Điện phân và lý thuyết về điện phân là một nội dung quan trọng trong môn học hóa học và vật lý, điện phân có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống. Cùng bài viết này tìm hiểu nhé:
1. Khái niệm điện phân:
Điện phân được hiểu là quá trình chia tách một chất thành các thành phần riêng biệt thông qua việc áp dụng dòng điện một chiều đi qua chất đó.
Sự điện phân còn hiểu 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
Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học
Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan
2. Điện phân nóng chảy:
– Điện phân nóng chảy: áp dụng đối với MCln, M(OH)n và Al2O3 (M là kim loại nhóm IA và IIA)
a) Điện phân nóng chảy oxit:
Nhôm là kim loại được sản xuất bằng cách điện phân Al2O3 nóng chảy. Al2O3 nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ trên 20000C.
Một
Phương trình sự điện phân: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
Tác dụng của Na3ALF6 (criolit)
– Hạ nhiệt độ nóng chảy cho hỗn hợp phản ứng.
– Tăng khả năng dẫn điện cho Al.
– Ngăn chặn sự tiếp xúc của oxi không khí với Al.
– Chú ý: Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra ở anot ăn mòn:
2C + O2 → 2CO↑
2CO + O2 → 2CO2↑
Vì vậy, trong quá trình điện phân nóng chảy oxit, tại anot thường thu được hỗn hợp khí CO, CO2, O2.
b) Điện phân nóng chảy hydroxit kim loại kiềm:
2MOH → 2M + O2↑ + H2O↑ (M = Na, K,)
c) Điện phân muối clorua (thường dùng điều chế KL kiềm và kiềm thổ)
2MClx → 2M + xCl2 (x = 1,2)
3. Điện phân dung dịch:
Quy tắc viết phương trình điện phân:
- Catot (-): xảy ra các quá trình khử chất bị khử
– Ion sau Al3+ bị khử theo thứ tự: Ag+ , Fe3+, Hg2+, Cu2+, Zn2+
Mn+ + ne → M
– Các ion H+ của axit
2H+ + 2e → H2
– Ion của Al. IA, IIA thì
2H2O + 2e → H2 + 2OH-
Ví dụ 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
- Anot (+): xảy ra quá trình oxi hóa chất bị oxh
– Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O
2Cl- → Cl2 + 2e
4OH- → O2 + 2H2O + 4e
2H2O → O2 + 4H+ + 4e
– Các anion gốc axit như NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4- không bị oxi hóa
2H2O → O2 + 4H+ + 4e
– Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng các kim loại như Ni, Cu, Agthì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan)
4. Một số phương trình điện phân phổ biến:
– 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 là: CuCl2 → Cu + Cl2
– Điện phân dung dịch K2SO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) → K2SO4 → Anot (+)
H2O, K+ (H2O) H2O, SO42-
2| 2H2O + 2e → H2 + 2OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Phương trình điện phân là: 2H2O → 2H2 + O2
– 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 là: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2 (có màng ngăn)
Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
nên phương trình điện phân là: NaCl + H2O → NaClO + H2 (không màng ngăn)
– Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot ( – ) → NiSO4 → Anot ( + )
Ni2+, H2O (H2O) H2O, SO42-
2| Ni2+ + 2e → Ni 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Phương trình điện phân là: 2NiSO4 + 2H2O → 2Ni + 2H2SO4 + O2
– 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
– Điện phân dung dịch CuSO4 với anot bằng Cu:
Ở catot ( – ): Cu2+(dd) + 2e → Cu làm giảm nồng độ ion Cu2+ ở bên nhánh trái của ống chữ U
Ở anot ( + ): Cu(r) → Cu2+(dd) + 2e làm tăng nồng độ ion Cu2+ ở bên nhánh trái của ống chữ U và anot dần dần bị hòa tan
Phương trình điện phân là: Cu(r) + Cu2+(dd) → Cu2+(dd) + Cu(r)
– 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+
2| Fe3+ + 1e Fe2+
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
2H+ + 2e → H2
Fe2+ + 2e → Fe
Quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực là:
2FeCl3 → 2FeCl2 + Cl2
CuCl2 → Cu + Cl2
2HCl → H2 + Cl2
FeCl2 → Fe + Cl2
– Điện phân dung dịch NaOH:
NaOH → Na+ + OH–
Catot(-) Anot (+)
Na+ không bị điện phân
2H2O + 2e → H2 + 2OH– 4OH– → 2H2O + O2 + 4e
Phương trình điện phân: H2O → H2 + ½ O2
5. Ứng dụng của điện phân:
Điện phân có một số ứng dụng như sau:
– Điều chế các kim loại (có thể xem thêm bài viết về điều chế các kim loại)
– Điều chế một số phi kim như H2, O2, F2, Cl2
– Điều chế một số hợp chất như NaOH, H2O2, nước Gia – ven
– Tinh chế một số kim loại như Cu, Pb, Zn. Fe. Ag, Au
– Mạ điện:
Điện phân với anot tan cũng 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 hình vẽ là vàng) còn catot là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ 5.10-5 ÷ 1.10-3 cm
6. Bài tập củng cố:
Câu 1: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,1M (điện cực trơ) với cường độ dòng điện 10A, thời gian điện phân là 32 phút 10 giây. Tổng thể tích khí (đktc) sinh ra ở catot và anot là:
