Hóa học lớp 12 · KNTT · Chương 5

Lý thuyết Hóa học 12 Bài 16: Điện phân

Chương 5: Pin điện và điện phân · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12 Bài 16: Điện phân theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, phương trình phản ứng hóa học KaTeX chuẩn, bảng biểu trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

10 11 12

Môn

Toán học Vật lý Hóa học Ngữ văn Tiếng Anh Sinh học Lịch sử Địa lý Giáo dục kinh tế & pháp luật Tin học Công nghệ

I. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN

1. Khái niệm

- Điện phân là một quá trình oxi hoá - 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 hoá - khử xảy ra trong quá trình điện phân là phản ứng không tự xảy ra mà phải nhờ tác động của điện năng để gây ra phản ứng đó.

- Các chất tham gia vào quá trình điện phân có thể ở trạng thái nóng chảy (điện phân nóng chảy) hoặc dung dịch (điện phân dung dịch). Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường, các ion âm sẽ di chuyển về điện cực dương, các ion dương sẽ di chuyển về điện cực âm.

- Khi điện phân dung dịch, nước cũng có thể tham gia điện phân với vai trò chất khử (2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e) hoặc chất oxi hoá (2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-).

- Theo quy ước chung, đối với cả pin điện và bình điện phân, tại cathode xảy ra quá trình khử và tại anode xảy ra quá trình oxi hoá. Do vậy, trong điện phân cathode là cực âm, anode là cực dương.

- Ví dụ: Sodium chloride (NaCl) nóng chảy điện li thành các ion Na⁺ và Cl⁻ chuyển động tự do. Trong điện trường, các ion sẽ di chuyển về các cực trái dấu. Ở một hiệu điện thế đủ lớn, trên bề mặt các điện cực xảy ra các quá trình:

Cực âm (cathode)	Quá trình khử ion Na⁺	Na⁺ + 1e → Na
Cực dương (anode)	Quá trình oxi hoá ion Cl⁻	$Cl^{-}\overset{}{\to}\frac{1}{2}Cl_{2} + 1 \text{e}$

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân NaCl nóng chảy:

$NaCl ( l ) \overset{}{\to}Na ( l ) + \frac{1}{2}Cl_{2} ( g )$

2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

- Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hoá và chất khử, các quá trình xảy ra tại anode và cathode tuân theo thứ tự sau:

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

+ Tại cathode, chất oxi hoá mạnh hơn sẽ bị khử trước.

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl bão hoà với điện cực trơ, có màng ngăn. Trong dung dịch nước, NaCl điện li thành Na⁺ và Cl^-.

NaCl(aq) → Na⁺(aq) + Cl^-(aq)

Tại điện cực âm có ion Na⁺ và H₂O. Vì H₂O (bản chất là H⁺ của phân tử H₂O) dễ nhận electron hơn Na⁺ nên ưu tiên xảy ra quá trình:

2H₂O(l) + 2e → H₂(g) + 2OH^-(aq)

Tại điện cực dương có Cl^- và H₂O. Trong điều kiện này, Cl^- được ưu tiên điện phân trước theo quá trình:

2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)

Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ và không có màng ngăn, trong quá trình điện phân, NaCl sinh ra ở cathode sẽ phản ứng với khí Cl₂ sinh ra ở anode theo phương trình hoá học:

2NaOH(aq) + Cl₂(aq) → NaOCl(aq) + NaCl(aq) + H₂O(l)

Dung dịch sản phẩm thu được gọi là nước Javel.

- 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 hoá - khử trong dãy điện hoá.

Ví dụ:

+ Thứ tự điện phân tại anode: $I^{-} > Br^{-} > Cl^{-}$

(Các anion như $CO_{3}^{-} , \text{~} NO_{3}^{-} , \text{~} PO_{4}^{3 -} , \text{~} SO_{4}^{2 -} , \text{~} F^{-}v\text{ à } \text{~} ClO_{4}^{-}$ coi như không bị điện phân).

Thứ tự điện phân tại cathode: Au³⁺ > Ag⁺ > Hg²⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > H₂O.

Chú ý: Thứ tự điện phân còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực, đặc biệt là các quá trình tạo ra sản phẩm ở thể khí.

