I.Định nghĩa: Điện phân là quá trình oxi hóa khử xẩy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện phân hoặc chất điện li nóng chảy. II. Cơ chế của quá trình. Cation (+) di chuyển về catot xẩy ra quá trình khử. Anion (-)di chuyển về anot xẩy ra quá trình oxi hóa. Dưới tác dụng của điện trường các Cation chuyển dời về Catot, các anion chuyển dời về anot. -Tại catot xẩy ra quá trình khử: Cation nào có tính oxi hóa lớn nhất sẽ nhận electron của nguồn điện trước. -Tại anot xẩy ra quá trình oxi hóa: Anion nào có tính khử lớn nhất sẽ nhường electron cho nguồn điện trước. -Tổng số electron chất khử nhường ở anot bằng tổng số mol electron chất oxi hóa nhận ở catot. III. Ứng dụng của điện phân. 1.Điều chế các kim loại 2.Tinh chế các kim loại. 3.Điều chế một số phi kim: H$_2$, O$_2$, F$_2$, Cl$_2$… 4. Điều chế một số hợp chất: NaOH, H2O2, nước giavel… 5.Mạ điện IV.Định luật Faraday tổng quát. Định luật thiết lập mối quan hệ giữa các chất bị biến đổi ở các điện cực vào cường độ dòng điện, thời gian điện phân cũng như bản chất điện phân. * Công thức dạng Faraday: $m = \frac{A}{n}.\frac{{I.t}}{F}$ Trong đó: m: Khối lượng chất thoát ra ở điện cực ( gam) A: Khối lượng (mol) của chất đó n: Số electron trao đổi(Chú ý n không phải là hóa trị) $\frac{A}{n}$: đương lượng gam hóa học Ý nghĩa của hằng số Faraday. Để làm biến đổi một đương lượng gam của một chất bất kỳ cần tiêu tốn một điện lượng bằng 96500 C.mol$^{-1}$. V.Các quá trình cụ thể xẩy ra: 1.Điện phân nóng chảy. a. Điều kiện để điện phân nóng chảy. Hợp chất đem điện phân nóng chảy phải thỏa mãn đồng thời những điều kiện sau đây. Trạng thái rắn ở điều kiện thường. Bền ở nhiệt độ nóng chảy hoặc cao hơn. Có nhiệt độ nóng chảy không quá cao hoặc tạo với phụ gia thành hỗn hợp có nhiệt độ nóng chảy thấp. Kết luận: Với các điều kiện như trên, trong thực tế người ta chỉ điện phân nóng chảy một số muối clorua của kim loại kiềm, kiềm thổ. Hidroxit, oxit của một số kim loại hoạt động mạnh. Ví dụ 1. Trình bày cơ chế quá trình điện phân NaCl nóng chảy để tạo ra Na trong công nghiệp. Nêu các điểm cần chú ý về mặt kỷ thuật. Giải Các điểm cần chú ý về mặt kỉ thuật. Cần có màng ngăn bao bọc không cho Clo tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân. Cần thêm phụ gia thích hợp như MgCl2, KCl với tỷ lệ xác định, có thể làm giảm nhiệt độ nóng chảy của NaCl từ 850$^0$C xuống còn khoảng 610-650$^0$C. Tiết kiệm năng lượng. Chọn hiệu điện thế, cường độ điện phân và các điện cực thích hợp. Ví dụ 2. Trình bày cơ chế điện phân $A{ℓ_2}{O_3}$ nóng chảy để tạo ra Al trong công nghiệp. Nêu các điểm cần chú ý về mặt kỉ thuật. Giải Các điểm cần chú ý về mặt kỉ thuật. -Cần tinh chế Al2O3 từ quặng Boxit nhôm trước khi đem điện phân. Thành phần của boxit nhôm: $A{ℓ_2}{O_3}$( MgCO$_3$, CaCO$_3$, SiO$_2$, Fe$_3$O$_4$). Quặng boxit sau khi