Có sở phương pháp điện phân dung dịch

Điện phân (Electrolysis) rất hay và vui!!! nhưng dễ bị lú lẫn sau khi học. Hãy cùng trải nghiệm xem có đúng không bạn nhe …he …he …he.

1. Điện phân là gì vậy?

1.1. Ước ao chinh phục phản ứng oxi hóa-khử

Kim loại Na phản ứng rất mãnh liệt với khí Clo, phương trình hóa học của phản ứng như sau:

2Na0 + Cl20 → 2Na+Cl–

Đây là một phản ứng oxi hóa khử do có sự đổi thay số oxi hóa của Na và Cl. Muối NaCl là hợp chất ion rất bền vững, tồn tại rất nhiều trong nước biển. Con người đã khai thác NaCl từ biển để ăn cho đã!

Bây giờ con người ao ước thực hiện được phản ứng ngược lại; để sản xuất được kim loại Na, khí Clo nhằm phục vụ cho nhiều mục đích; tức thực hiện phản ứng:

2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20

Đây cũng là phản ứng oxi hóa khử; nhưng vấn đề là phản ứng này không thể xảy ra với các quá trình hóa học thông thường ⇒ phải thúc ép cho phản ứng xảy ra ⇒ nghiên cứu ra phản ứng điện phân.

1.2. Định nghĩa sự điện phân

1.2.1. Sự điện phân là gì?

Điện phân cũng chỉ là phản ứng oxi hóa-khử, nhưng xảy ra không phải cho chất oxi hóa + chất khử; mà xảy ra trên bề mặt điện cực (+) và điện cực (-) khi cho dòng điện 1 chiều chạy qua chất điện li (ở trạng thái nóng chảy hoặc trạng thái dung dịch nước). Điều đó có nghĩa là

• khác phản ứng oxi hóa-khử bình thường; con người phải dùng điện năng để thúc ép phản ứng xảy ra.
• chất khử không cho electron trực tiếp qua chất oxi hóa; mà chất khử truyền electron qua dây dẫn để đến chất oxi hóa.

1.2.2. Áp dòng điện 1 chiều vào chất điện ly

Khi cho dòng điện 1 chiều chạy qua chất điện ly nóng chảy; hoặc dung dịch chất điện ly thì

• các ion thôi không chuyển động hỗn loạn nữa;
• các ion chuyển động có hướng xác định như hình dưới đây:

Photo by Andrew Tanglao on Unsplash and by DoTrongToan

Photo by Andy Beales on Unsplash and by DoTrongToan

1.2.3. Chuyện gì xảy ra ở hai điện cực?

Hai quá trình sẽ xảy ra ở điện cực như bảng sau. Bạn xem phần Bình điện phân (Phần Pin điện hóa và Ăn mòn điện hóa là ở câu chuyện khác).

Photo: DoTrongToan on W3chem

2. Điện phân nóng chảy

2.1. Mục đích

Để điều chế kim loại mạnh nhóm IA, IIA và Nhôm, trong đó

• Nhóm IA: điện phân nóng chảy muối clorua, bromua, hiđroxit.
• Nhóm IIA: điện phân nóng chảy muối clorua.
• Kim loại Al: điện phân nóng chảy oxit Al2O3 trong criolit.

2.2. Nguyên tắc

[1] Cation (ion +) chạy về Catot (cực -) ⇒ và Cation nhận e (chất oxi hoá ⇔ chất bị khử, sự khử)

• (Li+  Na+  K+  Rb+) + 1e → kim loại Li  Na  K  Rb
• (Be2+  Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+) + 2e → kim loại Be  Mg  Ca  Sr  Ba
• Al3+ + 3e → kim loại Al

[2] Anion (ion -) chạy về Anot (cực +) ⇒ và Anion cho e (chất khử ⇔ chất bị oxi hoá, sự oxi hoá)

• 2Cl– → Cl2 + 2e
• 2Br– → Br2 + 2e
• 2O2- → O2 + 4e                           
• 4OH– → O2 + 2H2O + 4e [*]

2.3. Viết phương trình điện phân nóng chảy

Em hãy viết phương trình điện phân nóng chảy của: NaCl, MgCl2, Al2O3, NaOH?