A. 1,12 lít.
B. 0,56 lít.
C. 3,36 lít.
D. 2,24 lít.
Đáp án: D
Câu 2: Điện phân dung dịch chứa m gam hỗn hợp gồm Cu(NO3)2 và KCl bằng điện cực trơ, màng ngăn xốp với cường độ dòng điện không đổi. Sau thời gian t giây, ở anot thoát ra 2,688 lít hỗn hợp khí (đktc). Nếu thời gian điện phân là 2t giây, thể tích khí thoát ra ở anot gấp 3 lần thể tích khí thoát ra ở catot (đo cùng điều kiện), đồng thời khối lượng catot tang 18,56 gam. Giá trị của m là
A. 55,34.
B. 63,46.
C. 53,42.
D. 69,87.
Đáp án: B
Câu 3: Điện phân với điện cực trơ dung dịch chứa 0,2 mol Cu(NO3)2, cường độ dòng điện 2,68A, trong thời gian t giờ, thu được dung dịch X. Cho 14,4 gam bột Fe vào X, thu được khí NO (sản phẩm khử duy nhất của N+5) và 13,5 gam chất rắn. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn và
A. 1,00.
B. 1,20.
C. 0,50.
D. 0,25.
Đáp án: A
Câu 4: Điện phân nóng chảy muối MCln với điện cực trơ. Khi catot thu được 16 gam kim loại M thì ở anot thu được 5,6 lít khí Cl2 (đktc). Kim loại M là
A. Mg.
B. Fe.
C. Cu.
D. Ca.
Đáp án: C
Câu 5: Điện phân đến hết 0,2 mol Cu(NO3)2 trong dung dịch với điện cực trơ, thì sau điện phân khối lượng dung dịch đã giảm bao nhiêu gam?
A. 3,2 gam
B. 12,8 gam
C. 16,0 gam
D. 20,0 gam
Đáp án: C
Câu 6: Điện phân 500 ml dung dịch CuSO4 0,4M (điện cực trơ) cho đến khi ở catot thu được 9,6 gam kim loại thì thể tích khí (đktc) thu được ở anot là
A. 4,48 lít.
B. 2,24 lít.
C. 1,12 lít.
D. 1,68 lít.
Đáp án: D
Câu 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp gồm 14,9 gam KCl và 28,2 gam Cu(NO3)2 (điện cực trơ, màng ngăn xốp) đến khi khối lượng dung dịch giảm 15,1 gam thì ngừng điện phân (giả thiết lượng nước bay hơi không đáng kể). Khối lượng kim loại thu được ở catot là
A. 15,1 gam.
B. 6,4 gam.
C. 7,68 gam.
D. 9,6 gam.
Đáp án: C
Câu 8: Điện phân 200 ml dung dịch CuSO4 với điện cực trơ bằng dòng điện một chiều I = 9,65A. Khi thể tích khí thoát ra ở cả hai điện cực đều là 1,12 lít (đktc) thì dừng điện phân. Khối lượng kim loại sinh ra ở catot và thời gian điện phân là
A. 3,2 gam và 2000s
B. 2,2 gam và 800s
C. 6,4 gam và 3600s
D. 5,4 gam và 800s
Đáp án: A
Câu 9: Điện phân dùng điện cực trơ dung dịch muối sunfat kim loại hóa trị II với cường độ dòng điện 3A. Sau 1930 giây thấy khối lượng catot tăng 1,95 gam. Muối sunfat đã điện phân là
A. CuSO4
B. NiSO4
C. MgSO4
D. ZnSO4
Đáp án: D
Câu 10: Điện phân có màng ngăn 500 ml dung dịch chứa hỗn hợp gồm CuCl2 0,1M và NaCl 0,5M (điện cực trơ, hiệu suất 100%) với cường độ dòng điện 5A trong 3860 giây. Dung dịch thu được sau điện phân có khả năng hòa tan m gam Al. Giá trị lớn nhất của m là
A. 4,05
B. 2,70
C. 1,35
D. 5,40
Đáp án: B
