Điện phân

Trong hóa học và sản xuất chế tạo, điện phân là một phương thức sử dụng một dòng điện một chiều để thúc đẩy một phản ứng hóa học mà nếu không có dòng điện nó không tự xảy ra. Điện phân có tầm quan trọng cao về mặt thương mại do nó là một khâu trong việc tách riêng các nguyên tố hóa học từ những nguồn tài nguyên trong tự nhiên như quặng. Điện áp cần thiết để hiện tượng điện phân xảy ra được gọi là thế điện phân. Quá trình điện phân về bản chất là quá trình ngược với pin điện hóa. Có hai loại điện phân: Điện phân nóng chảy và Điện phân dung dịch. Điện cực dương (cực dương, dương cực, anot) là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, là nơi hút các điện tử (anion)) về và xảy ra quá trình oxy hóa. Điện cực âm (âm cực, cực âm, catot) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi các cation chạy về và xảy ra quá trình khử. Thực nghiệm cho thấy khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào điện cực catot. Ion nào càng đứng sau thì có tính oxy hóa càng mạnh nên càng bị khử trước ở catot. ● Suất điện động: Hiệu của thế điện cực dương (E(+)) với thế điện cực âm (E(-)) được gọi là suất điện động của pin điện hóa:                               Epin   =  E(+)  - E(-) (ở ví dụ này E0pin   =  E0(Cu2+/ Cu) -    E0(Zn2+/Zn)). - Điện cực KL mà nồng độ ion KL trong dung dịch bằng 1M được gọi là điện cực chuẩn. - Thế điện cực chuẩn của KL cần đo được chấp nhận bằng sđd của pin tạo bởi điện cực hydro chuẩn và điện cực chuẩn của KL cần đo. - Nếu KL đóng vai cực âm, thì thế điện cực chuẩn của KL có giá trị âm, nếu đóng vai trò cực dương thì thế điện cực chuẩn của KL có gía trị dương. Trong dung dịch nước thế điện cực chuẩn của KL  E0Mn+/ M càng lớn thì tính oxy hóa của cation Mn+ và tính khử của KL M càng yếu. (ngược lại). Cation KL trong cặp oxihóa-khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxihóa được KL trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn. - dựa vào thế điện cực chuẩn của KL để sắp xếp nhỏ bên trái, lớn bên phải. - viết phương trình phản ứng theo quy tắc anpha (). KL trong cặp oxihóa-khử có thế ĐCC âm khử được ion H+ của dung dịch axit. Epin   =  E(+)  - E(-) suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương                E0pin X-Y = E0Yn+/Y - E0Xm+/X Khi biết E0pin X-Y, nếu biết E0Yn+/Y  Þ E0Xm+/X Ví dụ: Xác định E0Ni2+/Ni. Biết E0pin Ni-Cu = 0,60 V, E0Cu2+/Cu = 0,34V              E0pin Ni-Cu = E0Cu2+/Cu - E0Ni2+/Ni              Þ E0Ni2+/Ni = 0,34 – 0,6 = -0,28 V Chú thích: (s) – rắn; (l) – lỏng; (g) – khí; (aq) – dung dịch; (Hg) – hỗn hống; bold – phương trình phân ly nước. Năm 1785 – Máy tạo tĩnh điện của Martinus van Marum được sử dụng để khử thiếc, kẽm, và antimon khỏi muối của chúng bằng cách điện phân. Năm 1800 -William Nicholson và Anthony Carlisle (xem thêm Johann Ritter), phân ly nước thành hydrô và oxy. Năm 1807 -Kali, calci, natri, bari và magiê được Humphry Davy phát hiện nhờ điện phân. Năm 1886 -fluor được phát hiện bởi Henri Moissan nhờ điện phân. 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 - 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 oxy hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước. Tại anot xảy ra quá trình oxy 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 oxy hóa: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O Gốc axit có chứa oxi NO3–, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4–... thì nước tham gia điện phân:  2H2O → O2 + 4H+ + 4e Nếu anode là chất trơ (không tan, như Bạch kim (Pt), than chì (có thể dùng lõi pin), các anion không chứa oxi sẽ bị oxy hóa ở anode, khi không còn anion không chứa oxi, nước sẽ bị oxy hóa, khi hết nước, quá trình điện phân sẽ ngừng. Nếu anode không trơ thì anode sẽ bị tan và có thể phản ứng với dung dịch điện phân. Thường thì bình điện phân có vách ngăn xốp ngăn thành hai phần, một phần chứa cathode, một phần chứa anode, nhưng nếu bỏ vách ngăn này, các chất tạo thành do điện phân sẽ phản ứng với dung dịch. Điện phân dung dịch NaCl không có vách ngăn, ta