được làm giàu, nghiền nhỏ, rồi đun trong xút đặc dư, sau khi phản ứng xẩy ra hoàn toàn. Pha loãng bằng nước để loại bỏ các tạp chất không tan, lọc dung dịch thu được cho CO$_2$ đi qua ta thu được Al(OH)$_3$, đem đun nóng Al(OH)$_3$ đến khối lượng không đổi ta thu được $A{ℓ_2}{O_3}$ rồi đem điện phân nóng chảy. -Cần cho chất phụ gia là: Na$_3$AlF$_6$ (criolit natri) với tỉ lệ thích hợp để làm giảm nhiệt độ nóng chảy của $A{ℓ_2}{O_3}$ từ 2050$^0$C xuống còn khoảng 950$^0$C. -Chọn hiệu điện thế thích hợp khoảng 4,5-5V. -Chọn cường độ điện phân thích hợp khoảng 50000A. -Chọn điện cực than chì: Vừa có tính dẫn điện tốt, ở nhiệt độ cao vừa tiêu hao lượng oxi ở anot theo hai phản ứng: Các bạn có biết: trước đây để tiếp các thượng khách, Nhà vua Napoleon tiếp bằng các dụng cụ bằng nhôm. Tại vì thời đó chưa có công nghệ điện phân để sản xuất nhôm, mà người ta phải dùng K để khử $A{ℓ_2}{O_3}$ nên ở thời đó Al đắt hơn vàng. Ví dụ 3: Điện phân nóng chảy hoàn toàn 15,8 gam một hợp chất với điện cực trơ thu được 22,4 lít H$_2$ (đktc) ở anot.Trình bày cơ chế của quá trình điện phân và xác định công thức hợp chất đem điện phân. GiảiKhi điện phân một hợp chất thu được hidro thoát ra ở anot -> chứng tỏ hợp chất đem điện phân phải là hợp chất hidrua. Đặt công thức của hợp chất hidrua là M(H)n. Khi nóng chảy ta có: $M{(H)_n} \to {M^{n + }} + n{H^ - }$. Khi cho dòng điện một chiều đi qua ta có: Ví dụ 4: Hãy nêu ý nghĩa của Na$_3$AlF$_6$ trong quá trình điện phân $A{ℓ_2}{O_3}$.Trong các ý nghĩa trên thì ý nghĩa nào quan trọng nhất. Giải- Làm giảm nhiệt độ nóng chảy của $A{ℓ_2}{O_3}$ từ 2050$^0$C xuống còn khoảng 950$^0$C - Làm tăng độ dẫn điện ở trạng thái nóng chảy. - Ngăn cản sự tác dụng trở lại của Al với oxi làm giảm hiệu suất quá trình điện phân-(Do Na$_3$AlF$_6$ có tỷ khối nhỏ nên khi nóng chảy nó nằm phía trên ngăn cản sự tác dụng trở lại của oxi với Al. - Trong các ý nghĩa trên thì ý nghĩa: Làm giảm nhiệt độ nóng chảy của $A{ℓ_2}{O_3}$ từ 2050$^0$C xuống còn khoảng 950$^0$C là quan trọng nhất. Ví dụ 5. Có thể điện phân nóng chảy AlCl$_3$ để sản suất Al được không.Giải thích? GiảiSo sánh với điều kiện điện phân nóng chảy ở trên ta thấy AlCl$_3$ không thỏa mãn ở điều kiện thứ 2. Vì AlCl$_3$ là hợp chất cộng hóa trị nên khi đun nóng nó sẽ bị thăng hoa nên không bền ở nhiệt độ nóng chảy. 2.Điện phân dung dịch. Khi điện phân dung dịch tùy thuộc vào bản chất của chất đem điện phân mà dung môi nước có thể tham gia vào các quá trình xẩy ra ở catot và anot. a.Các quá trình xảy ra ở Catot (điện cực trơ) Quy tắc 1. Nếu đến Catot gồm các cation kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc Al3+.Thì dung môi nước đóng vai trò chất oxi hóa, nhận e của nguồn điện, còn các cation trên không bị điện phân trong dung dịch với điện cực trơ. Ví dụ 1: Trình bày cơ chế điện phân dung