Điện phân SVIP

I. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN

1. Khái niệm

Điện phân là một 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.

- Điều kiện xảy ra điện phân:

+ Có dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua

+ Chất điện phân phải ở trạng thái nóng chảy (điện phân nóng chảy) hoặc dung dịch (điện phân dung dịch).

- Quy ước của quá trình điện phân:

+ Tại cathode (cực âm) xảy ra quá trình khử.

+ Tại anode (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa.

- Nước có thể đóng vai trò chất khử (2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e) hoặc chất oxi hóa (2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-) trong quá trình điện phân dung dịch.

Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy.

2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

- Nguyên tắc điện phân:

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

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

⚠ Lưu ý:

- Thứ tự điện phân tại anode: I^- > Br^- > Cl^- (các anion như CO₃^2-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2-, F^- và ClO₄^- coi như không bị điện phân).

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

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. Tuy nhiên, vì H₂O dễ bị oxi hóa hơn SO₄^2- nên H₂O bị oxi hóa trước, tạo thành sản phẩm là khí 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

- Sơ đồ điện phân: 

- Phương trình điện phân:

CuSO₄ + H₂O → Cu + ½ O₂ + H₂SO₄

b. Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ

II. ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

1. Sản xuất kim loại

- Các kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.

- Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Al,... được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy.

Ví dụ: Sản xuất nhôm từ quặng bauxite:

- Giai đoạn 1: Tinh chế quặng bauxite bằng phương pháp hóa học.

- Giai đoạn 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy (trộn với cryolit Na₃AlF₆ để hạ nhiệt độ nóng chảy, tiết kiệm năng lượng và ngăn Al bị oxi hóa).

Khí O₂ sinh ra ở nhiệt độ cao làm anode cháy nên phải hạ dần trong quá trình điện phân.

2. Tinh chế kim loại

Để tinh chế kim loại, người ta điện phân dung dịch muối của nó với điện cực dương làm từ kim loại chưa tinh khiết.

Ví dụ: Tinh chế đồng phế liệu (đồng thô) bằng phương pháp điện phân với anode là đồng thô, cathode là đồng tinh khiết nhúng trong dung dịch điện phân là CuSO4/H2SO4.

➤ Tại anode: Cu → Cu²⁺ + 2e

➤ Tại cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Kết thúc quá trình điện phân thu được đồng tinh khiết ở cathode.

3. Mạ điện

Mạ điện sử dụng phương pháp điện phân để khử ion kim loại tạo thành lớp phủ để chống ăn mòn hoặc trang trí.

- Kim loại mạ: chromium, nickel, đồng, vàng, bạc, platinum,...

- Thành phần của bình mạ điện: kim loại mạ, vật cần mạ và thanh kim loại mạ.

Ví dụ: Mạ đồng lên một chiếc chìa khóa.

- Thanh kim loại là anode.

- Chìa khóa đóng vai trò là cathode.

- Dung dịch điện phân là dung dịch CuSO₄.

Độ dày của lớp mạ phụ thuộc vào cường độ dòng điện và thời gian mạ.