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 (đpdd).

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

2. Tinh chế kim loại

- Từ nguồn kim loại thô (kim loại phế liệu hoặc sau quá trình nhiệt luyện, thuỷ luyện), 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.

3. Mạ điện

- Phương pháp điện phân được sử dụng trong mạ điện, trong đó ion kim loại bị khử, tạo thành lớp kim loại rắn bao phủ trên bề mặt kim loại cần mạ nhằm trang trí bề mặt hoặc chống sự ăn mòn.

- Trong kĩ thuật mạ điện, các 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 và thanh kim loại mạ.

🌟 Em đã học (Ghi nhớ kiến thức trọng tâm)

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy. Đây là quá trình biến điện năng thành hóa năng (cưỡng bức phản ứng không tự phát xảy ra).
Quy tắc các điện cực trong bình điện phân: Cực âm (cathode) nối cực âm của nguồn điện ngoài, xảy ra quá trình khử (thu electron: cation nhận e); Cực dương (anode) nối cực dương của nguồn điện ngoài, xảy ra quá trình oxi hóa (nhường electron: anion hoặc điện cực nhường e).
Thứ tự phóng điện: 1. Tại cathode: Dạng oxi hóa có thế điện cực chuẩn lớn hơn sẽ bị khử trước: $Ag^+ > Fe^{3+} > Cu^{2+} > H^+ > Fe^{2+} > Zn^{2+}$ . Các ion kim loại từ $Al^{3+}$ trở về trước không bị khử trong dung dịch nước mà phân tử nước bị khử: $2H_2O + 2e \to H_2 \uparrow + 2OH^-$ . 2. Tại anode trơ: Dạng khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn bị oxi hóa trước: $I^- > Br^- > Cl^- > H_2O > SO_4^{2-}, NO_3^-$ . Nước bị oxi hóa: $2H_2O \to O_2 \uparrow + 4H^+ + 4e$ .
Định luật Faraday về điện phân: Khối lượng chất giải phóng ở điện cực tính theo công thức: $m = \frac{A \cdot I \cdot t}{n \cdot F}$ (với $A$ là khối lượng mol nguyên tử, $n$ là số electron trao đổi, $I$ là cường độ dòng điện (A), $t$ là thời gian (s), $F = 96500\text{ C/mol}$ là hằng số Faraday). Số mol electron trao đổi: $n_e = \frac{I \cdot t}{F}$ .

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Viết các phương trình phản ứng xảy ra tại các điện cực và phương trình hóa học tổng quát khi điện phân dung dịch

CuSO_4

với hai điện cực trơ (platinum)?

Trong dung dịch

CuSO_4

có các ion

Cu^{2+}, SO_4^{2-}

và phân tử nước

H_2O

. - Tại cực âm (Cathode): Cation

Cu^{2+}

có tính oxi hóa mạnh hơn nước nên bị khử trước tạo kim loại Cu bám vào điện cực:

Cu^{2+} + 2e \to Cu \downarrow

- Tại cực dương (Anode trơ): Anion

SO_4^{2-}

có số oxi hóa cực đại (+6) không bị oxi hóa, nước bị oxi hóa giải phóng khí oxygen và ion

H^+

2H_2O \to O_2 \uparrow + 4H^+ + 4e

- Phương trình điện phân dung dịch tổng quát:

2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{\text{đpdd, cực trơ}} 2Cu \downarrow + O_2 \uparrow + 2H_2SO_4

Dung dịch sau điện phân có màu xanh lam nhạt dần và chuyển sang môi trường acid mạnh (

pH < 7

Tại sao không thể điều chế kim loại nhôm (Al) hoặc natri (Na) bằng phương pháp điện phân dung dịch muối của chúng trong nước?