dịch NaOH. giảiTrong dung dịch ta có các quá trình: $NaOH \to N{a^ + } + O{H^ - }$ ${H_2}O \to \leftarrow {H^ + } + O{H^ - }$ Khi cho dòng điện một chiều đi qua ta có: Quy tắc 2. Nếu đến catot gồm các cation kim loại từ Zn Pb thì có hai quá trình xẩy ra: $\,\,2{H_2}O + 2e \to {H_2} \uparrow + 2O{H^ - }(1)\,\,\,\,{M^{n + }} + ne \to M(2)\,\,\,$ Thực tế hai quá trình này xẩy ra tranh chấp nhau, nhưng để đơn giản trong tính toán ta tạm chấp nhận quá trình (2) và bỏ qua quá trình (1). Quy tắc 3.Nếu đến catot gồm các cation kim loại sau hidro: Cu$^{2+}$, Ag$^{+}$, Hg$^{2+}$, Pt$^{2+}$, Au$^{3+}$. Thì chỉ duy nhất quá trình (2) xẩy ra. Ví dụ 2: Trình bày cơ chế điện phân dung dịch Cu(NO3)2 với điện cực trơ. giảiTrong dung dịch ta có các quá trình: $Cu{(N{O_3})_2} \to C{u^{2 + }} + 2NO{}_3^ - ;\,\,\,{H_2}O \to \leftarrow {H^ + } + O{H^ - }$ Khi cho dòng điện một chiều đi qua ta có: Quy tắc 4. Nếu đến anot gồm các anion âm phía trước nhóm OH thì các anion đó sẽ nhường electron cho nguồn điện trước theo thứ tự ưu tiên từ S$^{2-}$ đến Cl$^{-}$ Quy tắc 5. Nếu đến anot gồm các anion gốc axit chứa oxi kể cả gốc florua thì các anion đó không nhường e cho nguồn điện mà dung môi nước đóng vai trò là chất khử theo quá trình. $2{H_2}O - 4e \to {O_2} + 4{H^ + }$ (3)Kết luận: 1.Điện phân các dung dịch muối axit vô cơ có chứa oxi kể cả muối florua của các cation kim loại đứng trước Zn trong dãy điện hóa với điện cực trơ thực chất là điện phân nước. 2.Điện phân các dung dịch muối của các axit vô cơ có chứa oxi kể cả muối florua với các cation kim loại đứng sau Al trong dãy điện hóa với điện cực trơ thì sẽ thu được kim loại ở canot và khí O2 thoát ra ở anot đồng thời trong dung dịch thu được có chứa axit tương ứng. 3.Điện phân dung dịch các axit vô cơ có chứa oxi kể axit flohidric với điện cực trơ thực chất là điện phân nước. 4.Điện phân dung dịch các bazơ của kim loại kiềm và kiềm thổ thực chất là điện phân nước. Ví dụ 3. Khi điện phân dung dịch CuSO$_4$, dấu hiệu nào chính xác nhất để biết CuSO$_4$ vừa bị điện phân hết. A.Dung dịch từ màu xanh chuyển sang không màu. B.Có khí không màu thoát ra ở Catot. C.Có kết tủa Cu màu đỏ bám vào catot. D.Bỏ quỳ tím vào dung dịch điện phân thì có màu đỏ. GiảiA. Mắt người cảm nhận màu sắc là khác nhau nên không chính xác. B. Tại thời điểm CuSO$_4$ vừa điện phân hết thì H$^+$ bị điện phân tạo khí không màu thoát ra.(Hiện tượng này chính xác nhất). C. Trong điện phân tất nhiên là có Cu xuất hiện. D. Trong quá trình điện phân CuSO$_4$ tạo ra H$_2$SO$_4$ cho nên làm quỳ tím hóa đỏ, hiện tượng này cũng không chính xác. Chọn B. Ví dụ 4. Cho các mệnh đề sau: Không thể điện phân nóng chảy được AlCl$_3$ được(1).Các cation từ Al$^{3+}$ trở về trước không điện phân được trong dung dịch(2).Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước(3).Sau khi điện phân dung dịch CuSO$_4$ thì dung dịch thu được có pH>7(4). Số mệnh đề phát biểu đúng là: A. 1 B.2 C.3 D.4 GiảiKhông thể điện phân nóng chảy được AlCl$_3$ được.(Xem tác giả phân tích ở trên) Các cation từ Al$^{3+}$ trở về trước không điện phân được trong dung dịch với điện cực trơ. Còn với điện cực bằng Hg thì vẫn điện phân được.(Trước đây có rất nhiều nhà máy điện phân sử dụng điện cực Hg. Công ước quốc tế yêu cầu năm 2020 loại bỏ tất cả các nhà máy sử dụng quy trình này).Mệnh đề này sai. Điện phân dung dịch NaOH thực chất là điện phân nước.Mệnh đề này đúng. Sau khi điện phân dung dịch CuSO$_4$ thì dung dịch tạo thành có chứa H$_2$ SO$_4$ pH<7. Mệnh đề này sai. Chọn B. Ví dụ 5. Khi điện phân dung dịch Na$_2$ SO$_4$ trong bình chữ U với điện cực trơ có pha vài giọt Phenolphtalein thì hiện tượng quan sát được trong quá trình điện phân là: A. Có khí H$_2$ thoát ra ở Catot. B. Có khí O$_2$ thoát ra ở Catot. C. Dung dịch có màu hồng ở anot. D. Dung dịch có màu xanh ở anot GiảiĐiện phân dung dịch Na$_2$ SO$_4$ thực chất là điện phân nước. Khí H2 sẽ thoát ra tại Catot theo quá trình: $2{H_2}O + 2e \to {H_2} + 2O{H^ - }$ Khí O$_2$ sẽ thoát ra tại anot theo quá trình: $2{H_2}O - 4e \to {O_2} + 4{H^ + }$ Tại cực âm có môi trường bazơ $2{H_2}O + 2e \to {H_2} + 2O{H^ - }$ nên làm phênolphtalein có màu hồng. Chọn A. Ví dụ 6. Khi điện phân dung dịch Na$_2$ SO$_4$ trong bình chữ U với điện cực trơ có pha vài giọt quỳ tím thì hiện tượng quan sát được trong quá trình điện phân là: A.Có khí H$_2$ thoát ra ở Anot. B.Có khí O$_2$ thoát ra ở Catot. C.Dung dịch có màu đỏ ở Catot. D.Dung dịch có màu xanh ở Catot. GiảiĐiện phân dung dịch Na$_2$ SO$_4$ thực chất là điện phân nước. Khí H$_2$ sẽ thoát ra tại Catot theo quá trình: $2{H_2}O + 2e \to {H_2} + 2O{H^ - }$ Khí O$_2$ sẽ thoát ra tại atot theo quá trình: $2{H_2}O - 4e \to {O_2} + 4{H^ + }$ Tại cực âm (catot) có môi trường bazơ $2{H_2}O + 2e \to {H_2} + 2O{H^ - }$ nên làm quỳ tím hóa xanh. Chọn D. Ví dụ 7. Điện phân hỗn hợp CuCl$_2$, HCl, NaCl . Trình bày cơ chế của quá trình điện phân. Trong quá trình điện phân thì giá trị pH biến thiên như thế nào? GiảiTrong dung dịch ta có các quá trình sau: Ví dụ 8. Trình bày cơ chế điện phân dung dịch muối ăn có màng ngăn và khôn có mang ngăn. Giải Ví dụ 9. Hiện tượng quan sát được trong quá trình điện phân dung dịch MgCl$_2$ là: A.Có khí không màu thoát ra ở anot. B.Có khí màu vàng lục thoát ra ở Catot. C.Có khí O$_2$ thoát ra ở anot. D.Có kết tủa tạo thành phía bên catot. Giải Ví dụ 10. Trình bày cơ chế điện phân dung dịch CuSO$_4$ với điện cực Anot (Cu) v Catot (Pt). Giải Ví dụ 11. Trình bày cơ chế điện phân dung dịch CH$_2$COONa với điện cực trơ có màng ngăn. Giải
Cho hỏi, sao lại kí hiệu hai mũi tên đsaud đầu vào nhau là sao. Nếu mình nhớ không nhầm thì nó phải là qt thuận nghịch chứ
