Quá trình điện phân

Buzz

Nội dung bài viết

Phân loại quá trình điện phân

Điện phân bằng phương pháp nóng chảy

Điện phân trong dung dịch

Điện cực dương - Anode

Điện cực âm - Cathode

Thế của điện cực

Khái niệm

Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại.

• Bảng giá trị của thế điện cực chuẩn

Lịch sử

Phản ứng xảy ra

Điện phân bằng phương pháp nóng chảy

Điện phân dung dịch

Định luật Faraday

Ứng dụng của điện phân

Tài liệu tham khảo

Xem thêm

Đọc tóm tắt

- Hình ảnh minh họa thiết bị điện phân trong phòng thí nghiệm trường học.
- Điện phân là sử dụng dòng điện để kích thích phản ứng hóa học.
- Quan trọng trong công nghiệp để tách nguyên tố hóa học từ nguồn tài nguyên thiên nhiên.
- Phân loại điện phân: nóng chảy và dung dịch.
- Cấu tạo điện cực dương và âm.
- Thế điện cực chuẩn của kim loại và ý nghĩa.
- Phản ứng điện phân bằng phương pháp nóng chảy và dung dịch.
- Định luật Faraday và ứng dụng của điện phân trong sản xuất kim loại và hợp chất.

Hình ảnh minh họa một thiết bị điện phân được sử dụng trong các phòng thí nghiệm trường học.

Trong lĩnh vực hóa học và sản xuất, điện phân (tiếng Anh: electrolysis) là phương pháp sử dụng dòng điện một chiều để kích thích một phản ứng hóa học không xảy ra tự nhiên nếu không có dòng điện. Điện phân rất quan trọng trong công nghiệp vì nó giúp tách các nguyên tố hóa học từ nguồn tài nguyên thiên nhiên như quặng. Điện áp cần thiết để thực hiện quá trình điện phân được gọi là thế điện phân. Về bản chất, điện phân là quá trình ngược lại với pin điện hóa.

Phân loại quá trình điện phân

Có hai loại quá trình điện phân: điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch.

Điện phân bằng phương pháp nóng chảy

Điện phân trong dung dịch

Điện cực dương - Anode

Điện cực dương (hay còn gọi là cực dương, dương cực, anot) là điện cực kết nối với cực dương của nguồn điện một chiều, nơi mà các điện tử (anion) được hút về và xảy ra phản ứng oxy hóa.

Điện cực âm - Cathode

Điện cực âm (hay còn gọi là âm cực, cực âm, catot) là điện cực kết nối với cực âm của nguồn điện một chiều, nơi các cation di chuyển đến và diễn ra quá trình khử. Trong thực nghiệm, khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa, các ion kim loại này sẽ bị khử và kết tụ thành kim loại bám vào điện cực catot. Ion càng đứng sau trong dãy thế điện hóa thì tính oxy hóa càng mạnh, vì vậy chúng sẽ bị khử trước tại catot.

Thế của điện cực

Khái niệm

● Suất điện động:

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

Epin = E(+) - E(-)

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

● Thế điện cực chuẩn của kim loại:

- Điện cực kim loại với nồng độ ion kim loại trong dung dịch đạt 1M được gọi là điện cực chuẩn.

- Thế điện cực chuẩn của kim loại được đo bằng suất điện động của pin tạo thành từ điện cực hydro chuẩn và điện cực kim loại chuẩn cần đo.

- Nếu kim loại đóng vai trò là cực âm, thế điện cực chuẩn của kim loại sẽ có giá trị âm. Ngược lại, nếu nó là cực dương, thế điện cực chuẩn sẽ có giá trị dương.

Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại.

● So sánh tính oxy hóa và tính khử:

Trong dung dịch nước, thế điện cực chuẩn của kim loại E0Mn+/M càng cao, thì cation Mn+ có tính oxy hóa càng yếu và tính khử của kim loại M càng mạnh. (Ngược lại cũng đúng).

● Xác định chiều của phản ứng oxy hóa-khử:

Cation của kim loại trong cặp oxy hóa-khử có thế điện cực chuẩn cao hơn có khả năng oxy hóa kim loại trong cặp có thế điện cực chuẩn thấp hơn.

- Sắp xếp theo thế điện cực chuẩn của kim loại, với giá trị nhỏ bên trái và giá trị lớn bên phải.

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

Kim loại trong cặp oxy hóa-khử với thế điện cực chuẩn âm có thể khử ion H+ trong dung dịch axit.

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

Epin = E(+)- E(-)

Suất điện động của pin điện hóa luôn là giá trị dương.

● Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxy hóa-khử:

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

Biết E0pin X-Y, có thể xác định E0Yn+/Y nếu biết E0Xm+/X

Ví dụ:

Tính giá trị E0Ni2+/Ni biết rằng E0pin Ni-Cu = 0,60 V và E0Cu2+/Cu = 0,34 V

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

Do đó, E0Ni2+/Ni = 0,34 – 0,60 = -0,28 V

• Bảng giá trị của thế điện cực chuẩn

Chú giải: (s) – rắn; (l) – lỏng; (g) – khí; (aq) – dung dịch; (Hg) – hỗn hống; chữ in đậm – phương trình phân ly nước.

Lịch sử

Năm 1785 – Martinus van Marum sử dụng máy tạo tĩnh điện để khử thiếc, kẽm và antimon khỏi muối của chúng bằng phương pháp điện phân.
Năm 1800 - William Nicholson và Anthony Carlisle (cùng với Johann Ritter) phân tách nước thành khí hydro và oxy.
Năm 1807 - Humphry Davy phát hiện kali, canxi, natri, bari và magiê nhờ vào phương pháp điện phân.
Năm 1886 - Henri Moissan phát hiện fluor bằng phương pháp điện phân.

Phản ứng xảy ra

Điện phân bằng phương pháp nóng chảy

Điện phân chất điện li ở trạng thái nóng chảy

Ví dụ 1: Quá trình điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy có thể được minh họa bằng sơ đồ sau:

Catot (–) ← NaCl → Anot (+)

Na + 1e → Na 2Cl → Cl₂ + 2e

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

Ví dụ 2: Quá trình điện phân Al₂O₃ ở trạng thái nóng chảy với thêm criolit (Na₃AlF₆) có thể được biểu diễn qua sơ đồ sau:

Catot (–) ← Al₂O₃ → Anot (+)

4| Al + 3e → Al 3| 2O → O₂ + 4e

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

Điện phân dung dịch

Tại Catot

- Tại catot, quá trình khử các cation diễn ra (sau Al): M + ne → M

- Trong trường hợp điện phân dung dịch chứa các cation K, Na, Ca, Ba, Mg, Al, nước H₂O cũng tham gia phản ứng theo phương trình: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH

- Khi dung dịch có nhiều cation, cation có tính oxy hóa mạnh hơn sẽ được điện phân trước.

Tại Anot

Tại anot, quá trình oxy hóa anion diễn ra: X → X + ne

* Các gốc axit không chứa oxy như Cl, S... hoặc ion OH- từ bazơ kiềm hoặc nước sẽ tham gia vào điện phân.

Thứ tự ưu tiên oxy hóa của các anion: S > I > Br > Cl > RCOO > OH > H₂O

Khi gốc axit chứa oxy như NO₃, SO₄, PO₄, CO₃, ClO₄... thì nước sẽ tham gia vào quá trình điện phân: 2H₂O → O₂ + 4H + 4e

Nếu Anot không bị ăn mòn:

Khi anot là chất không phản ứng (như bạch kim (Pt) hoặc than chì dùng trong pin), các anion không chứa oxy sẽ bị oxy hóa tại anot. Khi các anion này đã hết, nước sẽ bắt đầu bị oxy hóa, và khi nước hết, quá trình điện phân sẽ dừng lại.

Nếu Anot bị hòa tan:

Nếu anot không phải là chất trơ, nó sẽ bị hòa tan và có thể phản ứng với dung dịch điện phân.

Nếu không có vách ngăn giữa các cực:

Thông thường, bình điện phân có vách ngăn xốp chia thành hai phần: một phần chứa catot và một phần chứa anot. Nếu không có vách ngăn, các sản phẩm của quá trình điện phân có thể phản ứng với dung dịch.

Ví dụ minh họa:

Khi điện phân dung dịch NaCl không có vách ngăn, sản phẩm thu được là nước Javel, do khí Cl₂ phản ứng với NaOH tạo thành.

2NaCl + 2H₂O → H₂ + NaOH + Cl₂

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

Ví dụ về phản ứng điện phân

Ví dụ 1: Điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy có thể được thể hiện qua sơ đồ sau:

Catot (–) ← NaCl → Anot (+)

Na + e → Na 2Cl → Cl₂ + 2e

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

Ví dụ 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy thêm criolit (Na₃AlF₆) có thể được minh họa qua sơ đồ sau:

Catot (–) ← Al₂O₃ → Anot (+)

4| Al + 3e → Al 3| 2O → O₂ + 4e

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

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

Catot (–) ← CuCl₂ → Anot (+)

Cu + 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 và màng ngăn có thể được mô tả bằng sơ đồ sau:

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 sử dụng màng ngăn, phản ứng diễn ra sẽ là: 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 được mô tả qua sơ đồ sau:

Catot (–) ← NiSO₄ → Anot (+)