2.3.1. Điện phân nóng chảy NaCl

+Khi NaCl nóng-chảy lỏng ra thì

• NaCl = [Na+ chạy về catot] [Cl– chạy về anot]
• [Na+][Cl–] —đpnc→ …?…

+Bây giờ mình nhìn lý thuyết trên sẽ thấy:

• Ở catot: Na+ → Na0
• Ở anot: Cl– → Cl2
• mình viết: NaCl —đpnc→ Na + Cl2
• cân bằng được 2NaCl —đpnc→ 2Na + Cl2

2.3.2. Điện phân nóng chảy MgCl2

+Khi MgCl2 nóng-chảy lỏng ra thì

• MgCl2 = [Mg2+ chạy về catot] [Cl– chạy về anot]
• [Mg2+][Cl–]2 —đpnc→ …?…

+Bây giờ mình nhìn lý thuyết trên sẽ thấy:

• Ở catot: Mg2+ → Mg0
• Ở anot: Cl– → Cl2
• mình viết: MgCl2 —đpnc→ Mg + Cl2
• phản ứng đã cân bằng, nên MgCl2 —đpnc→ Mg + Cl2

2.3.3. Điện phân nóng chảy Al2O3

+Khi Al2O3 nóng-chảy lỏng ra thì

• Al2O3 = [Al3+ chạy về catot] [O2- chạy về anot]
• [Al3+]2[O2-]3 —đpnc→ …?…

+Bây giờ mình nhìn lý thuyết trên sẽ thấy:

• Ở catot: Al3+ → Al0
• Ở anot: O2- → O2
• mình viết: Al2O3 —đpnc→ Al + O2
• cân bằng được Al2O3 → 2Al + 3/2O2
• hoặc quy đồng cho đẹp là 2Al2O3 —đpnc→ 4Al + 3O2

2.3.4. Điện phân nóng chảy NaOH

+Khi NaOH nóng-chảy lỏng ra thì

• NaOH = [Na+ chạy về catot] [OH– chạy về anot]
• [Na+][OH–] —đpnc→ …?…

+Bây giờ mình nhìn lý thuyết trên sẽ thấy:

• Ở catot: Na+ → Na0
• Ở anot: OH– → O2 + H2O
• mình viết: NaOH —đpnc→ Na + O2 + H2O
• cân bằng được 4NaOH —đpnc→ 4Na + O2 + 2H2O

+Những ưu tư

• Làm sao để sau phản ứng, Na hổng phản ứng với O2 ; với H2O?
• Phương trình này có được dùng trong thực tiễn để sản xuất Na, O2 không?

3. Điện phân dung dịch với điện cực trơ

Điện cực trơ là điện cực cứ trơ trơ ra (như nước đổ đầu vịt vậy đó!); có nghĩa nó hoàn toàn không tham gia ghì vào phản ứng oxi hóa khử đang xảy ra, cũng có nghĩa ta không cần quan tâm thì đến loại điện cực này.

3.1. Mục đích

Để điều chế kim loại trung bình – yếu và một số đơn chất phi kim.

Trong điện phân dung dịch, cũng xảy ra các quá trình cho-nhận electron như trên; nhưng do có H2O nên có thêm SỰ CẠNH TRANH CHO, NHẬN ELECTRON CỦA H2O.

• H2O là chất nhận e (chất oxi hóa): 2H2O + 2e → H2 + 2OH– [**]
• H2O là chất cho e (chất khử): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e [***]

3.2. Nguyên tắc

[1] Cation chạy về Catot và

Photo: TrongToan on W3chem

Ví dụ (bài chế, không biết có không?): điện phân dung dịch chứa các ion Na+, Ag+, Fe3+, Cu2+, H+, Pb2+; thứ tự nhận electron là

1. Ag+ + 1e → Ag
2. Fe3+ + 1e → Fe2+
3. Cu2+ + 2e → Cu
4. 2H+ + 2e → H2
5. Pb2+ + 2e → Pb
6. Fe2+ + 2e → Fe
7. Khi các ion trên đã bị điện phân hết, chỉ còn Na+; mà
   1. Na+ không bị điện phân
   2. nên H2O sẽ tiếp tục điện phân theo phương trình [**]

[2] Anion chạy về Anot và

Photo: TrongToan on W3chem

3.3. Viết phương trình điện phân dung dịch

Viết phương trình điện phân mỗi dung dịch (điện cực trơ) sau: CuSO4, Cu(NO3)2, AgNO3, NaCl?