Các kim loại kiềm (

Na, K

), kiềm thổ (

Ca, Ba

) và nhôm (

Al

) có thế điện cực chuẩn rất âm (ví dụ

E_{Na^+/Na}^o = -2{,}71\text{ V}

E_{Al^{3+}/Al}^o = -1{,}66\text{ V}

), có tính khử cực mạnh và ion của chúng có tính oxi hóa rất yếu, yếu hơn nhiều so với phân tử nước (

E_{2H_2O/H_2}^o = -0{,}41\text{ V}

ở điều kiện trung tính). Khi điện phân dung dịch muối trong nước, tại cathode phân tử nước sẽ ưu tiên nhận electron bị khử trước giải phóng khí hydrogen:

2H_2O + 2e \to H_2 \uparrow + 2OH^-

Các cation kim loại

Na^+

hoặc

Al^{3+}

không bị khử trong nước. Do đó để điều chế kim loại hoạt động mạnh, bắt buộc phải điện phân muối hoặc oxide nóng chảy ở trạng thái không có nước.

Nêu ứng dụng thực tế quan trọng của quá trình điện phân trong công nghiệp luyện kim và mạ điện?

1. Sản xuất kim loại siêu tinh khiết: Tinh luyện đồng (Cu) điện phân bằng phương pháp anode tan (anode là đồng thô chứa tạp chất, cathode là lá đồng tinh khiết) để thu được đồng

99{,}99\%

làm dây dẫn điện cao cấp. 2. Luyện nhôm công nghiệp: Điện phân nóng chảy

Al_2O_3

hòa tan trong quặng cryolite (

Na_3AlF_6

) là phương pháp duy nhất trên thế giới để sản xuất hàng triệu tấn kim loại nhôm mỗi năm. 3. Sản xuất hóa chất công nghiệp cơ bản: Điện phân dung dịch

NaCl

có màng ngăn xút - clo để sản xuất khí

Cl_2

H_2

và xút ăn da

NaOH

. 4. Kĩ thuật mạ điện và đúc điện: Mạ các lớp kim loại quý bền đẹp (vàng, bạc, niken, crom) lên bề mặt kim loại nền để chống ăn mòn và tăng tính thẩm mĩ.

Điện phân dung dịch chứa

0{,}2\text{ mol}

CuSO_4

với cường độ dòng điện không đổi

I = 5\text{ A}

trong thời gian

t = 1930\text{ giây}

với hai điện cực trơ. Tính khối lượng kim loại đồng bám trên cathode và thể tích khí thoát ra ở anode (đktc)?

Số mol electron trao đổi qua bình điện phân:

n_e = \frac{I \cdot t}{F} = \frac{5 \times 1930}{96500} = 0{,}10\text{ mol}

- Tại cathode:

Cu^{2+} + 2e \to Cu

. Số mol

Cu^{2+}

ban đầu là

0{,}2\text{ mol}

. Lượng electron cần để khử hết

Cu^{2+}

là

2 \times 0{,}2 = 0{,}4\text{ mol} > 0{,}10\text{ mol}

, nên ion

Cu^{2+}

chưa bị khử hết, nước chưa bị khử ở cathode. Số mol Cu tạo thành:

n_{Cu} = \frac{n_e}{2} = \frac{0{,}10}{2} = 0{,}05\text{ mol}

Khối lượng đồng bám vào cathode:

m_{Cu} = 0{,}05 \times 64 = 3{,}2\text{ g}

- Tại anode:

2H_2O \to O_2 \uparrow + 4H^+ + 4e

. Số mol khí oxygen thoát ra:

n_{O_2} = \frac{n_e}{4} = \frac{0{,}10}{4} = 0{,}025\text{ mol}

Thể tích khí

O_2

thu được ở đktc:

V_{O_2} = 0{,}025 \times 22{,}4 = 0{,}56\text{ lít}

Đề luyện tập theo bài

Bài 16: Kim loại kiềm thổ và hợp chất - Đề 1 (Nhận biết)28 câu hỏi · Nhận biết

Làm đề

Bài 16: Kim loại kiềm thổ và hợp chất - Đề 2 (Thông hiểu)28 câu hỏi · Thông hiểu

Làm đề

Bài 16: Kim loại kiềm thổ và hợp chất - Đề 3 (Vận dụng)28 câu hỏi · Vận dụng

Làm đề

Bài 16: Kim loại kiềm thổ và hợp chất - Đề 4 (Tổng hợp)28 câu hỏi · Vận dụng cao

Làm đề

Bài 16: Kim loại kiềm thổ và hợp chất - Đề 5 (Nâng cao)28 câu hỏi · Tổng hợp

Làm đề