Lý thuyết sự điện phân khoa học tự nhiên, công nghệ và khoa học xã hội ĐGNL ĐHQG Hà Nội

I. Sự điện phân và các bước viết phương trình điện phân

1. Khái niệm

– 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 (X^n- → X + ne). 

2. Các bước viết phương trình điện phân

$\underbrace {K,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Na,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Ba,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Ca,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Mg,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Al}_{Điện\,phân\,nóng\,chảy}{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} {\mkern 1mu} \underbrace {Zn,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Fe,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} …,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Pt,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} Au}_{Điện\,phân\,dung\,dịch}$

II. Điện phân chất điện li nóng chảy

Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Phương trình điện phân: 2NaCl → 2Na + Cl₂ 

Ví dụ 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy pha thêm cryolite (Na₃AlF₆) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Phương trình điện phân là: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

Bài tập áp dụng: Sản phẩm thu được khi điện phân NaOH nóng chảy là gì ?

A. Ở catot (-): Na và ở anot (+): O₂và H₂O.

B. Ở catot (-): Na₂O và ở anot (+): O₂ và H₂.

C. Ở catot (-): Na và ở anot (+): O₂và H₂.

D. Ở catot (-): Na₂O và ở anot (+): O₂ và H₂O.

Lời giải: 

Phương trình điện phân là: 4NaOH → 4Na + O₂ + 2H₂O

=> Ở catot (-): Na và ở anot (+): O₂ và H₂O.

Đáp án: A

III. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

1. Quá trình điện phân ở catot

– Tại catot xảy ra quá trình khử cation (sau Al):  Mⁿ⁺ + ne → M 

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

2. Quá trình điện phân ở anot

– Tại anot xảy ra quá trình oxyi hóa anion:  X^n- → X + ne  

+ Gốc acid không chứa oxygen như Cl^–, S^2-… hoặc ion OH- của base kiềm hoặc nước thì tham gia điện phân.

Ví dụ: 2Cl^–  → Cl₂ + 2e

  4OH^– → O₂ + 2H₂O + 4e 

+ Gốc acid có chứa oxygen NO₃^–, SO₄^2–, PO₄^3–, CO₃^2–, 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).

3. Một số ví dụ

– Điện phân dung dịch CuCl₂ với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

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:

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:

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:

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:

Bài tập áp dụng:

Bài 1: Điện phân với điện cực trơ, màng ngăn xốp một dung dịch chứa các ion Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺ và Cl^–. Thứ tự điện phân xảy ra ở catot (theo chiều từ trái sang phải) là

A. Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺.

B. Fe²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺.

C. Fe³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺.

D. Fe³⁺, Fe²⁺, Cu²⁺.

Lời giải: Thứ tự điện phân là: Fe³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺.

Đáp án: C

Bài 2: Ion Mg²⁺ bị khử trong trường hợp

A. Điện phân dung dịch MgCl₂.

B. Điện phân MgCl₂nóng chảy.

C. Thả Na vào dung dịch MgCl₂.

D. Cho dd MgCl₂tác dụng dd Na₂CO₃.

Lời giải: lon Mg²⁺ bị khử trong trường hợp: Điện phân MgCl₂ nóng chảy.

Đáp án: B