3.3.1. Điện phân dung dịch CuSO4

+Dung dịch CuSO4 có

• H2O
• CuSO4 = [Cu2+ chạy về catot] [SO42- chạy về anot]
• [Cu2+][SO42-] + H2O  —đpdd→ …?…

+Khi cho dòng điện 1 chiều chạy qua dung dịch, nhìn lý thuyết trên thấy:

• Ở catot: Cu2+ → Cu0
• Ở anot: SO42- —x→ SO42- ; nên H2O → O2 + H+
• Mình viết: CuSO4 + H2O —đpdd→ Cu + SO42- + O2 + H+

+Gom SO42- với H+ thành H2SO4, lúc này có

• CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + O2
• cân bằng được CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4 + 1/2O2
• hoặc qui đồng cho đẹp là 2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + 2H2SO4 + O2 

3.3.2. Điện phân dung dịch Cu(NO3)2

+Dung dịch Cu(NO3)2 có

• H2O
• Cu(NO3)2 = [Cu2+ chạy về catot] [NO3– chạy về anot]
• [Cu2+] [NO3–]2 + H2O  —đpdd→ …?…

+Bây giờ nhìn lý thuyết trên, em thấy:

• Ở catot: Cu2+ → Cu0
• Ở anot: NO3– —x→ NO3– ; nên H2O → O2 + H+
• Mình viết: Cu(NO3)2 + H2O —đpdd→ Cu + NO3– + O2 + H+

+Gom NO3– với H+ thành HNO3, lúc này có

• Cu(NO3)2 + H2O → Cu + HNO3 + O2
• cân bằng được Cu(NO3)2 + H2O → Cu + 2HNO3 + 1/2O2
• hoặc qui đồng cho đẹp là 2Cu(NO3)2 + 2H2O → 2Cu + 4HNO3 + O2

3.3.3. Điện phân dung dịch AgNO3

+Dung dịch AgNO3 có

• H2O
• AgNO3= [Ag+ chạy về catot] [NO3– chạy về anot]
• [Ag+][NO3–]+ H2O  —đpdd→ …?…

+Bây giờ hãy nhìn lý thuyết, sẽ thấy:

• Ở catot: Ag+ → Ag0
• Ở anot: NO3– —x→ NO3– ; nên H2O → O2 + H+
• Mình viết: AgNO3 + H2O —đpdd→ Ag + NO3– + O2 + H+

+Gom NO3– với H+ thành HNO3, lúc này có

• AgNO3 + H2O → Ag + HNO3 + O2
• cân bằng được AgNO3+ H2O → Ag + HNO3 + 1/2O2
• hoặc qui đồng cho đẹp là 2AgNO3 + 2H2O → 2Ag + 2HNO3 + O2

3.3.4. Điện phân dung dịch NaCl

+Dung dịch NaCl có

• H2O
• NaCl = [Na+ chạy về catot] [Cl– chạy về anot]
• [Na+][Cl–]+ H2O  —đpdd→ …?…

+Bây giờ khi nhúng 2 điện cực vào dung dịch NaCl; nhìn lý thuyết thấy:

• Ở catot: Na+ —x→ Na+ ; nên H2O → H2 + OH–
• Ở anot: Cl– → Cl2
• Mình viết: NaCl + H2O —đpdd→ Na+ + H2 + OH– + Cl2

+Gom Na+ với OH– thành NaOH, lúc này có

• NaCl + H2O → NaOH + H2 + Cl2
• cân bằng được NaCl + H2O → NaOH + 1/2H2 + 1/2Cl2
• hoặc qui đồng cho đẹp là 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2