Ni, H₂O (H₂O) H₂O, SO₄

Ni + 2e → Ni 2H₂O → O₂ + 4H + 4e

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

Ví dụ 6: Điện phân dung dịch NiSO₄ với anot làm bằng Cu có thể được mô tả qua sơ đồ sau:

Catot (–) ← NiSO₄ → Cu (+)

Ni, H₂O (H₂O) H₂O, SO₄

Ni + 2e → Ni Cu → Cu + 2e

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

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

Catot (–)

← FeCl₃, CuCl₂, HCl →

Anot (+)

Fe, Cu, H

Fe + 1e → Fe

Cu + 2e → Cu

2H + 2e → H₂

Fe + 2e → Fe

2Cl → Cl₂ + 2e

Định luật Faraday

Định Luật Điện phân Faraday:

Khối lượng của chất được giải phóng tại mỗi điện cực tỷ lệ với điện lượng đã đi qua dung dịch và với đương lượng của chất:

Trong đó:

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

+ A: khối lượng mol của chất tạo thành tại điện cực

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

+ I: cường độ dòng điện (A)

+ t: thời gian điện phân (s)

+ F: hằng số Faraday (F = 1,602 × 10^6,022 × 10 ≈ 96.500 C/mol)

Công thức liên quan:

Ứng dụng của điện phân

- Sản xuất kim loại

- Tổng hợp một số phi kim: H₂, O₂, F₂, Cl₂

- Chế tạo một số hợp chất: NaOH, nước Giaven

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

- Mạ kim loại: Cu, Ag, Au, Cr, Ni

Khám phá sự điện phân
Cathode
Anode
Điện ly

Tài liệu tham khảo

Điện Phân - hoahoc247.com
Lý thuyết về điện phân lớp 12
Giáo trình Điện phân của Võ Hồng Thái

Lỗi chú thích: Đã phát hiện thẻ <ref> với tên nhóm “note”, nhưng không tìm thấy thẻ tương ứng <references group='note'/> hoặc thẻ đóng </ref> bị thiếu

Theovi.wikipedia.org

Copy link

Nội dung được phát triển bởi đội ngũ Mytour với mục đích chăm sóc khách hàng và chỉ dành cho khích lệ tinh thần trải nghiệm du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không đưa ra lời khuyên cho mục đích khác.

Nếu bạn thấy bài viết này không phù hợp hoặc sai sót xin vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email [email protected]

Các câu hỏi thường gặp

Điện phân là gì và ứng dụng của nó trong công nghiệp?

Điện phân là phương pháp sử dụng dòng điện một chiều để kích thích phản ứng hóa học không xảy ra tự nhiên. Ứng dụng chủ yếu bao gồm tách nguyên tố hóa học từ quặng, sản xuất kim loại và chế tạo một số hợp chất như NaOH.

Thế điện phân và vai trò của nó trong quá trình điện phân?

Thế điện phân là điện áp cần thiết để thực hiện quá trình điện phân. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính khả thi và hiệu quả của phản ứng điện phân.

Có những loại điện cực nào trong quá trình điện phân?

Trong quá trình điện phân, có hai loại điện cực chính: điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode). Anode là nơi xảy ra phản ứng oxy hóa, trong khi cathode là nơi xảy ra phản ứng khử.

Các yếu tố nào ảnh hưởng đến quá trình điện phân?

Quá trình điện phân bị ảnh hưởng bởi cường độ dòng điện, thời gian điện phân, nồng độ ion trong dung dịch và loại điện cực sử dụng. Những yếu tố này quyết định hiệu quả của phản ứng.

Lịch sử phát triển của điện phân có những cột mốc nào quan trọng?

Lịch sử điện phân ghi nhận những cột mốc quan trọng như Martinus van Marum khử thiếc và kẽm vào năm 1785, và Humphry Davy phát hiện các nguyên tố mới vào năm 1807 nhờ điện phân.

Điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch khác nhau như thế nào?

Điện phân nóng chảy diễn ra với chất điện ly ở trạng thái nóng chảy, còn điện phân dung dịch sử dụng dung dịch ion. Mỗi phương pháp có ứng dụng và cơ chế riêng biệt.

Điện phân có thể tạo ra những sản phẩm nào?

Quá trình điện phân có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau, bao gồm khí như H2 và O2, kim loại tinh khiết từ ion trong dung dịch, cũng như các hợp chất như NaOH và nước Javel.

Tại sao việc mạ kim loại lại cần sử dụng điện phân?

Có, mạ kim loại cần sử dụng điện phân để tạo lớp kim loại mỏng bám chắc trên bề mặt vật liệu. Quá trình này không chỉ cải thiện tính thẩm mỹ mà còn bảo vệ vật liệu khỏi ăn mòn.