định luật Faraday
Định Luật Điện phân Faraday:

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất:   

Trong đó:

+ m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

+ A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực

+ n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

+ I: cường độ dòng điện (A)

+ t: thời gian điện phân (s)

+ F: hằng số Faraday (F = 1,602.10−19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol−1)

Biểu thức liên hệ:     

Ứng dụng Điện phânSửa đổi

- Điều chế kim loại

- Điều chế một số phi kim: H2, O2, F2, Cl2

- Điều chế một số hợp chất: NaOH, nước Giaven

- Tinh chế kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au

- Mạ điện: Cu, Ag, Au, Cr, Ni

Xem thêmSửa đổi

Tham khảoSửa đổi

  1. ^ The Supplement (1803 edition) to Encyclopedia Britannica 3rd edition (1797), volume 1, page 225, "Mister Van Marum, by means of his great electrical machine, decomposed the calces of tin, zinc, and antimony, and resolved them into their respective metals and oxygen" and gives as a reference Journal de Physiques, 1785.

Liên kết ngoàiSửa đổi