+Lưu ý:

• NaOH sẽ tiếp tục phản ứng với Cl2 tạo ra nước Javen (Hóa lớp 10)

2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O

• Muốn phản ứng tạo Javel không xảy ra, người ta phải dùng vách ngăn giữa hai điện cực; để NaOH không thể gặp được Cl2; khi đó phương trình viết đầy đủ là

2NaCl + 2H2O —đpdd có vách ngăn→ NaOH + H2 + Cl2

• Như vậy, từ phương trình điện phân dung dịch NaCl, con người sản xuất được 4 hóa chất luôn: NaOH, Cl2, H2, Nước Javel (khi bỏ vách ngăn ra).

3.4. Điện phân H2O

H2O điện phân theo phương trình:

2H2O —điện phân→ 2H2 + O2

Hồi nhỏ khi học lớp 11, mình đã biết H2O điện ly rất yếu ra H+ và OH–; có nghĩa H2O nguyên chất không dẫn điện luôn, nên không thể tiến hành điện phân H2O được (NHỚ muốn điện phân thì chất đó phải có tính dẫn điện để dòng điện mới chạy qua được).

Các nhà hóa học “vò đầu bức tai” và …đã tìm ra hóa chất pha vào H2O để sao cho:

• Dung dịch trở nên dẫn điện tốt hơn.
• Hóa chất đó không bị điện phân hoặc không bị tiêu hao; sao cho dung dịch luôn dẫn điện được.
• Sản phẩm của cả quá trình điện phân là phương trình 2H2O —điện phân→ 2H2 + O2

Dưới đây liệt kê các hóa chất pha vào H2O; dĩ nhiên bao gồm thực tế và ảo do bài tập chế từ các nhà toán hóa!

• Dung dịch loãng của axit mạnh H2SO4 HNO3 (?) HClO4 (?).
• Dung dịch bazơ mạnh LiOH NaOH KOH Ba(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2.
• Dung dịch muối nitrat NO3–, sunfat SO42- của ion kim loại mạnh Li+ Na+ K+ Ba2+ Ca2+ Sr2+.

Viết phương trình điện phân mỗi dung dịch (điện cực trơ) sau: NaNO3, NaOH, H2SO4 loãng?

***Cách viết phương trình điện phân sẽ khác trên để dễ hiểu trong các bài này.

3.4.1. Điện phân dung dịch NaNO3

Dung dịch NaNO3 có

• H2O
• NaNO3 = [Na+ chạy về catot] [NO3– chạy về anot]
• [Na+][NO3–]+ H2O  —đpdd→ …?…

Bây giờ khi nhúng 2 điện cực vào dung dịch NaNO3; mình nhìn lý thuyết trên thấy:

• Ở catot: Na+ —x→ Na+ ; nên 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
• Ở anot: NO3– –x→ NO3– ; nên 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Cân bằng số electron cho = số electron nhận, tức

• 4H2O + 4e → 2H2 + 4OH–
• 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Cộng hai vế được 6H2O + 4e → 2H2 + O2 + 4H2O + 4e

Rồi đơn giản H2O và 4e ở hai vế, được 2H2O → 2H2 + O2

3.4.2. Điện phân dung dịch NaOH

Dung dịch NaOH có

• H2O
• NaOH = [Na+ chạy về catot] [OH– chạy về anot]
• [Na+][OH–]+ H2O  —đpdd→ …?…

Bây giờ khi nhúng 2 điện cực vào dung dịch NaOH; mình nhìn lý thuyết trên thấy:

• Ở catot: Na+ —x→ Na+ ; nên 2H2O + 2e → H2 + 2OH–
• Ở anot: 4OH– → O2 + 2H2O + 4e