được nước Javel do Cl2 sinh ra phản ứng với NaOH tạo thành do điện phân: 2NaCl + 2H2O đp=> H2 + NaOH + Cl2 2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O (hỗn hợp này gọi là nước Javel) 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 Ví dụ 3: 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 Ví dụ 4: 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 Ví dụ 5: 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 Ví dụ 6: 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 Ví dụ 7: Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ: Định Luật Điện phân 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 = A . I . t n . F {\displaystyle m={\frac {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 = I . t F {\displaystyle n={\frac {I.t}{F}}} - Điều chế kim loại - Điều chế một số phi kim: H2, O2, F2, Cl2 - Điều chế một số hợp chất: NaOH, nước Giaven - Tinh chế kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au - Mạ điện: Cu, Ag, Au, Cr, Ni Sự điện phân Cathode Anode Điện ly ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk bl bm bn bo bp bq br bs bt bu bv bw bx by Lide, David R. biên tập (2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản 87). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-8493-0487-3. ^ Greenwood and Earnshaw, p. 1263 ^ a b c d Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Gre ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên van92 ^ a b c d Atkins, Peter (2010). Inorganic Chemistry (ấn bản 5). W. H. Freeman. tr. 153. ISBN 978-1-42-921820-7. ^ a b c d e f g h i j k l m Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Atk ^ David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, http://www.hbcpnetbase.com Lưu trữ 2017-07-24 tại Wayback Machine, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên van ^ Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên si ^ a b c d e “compounds information”. Iron. WebElements Periodic Table of the Elements. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Bar ^ a b c d e f g h i j Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Bar2 ^ Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Pou ^ a b c Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên Pang2007 ^ a b c d e f Greenwood and Earnshaw, p. 1077 ^ Rock, Peter A. (tháng 2 năm 1966). “The Standard Oxidation Potential of the Ferrocyanide-Ferricyanide Electrode at 25° and the Entropy of Ferrocyanide Ion”. The Journal of Physical Chemistry. 70 (2): 576–580. doi:10.1021/j100874a042. ISSN 0022-3654. ^ Connelly, Neil G.; Geiger, William E. (1 tháng 1 năm 1996). “Chemical Redox Agents for Organometallic Chemistry”. Chemical Reviews. 96 (2): 877–910. doi:10.1021/cr940053x. PMID 11848774. ^ a b c d e f g “compounds information”. Xenon. WebElements Periodic Table of the Elements. ^ a b Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A.; Bochmann, Manfred (1999), Advanced Inorganic Chemistry (ấn bản 6), New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5. ^ Courtney, Arlene. “Oxidation Reduction Chemistry of the Elements”. Ch 412 Advanced Inorganic Chemistry: Reading Materials. Western Oregon University. ^ Petr Vanysek. “Electrochemical series” (PDF). depa.fquim.unam.mx. ^ Leszczyński, P.J.; Grochala, W. (2013). “Strong Cationic Oxidizers: Thermal Decomposition, Electronic Structure and Magnetism of Their Compounds” (PDF). Acta Chim. Slov. 60 (3): 455–470. PMID 24169699. ^ The Supplement (1803 edition) to Encyclopedia Britannica 3rd edition (1797), volume 1, page 225, "Mister Van Marum, by means of his great electrical machine, decomposed the calces of tin, zinc, and antimony, and resolved them into their respective metals and oxygen" and gives as a reference Journal de Physiques, 1785. Điện Phân - hoahoc247.com Lý thuyết sự điện phân Hóa 12 Giáo trình Điện phân của Võ Hồng Thái Lỗi chú thích: Đã tìm thấy thẻ <ref> với tên nhóm “note”, nhưng không tìm thấy thẻ tương ứng <references group="note"/> tương ứng, hoặc thẻ đóng </ref> bị thiếu