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.
I – KHÁI NIỆM SỰ ĐIỆN PHÂN KIM LOẠI
– 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.
– Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot).
– Tại catot xảy ra quá trình khử cation (Mn+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (Xn- → X + ne).
II – SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI
$\underbrace{K,\,\,Na,\,\,Ba,\,\,Ca,\,\,Mg,\,\,Al}_{{}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\underbrace{Zn,\,\,Fe,\,\,…,\,\,Pt,\,\,Au}_{{}}$
Điện phân nóng chảy Điện phân dung dịch
B1: Xác định các cation và anion ứng với mỗi điện cực (ion dương chuyển về cực (-), ion âm chuyển về cực (+) )
B2: Viết quá trình cho – nhận e ở mỗi điện cực.
B3: Viết PT điện phân
1. Điện phân chất điện li nóng chảy
Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) ← NaCl → Anot (+)
Na+ + 1e → Na 2Cl– → Cl2 + 2e
Phương trình điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl2
Ví dụ 2: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) ← Al2O3 → Anot (+)
4| Al3+ + 3e → Al 3| 2O2- → O2 + 4e
Phương trình điện phân là: 2Al2O3 → 4Al + 3O2
2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước
a) Quá trình điện phân ở catot :
– Tại catot xảy ra quá trình khử cation (sau Al): Mn+ + ne → M
– Nếu điện phân dung dịch có các cation K+, Na+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+ thì H2O sẽ tham gia điện phân theo PT: 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
– Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước.
Ví dụ: điện phân dung dịch mà catot chứa các cation sau: Na+, Fe2+, Cu2+, H+. Thứ tự điện phân là
Cu2+ + 2e → Cu
2H+ + 2e → H2
Fe2+ + 2e → Fe
H2O + 2e → H2 + OH–
Na+ không bị điện phân
b) Quá trình điện phân ở anot:
– Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion: Xn- → X + ne
* Gốc axit không chứa oxi như Cl–, S2-… hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước thì tham gia điện phân.
Thứ tự anion bị oxi hóa: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O
Ví dụ: 2Cl– → Cl2 + 2e
4OH– → O2 + 2H2O + 4e
* Gốc axit có chứa oxi NO3–, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–… thì nước tham gia điện phân : 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
– Nếu điện phân không dùng các anot trơ (graphit, platin) mà dùng các kim loại như Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion (thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn), và do đó chúng tan vào dung dịch (anot tan).
c) Một số ví dụ:
– 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: CuCl2 → Cu + Cl2
– 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: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2
Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
=> phương trình điện phân: NaCl + H2O → NaClO + H2
– Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot (–) ← NiSO4 → Anot (+)
Ni2+, H2O (H2O) H2O, SO42-
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 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+ Fe3+ + 1e → Fe2+ Cu2+ + 2e → Cu 2H+ + 2e → H2 Fe2+ + 2e → Fe | 2Cl– → Cl2 + 2e |
III – 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 : $m=\dfrac{A.I.t}{n.F}$
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 (F = 1,602.10-19.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)
Biểu thức liên hệ: $n=\dfrac{I.t}{F}$
IV – ỨNG DỤNG ĐIỆN PHÂN
– Điều chế kim loại
– Điều chế một số phi kim: H2, O2, F2, Cl2
– Điều chế một số hợp chất: NaOH, giaven
– Tinh chế kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au
– Mạ điện: Cu, Ag, Au, Cr, Ni