Cân bằng số electron cho = số electron nhận, tức

• 4H2O + 4e → 2H2 + 4OH–
• 4OH– → O2 + 2H2O + 4e

Cộng hai vế được 4H2O + 4OH– + 4e → 2H2 + 4OH– + 2H2O + 4e

Rồi đơn giản OH– , 4e và H2O ta được 2H2O → 2H2 + O2

3.4.3. Điện phân dung dịch H2SO4

Dung dịch H2SO4 có

• H2O
• H2SO4 = [H+ chạy về catot] [SO22- chạy về anot]
• [H+]2[SO42-]+ H2O  —đpdd→ …?…

Bây giờ khi nhúng 2 điện cực vào dung dịch H2SO4; mình nhìn lý thuyết trên thấy:

• Ở catot: 2H+ + 2e → H2
• Ở anot: SO42-—x→ SO42-; nên 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Cân bằng số electron cho = số electron nhận, tức

• 4H+ + 4e → 2H2
• 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

Cộng hai vế được 4H+ + 4e + 2H2O → 2H2 + O2 + 4H+ + 4e

Rồi đơn giản H+ và 4e ở hai vế, ta được 2H2O → 2H2 + O2

4. Điện phân dung dịch với điện cực tan

Điện cực Anot sẽ tham gia vào phản ứng oxi hóa-khử nên (bị mòn) bị tan dần. Phương pháp này ứng dụng để mạ một lớp kim loại mỏng lên trên bề mặt một kim loại khác, hoặc để tinh chế kim loại quý như Vàng (Au).

Nhưng loại này khó nhai lắm; nên khi nào bạn vào chuyên ngành này thì sẽ tự nhai tốt thôi. Chúng mình bỏ qua cho đỡ vất vả nha.

Nếu bạn vẫn cương quyết, muốn học cho bằng được phần này; vui lòng đọc thêm về Mạ điện (Electroplating) tại đây (Cảnh báo: tài liệu toàn tiếng Anh; bấm chọn dịch tiếng Việt có thể sai lệch thuật ngữ chuyên môn. Bạn cần cân nhắc trước khi xem!).

5. So sánh Điện phân & Pin điện hóa (Ăn mòn điện hóa)

5.1. Trong pin điện hóa

• Phản ứng oxi hóa – khử tự xảy ra được. Sự di chuyển electron từ chất khử đến chất oxi hóa phát sinh dòng điện.
• Nói: hóa năng (năng lượng hóa học) từ phản ứng oxi hóa – khử đã chuyển thành điện năng.

5.2. Trong bình điện phân

• Phản ứng oxi hóa – khử không tự xảy ra được; mà con người phải dùng điện 1 chiều truyền vào 2 điện cực trong bình điện phân (chứa chất điện li) để thúc ép phản ứng xảy ra.
• Nói: dùng điện năng bên ngoài chuyển thành hóa năng thúc ép phản ứng oxi – khử phải xảy ra.

5.3. Vì sao tên điện cực tréo ngoe?

Đọc thêm về Ăn mòn điện hóa tại đây.

Nếu đọc kĩ rồi suy nghĩ các nội dung trên, bạn sẽ thấy cách thức xảy ra trong Pin điện hóa và Bình điện phân là NGƯỢC NHAU. Điều này dẫn đến tên điện cực tréo ngoe như sau:

Tên điện cực	ANODE	CATHODE
Xảy ra	sự oxi hóa	sự khử
Pin điện hóa Ăn mòn điện hóa	CỰC – chất khử cho e	CỰC + chất oxi hóa nhận e
Điện phân	CỰC + của dòng điện khiến ion âm hoặc H2O phải cho e	CỰC – của dòng điện khiến ion dương hoặc H2O phải nhận e

Nếu quá khó để hiểu, thì thôi …mình lướt qua phần này cho cuộc đời vui nhe bạn!

Tác giả: Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com

6. Liên kết nhanh

Đọc thêm các bài viết của Hóa lớp 12 tại đây.

Nếu có câu hỏi hoặc ý tưởng mới, hãy ghi lại trong phần bình luận bên dưới bạn nhé. Câu hỏi và ý tưởng của bạn luôn tuyệt vời.

Đừng quên chia sẻ bài viết lên mạng xã hội để nhiều người cùng học nha bạn.

• Share on Facebook
• Share on Twitter
• Share on Pinterest
• Share on LinkedIn