Nội dung chính Hoá học 12 kết nối Bài 16: Điện phân

BÀI 16. ĐIỆN PHÂN

I. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN

1. Khái niệm

- Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra tại các điện cực khi có dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

- Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong quá trình điện phân nhờ tác động của điện năng.

- Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường, các ion âm di chuyển về điện cực dương, ion dương di chuyển về điện cực âm.

- Khi điện phân dung dịch, nước có thể tham gia điện phân với vai trò là chất khử hoặc chất oxi hóa.

- Tại cathode (cực âm) xảy ra quá trình khử, tại anode (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa. 

2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

a) Điện phân dung dịch CuSO4 với các điện cực trơ (graphite)

- Ở anode có thể xảy ra sự oxi hóa ion SO₄^2- hoặc phân tử H₂O. Vì H₂O dễ bị oxi hóa hơn SO₄^2- nên H₂O bị oxi hóa trước, tạo O₂:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

- Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion Cu²⁺ hoặc phân tử H₂O. Vì ion Cu²⁺ dễ bị khử hơn H₂O nên ion Cu²⁺ bị khử trước, tạo thành kim loại Cu bám trên cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu

- Phương trình hóa học của phản ứng điện phân:

CuSO₄ + H₂O Cu + O₂ + H₂SO₄

b) Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ (graphite)

- Ở các điện cực có bọt khí thoát ra.

- Quá trình oxi hóa tại anode: 2Cl^- → Cl₂ + 2e

- Quá trình khử tại cathode: H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

- Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: 

NaCl + H₂O → NaClO + H₂

- Lưu ý: NaClO tạo ra do trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂+ Cl₂

Cl₂+ 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

⇒ Kết luận: 

- Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hóa và chất khử:

+ Tại anode: chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

+ Tại cathode: chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

- Ở điều kiện chuẩn, độ mạnh yếu của các chất oxi hóa và chất khử được so sánh dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn hoặc vị trí cặp oxi hóa – khử trong dãy điện hóa.

II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

1. Sản xuất kim loại

- Trong công nghiệp, một số kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.

- Các kim loại mạnh (Na, K, Mg, Ca, Al,…) được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy hợp chất ion của chúng.

- Ví dụ: Sản xuất nhôm từ quặng bauxite:

+ Giai đoạn 1: Tinh chế quặng bauxite.

+ Giai đoạn 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy.

• Anode: Oxi hóa O^2- thành O₂:

2O^2- → O₂ + 4e

• Cathode: Khử Al³⁺ thành Al:

Al³⁺ + 3e → Al

• Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: Al₂O₃ 4Al + 3O₂

2. Tinh chế kim loại

- Các kim loại như Zn, Ni, Co, Cu, Ag, Au,… được tinh chế bằng phương pháp điện phân. 

- Quá trình tinh chế được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch chất tan (muối hoặc phức chất) của kim loại đó với anode làm bằng kim loại thô tương ứng:

+ Anode: Kim loại bị oxi hóa thành ion kim loại, đi vào dung dịch ⇒ Anode dần bị hòa tan.

+ Cathode: Ion kim loại bị khử thành kim loại, bám trên cathode.

- Kết thúc quá trình điện phân thu được kim loại tinh khiết ở cathode.

⇒ Sự chuyển dời kim loại từ anode (ở dạng kim loại thô) về cathode (ở dạng kim loại tinh khiết). 

3. Mạ điện

- Sử dụng phương pháp điện phân: ion kim loại bị khử, tạo lớp kim loại rắn bao phủ trên bề mặt kim loại cần mạ.

- Mục đích: trang trí bề mặt hoặc chống sự ăn mòn.

- Một số kim loại mạ thường là chromium, nickel, đồng, vàng, bạc, platinum,….

- Bình mạ điện chứa dung dịch muối của kim loại mạ, vật cần mạ, thanh kim loại mạ.