LÍ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

 

I. KHÁI NIỆM

 - Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

 

* Lưu ý: Khác với phản ứng oxi hóa – khử thông thường, phản ứng điện phân do tác dụng của điện năng và các chất trong môi trường điện phân không trực tiếp cho nhau electron mà phải truyền qua dây dẫn.
 

II. QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN XẢY RA TẠI CATOT

 - Tại catot xảy ra quá trình khử cation

   Mⁿ⁺ + ne → M

K  Ca  Na  Mg  Al      Zn  Fe ..... Pt Au

điện phân nóng chảy  điện phân dung dịch

 

1. Điện phân chất điện li nóng chảy

 - Điều chế được hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ dùng điều chế các kim loại như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al. Vì phương pháp này tốn kém hơn so với phương pháp điện phân dung dịch.

 

2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

 

 - Điều chế các kim loại trung bình, yếu (sau Al). 

                   Mⁿ⁺  +  ne → M 

 

* Lưu ý: 

 - Nếu điện phân dung dịch mà có các ion K⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ thì nước sẽ tham gia điện phân.

       2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^– 

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

Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot có chứa các ion Na⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Ag⁺ và Zn²⁺ thì thứ tự điện phân sẽ là 

  Ag⁺ +  1e  → Ag 

  Cu²⁺ + 2e → Cu 

  Fe²⁺ + 2e → Fe 

  Zn²⁺ + 2e → Zn 

  2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^– 

 - Các ion H⁺ của axit dễ bị khử hơn các ion H⁺ của nước

 

III. QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN XẢY RA TẠI ANOT

 

 - Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion

   X^n- → X + ne  

 

1. Anot trơ (điện cực được làm bằng than chì)

 

a. Gốc axit không chứa oxi như halogenua X^-, sunfua S^2- ... thì gốc axit tham gia điện phân

 - Thứ tự anion bị oxi hóa: S^2– > I^– > Br^– > Cl^– > RCOO^– > OH^– > H₂O

 

b. Gốc axit có chứa oxi NO₃^–, SO₄^2–, PO₄^3–, CO₃^2–, ClO₄^–… thì nước tham gia điện phân.

    2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e 

 

2. Anot tan: Anot tham gia điện phân được ứng dụng để mạ điện

 

* Lưu ý:

- Trong điện phân dung dịch nước giữ một vai trò quan trọng:

 + Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực.

 

 + Có thể tham gia vào quá trình điện phân:

 

     Tại catot (-) H₂O bị khử:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^– 

 

     Tại anot (+) H₂O bị oxi hóa:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e 

 

- Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân do điện ở quá lớn (I=0). Do vậy muốn điện phân nước cần hoà thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh.

 

Ví dụ 1: Viết sơ đồ điện phân nóng chảy NaCl  

 

Catot ( – )   NaCl   Anot ( + ) 
2 Na⁺ + e → Na                  2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điện phân là:

2NaCl → 2Na + Cl₂ 

Ví dụ 2: Viết sơ đồ điện phân nóng chảy NaOH 

Catot ( – )   NaOH   Anot ( + ) 
  Na⁺ + 1e → Na            4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e

Phương trình điện phân là:

4NaOH → 4Na + O₂ + 2H₂O

 

Ví dụ 3: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy pha thêm criolit (Na₃AlF₆) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – )  Al₂O₃   Anot ( + ) 
Al³⁺ + 3e → Al                        2O^2- → O₂ + 4e

Phương trình điện phân là:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

 

Ví dụ 4: Viết sơ đồ điện phân dung dịch CuCl₂

Catot ( – )  CuCl₂   Anot ( + ) 
Cu²⁺ + 2e  → Cu                 2Cl^-  → Cl₂ + 2e

Phương trình điện phân là:

CuCl₂  → Cu + Cl₂ 

 

Ví dụ 5: Viết sơ đồ điện phân dung dịch NaCl

Catot ( – )   NaCl   Anot ( + ) 

H₂O, Na⁺          (H₂O)        Cl^-, H₂O 
    2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-           2Cl^- → Cl₂ + 2e

Phương trình điện phân là:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂ 

Nếu không có màng ngăn thì:

Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Nên phương trình điện phân là:

NaCl + H₂O → NaClO + H₂ 

Ví dụ 6: Viết sơ đồ điện phân dung dịch CuSO₄

Catot ( – )   CuSO₄   Anot ( + ) 

Cu²⁺, H₂O            (H₂O)        H₂O, SO₄^2- 
    Cu²⁺ + 2e → Ni            2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Phương trình điện phân là:

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + 2H₂SO₄ + O₂ 

IV. ĐỊNH LUẬT FARADAY

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

m = 

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 là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10^-19.6,022.10²³ ≈ 96500 C.mol^-1) 

 Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng