 | I.VỊ TRÍ VÀ Ý NGHĨA CỦA BÀI HỌC:
Sau khi học sinh đã được nghiên cứu về dãy điện hóa kim loại:
Các khái niệm oxi hóa – khử, pin điện hóa, thế điện cực chuẩn đã đi đến kết luận dòng điện sinh ra trong pin điện hóa do phản ứng oxi hóa – khử. Quá trình đó ảnh hưởng của dòng điện một chiều gây ra trên các điện cực của ‘thiết bị điện phân” sẽ cho học sinh hình dung tiếp theo về sự điện phân.
II. ĐIỆN PHÂN:
1.Khái niệm:
Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi đó dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.
2.Bản chất của sự điện phân:
Như vậy, theo khái niệm trên ta có thể kết luận bản chất của sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt điện cực.
-Năng lượng dùng cho phản ứng là điện năng dòng điện một chiều.
-Sự cho và nhận điện tử không xảy ra trực tiếp giữa các ion tham gia phản ứng mà phải truyền qua dây dẫn.
Chú ý:
-Về bản chất, quan điểm về anot, catot trong pin điện hóa và trong bình điện phân hoàn toàn giống nhau:
+ Catot là nơi xảy ra sự khử
+ Anot là nơi xảy ra sự oxi hóa
_ Tuy nhiên, sự phát sinh dòng điện trong pin điện hóa và sự điện phân là hai quá trình ngược nhau (một quá trình tạo ra dòng điện, một quá trình nhờ tác dụng của dòng điện). Vì vậy, dấu của điện cực là ngược nhau.
+ Trong pin: anot là cực âm, catot là cực dương.
+ Trong bình điện phân: anot là cực dương, catot là cực âm.
II. CÁC TRƯỜNG HỢP ĐIỆN PHÂN:
1.Điện phân nóng chảy:
Phương pháp điện phân nóng chảy chỉ áp dụng điều chế các kim loại hoạt động rất mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al…
a)Điện phân nóng chảy oxit:
Nhôm là kim loại được sản xuất bằng cách điện phân Al2O3 nóng chảy. Al2O3 nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ trên 20000C. Một phương pháp rất thành công để sản xuất nhôm là tạo một dung dịch dẫn
điện có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn 20000C bằng cách hòa tan Al2O3 vào criolit nóng chảy (Na3AlF6). Phương pháp này được phát hiện đồng thời bởi Charles M. Hall và Paul Louis Toussain Heroult.
Phương trình sự điện phân:
2Al2O3 = 4Al + 3O2
Quá trình điện phân:
_ Catot (-): 2Al3+ + 6e → 2Al
_ Anot (+): 6O2- → 3O2 + 12e
•Tác dụng của Na3ALF6 (criolit):
-Hạ nhiệt độ nóng chảy cho hỗn hợp phản ứng.
-Tăng khả năng dẫn điện cho Al.
-Ngăn chặn sự tiếp xúc của oxi không khí với Al.
Do điện cực làm bằng graphit (than chì) nên bị khí sinh ra ở anot ăn mòn:
2C + O2 → 2CO↑
2CO + O2 → 2CO2↑
Vì vậy, trong quá trình điện phân nóng chảy oxit, tại anot thường thu được hỗn hợp khí CO, CO2, O2.
b)Điện phân nóng chảy hydroxit kim loại kiềm:
Phương trình điện phân (tổng quát):
2MOH 2M + O2↑ + H2O↑ (M = Na, K,…)
Quá trình điện phân:
_ Catot (-): 2M+ + 2e → 2M
_ Anot (+): 2OH- → O2↑ + H2O+ 2e
c) Điện phân muối clorua:
Phương trình điện phân (tổng quát):
2MClx 2M + xClx (x = 1,2)
Quá trình điện phân:
_ Catot (-): Mx+ xe → M
_ Anot (+): 2Cl- → Cl2 + 2e
2. Điện phân dung dịch:
• Trong dung dịch quá trình cho nhận electron tại các điện cực phụ thuộc tính oxi hóa và tính khử của các ion tại các điện cực đó.
• Áp dụng điều chế kim loại trung bình và yếu.
• Trong điện phân dung dịch, nước giữ vai trò quan trọng:
_ Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực.
_ Đôi khi nước tham gia vào quá trình điện phân.
+ Ở catot: 2H+ + 2e → H2 ↑
+ Anot: 2OH- → O2↑+ H2O+ 2e
Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn (l = 0). Do vậy, muốn điện phân nước cần hòa thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh,…
Để viết được các phương trình điện li một cách đầy đủ và chính xác, chúng ta cần lưu ý một số quy tắc, kinh nghiệm sau:
Quy tắc 1: Quá trình khử xảy ra ở catot:
_ Các ion kim loại từ Al trở về đầu dãy thực tế không bị khử tành ion kim loại khi điện phân dung dịch.
_ Các ion sau Al thì bị khử thành kim loại, với thứ tự ưu tiên ngược từ dưới lên.
_Trong đó đặc biệt chú ý ion H+ luôn bị khử cuối cùng trong dãy ưu tiên trên (khi điện phân dung dịch muối).
Quy tắc 2: Quá trình oxi hóa ở anot:
_ Các kim loại trung bình và yếu dùng làm điện cực.
_ S2- > I- > Br- > Cl- > OH-.
+ Nếu khi điện phân ở anot chứa đồng thời kim loại và anion (ion âm) thì anion không bị điện phân.
+ Các anion chức oxi như:
NO3-; SO42-; CO32-; SO32-; PO43-; ClO4-…
Coi như không điện phân.
Điện phân dung dịch tạo bởi cation nhận điện tử và anion cho điện tử:
Ví dụ: Điện phân dung dịch CuCl2
NaCl
Catot (-) Tác dụng dòng Anot (+)
Cu2+, H2O điện một chiều Cl-, H2O
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
Điện phân dung dịch tạo bởi cation nhận điện tử và anion không cho điện tử:
Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4
CuSO4
Catot (-) Tác dụng dòng Anot (+)
Cu2+, H2O điện một chiều SO42-, H2O
2Cu2+ + 4e → 2Cu 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Điện phân dung dịch tạo bởi cation không nhận điện tử và anion không cho điện tử:
Ví dụ: Điện phân dung dịch Na2SO4
Na2SO4 dung dịch
Catot (-) Anot (+)
Na+, H2O SO42-, H2O
2H2O + 4e → H2 + OH- 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Điện phân dung dịch tạo bởi cation không nhận điện tử và anion cho điện tử:
Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl
NaCl dung dịch
Catot (-) Anot (+)
Na+, H2O Cl-, H2O
2H2O + 4e → H2 + OH- 2Cl- → Cl2 + 2e
IV. ĐỊNH LUẬT FARADAY
Trong đó:
m: Khối lượng đơn chất thu được ở điện cực.
A: Khối lượng mol nguyên tử chất đó.
n: Số electron mà cation hoặc anion trao đổi.
I: Cường độ dòng điện (ampe).
t: Thời gian điện phân (s).
F: Hằng số Faraday
+ F là 96.500 culông (khi thời gian tính bằng s).
+ F là 26,8Ah (khi thời gian tính bằng h).
Qua đó ta có biểu thức:
m =
V. ỨNG DỤNG ĐIỆN PHÂN
1. Điều chế một số kim loại.
2. Điều chế một số phi kim: H2; O2; F2; Cl2.
3. Điều chế một số hợp chất: KMnO4; NaOH; H2O2; nước Gia ven..
4. Tinh chế một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au… Nguyên tắc của phương pháp này là dùng ngay kim loại cần tinh chế là anot. Khi điện phân kim loại anot bị hòa tan chuyển vào dung dịch và lại kết tủa trên catot dưới dạng tinh khiết (tạp chất hoặc không tan chuyển thành bùn anot, hoặc tan chuyển vào dung dịch nhưng không kết tủa ở catot).
5. Mạ điện: Cr, Ni… Phương pháp này dựa trên cơ sở dùng sản phẩm kim loại cần được mạ làm catot và chất điện phân là dung dịch muối chứa ion kim loại tạo lớp mạ. Khi điện phân trên sản phẩm kim loại sẽ kết tủa lớp kim loại bảo vệ này, tạo khả năng chống ăn mòn tốt hơn để bảo vệ sản phẩm khỏi bị rĩ, để tạo độ cứng cho bề mặt sản phẩm, để trang trí sản phẩm.
6. Đúc điện (kết tủa điện phân kim loại): để chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng (khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử…) Muốn vậy, người ta chế tạo mẫu vật, chẳng hạn bằng nhôm rồi mạ lên nó lớp đồng co chiều dày cần thiết, sau đó hòa tan mẫu vật trong axit clohidric hay kiềm, nhôm tan đi để lại sản phẩm bằng đồng có hình dạng và chiều dày chính xác mong muốn.
7. Chế luyện bề mặt kim loại: Người ta dùng các quá trình catot có kèm theo sự giải phóng hidro để đánh sạch lớp mở, oxit trên bề mặt kim loại, để oxit hóa lớp bề mặt Al, Mg… nhằm tăng khả năng chống ăn mòn và tạo vẻ đẹp bên ngoài cho chúng.
I. CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM BÀI TẬP HIỆU QUẢ:
1. Cách làm bài tập điện phân nóng chảy chất điện phân:
_ Xác định các phản ứng oxi hóa khử xảy ra ở các điện cực.
_ Tương tác của sản phẩm điện phân thu được với điện cực (nếu có).
_ Nếu điện phân dung dịch muối hoặc hidroxit của các kim loại (Li, Na, Ba, Mg) không bao giờ thu được các kim loại đó ở catot.
2. Trình tự khảo sát quá trình điện phân dung dịch chất điện li:
Bước 1: Viết phương trình điện li của tất cả các chất điện phân đồng thời kèm theo phương trình điện li của nước.
Bước 2: Viết phương trình cho, nhận điện tử của các ion tại các điện cực:
* Tại catot (cực âm): Các ion dương nhận điện tử để thực hiện quá trình khử. Các ion dương nhận điện tử theo trình tự tính oxi hóa giảm dần, nghĩa là kim loại càng đứng sau (trong dãy hoạt động hóa học) thì ion dương ưu tiên nhận điện tử trước. Cụ thể là:
_ Thứ tự 1: Các cation từ Au3+ → Zn2+ theo nguyên tắc:
Mn+ + ne = M
Đặc biệt:
• H+ của axit: 2H+ + 2e = H2
• Nếu dung dịch có chứa ion Fe3+ và một số ion dương khác thì Fe3+ sẽ nhận điện tử theo nguyên tắc sau:
Giai đọan 1: Fe3+ + 1e = Fe2+
Giai đọan 2: Fe2+ trở về đúng vị trí của nó
Fe2+ + 2e = Fe
_Thứ tự 2: H+ của nước nhận điện tử theo phương trình:
2H2O + 2e = 2OH- + H2
_Thứ tự 3: Các cation từ Al3+ → K+: không bao giờ nhận điện tử tại catot mà thay vào đó H+ của nước sẽ nhận điện tử theo phương trình như ở thứ tự 2.
* Tại anot (cực dương): Các anion sẽ đến cho điện tử. Tại đây thực hiện quá trình oxi hóa theo thứ tự tính khử của các anion giảm dần. Cụ thể là:
_ Thứ tự 1: S2- > I- > Br- > Cl-
S2- → S + 2e
2X- → X2 + 2e
_Thứ tự 2: RCOO-
2RCOO- → R – R + 2CO2 + 2e
_Thứ tự 3: OH¬- của bazơ
4OH- → 2H2O + O2 + 4e
_Thứ tự 4: OH- của H2O
2H2O = 4H+ + O2 + 4e
_Thứ tự 5: Các gốc axit có oxi (trừ axit hữu cơ) như NO3-, SO42-, PO43-… và F-: không bao giờ cho điện tử tại anot mà thay vào đó là OH- của H2O sẽ cho điện tử theo phương trình nhu thứ tự 4.
Cần xác định hệ số các bán phương trình tại các điện cực sao cho số e cho nhận tại các điện cực bao giờ cũng bằng nhau.
Bước 3: Cộng vế theo vế các bán phương trình đã xác định ở bước 2 ta sẽ viết được phương trình điện phân chung.
CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ:
Ví dụ 1: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch (đpdd) NaCl
Bước 1: NaCl → Na+ + Cl-
H2O H+ + OH-
Bước 2: Tại catot (-) Tại anot (+)
Na+, H2O Cl-, H2O
2H2O + 2e → 2OH- + H2 2Cl- → Cl2 + 2e
Bước 3: Phương trình điện phân:
2NaCl + H2O 2NaOH + H2 + Cl2
(Chú ý: Nếu không có màng ngăn sẽ xảy ra phản ứng
2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O )
Ví dụ 2: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch AgNO3
Bước 1: AgNO3 → Ag+ + NO3-
H2O H+ + OH-
Bước 2: Tại catot (-) Tại anot (+)
Ag+, H2O NO3-, H2O
Ag+ + e → Ag 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bước 3: Phương trình điện phân
4AgNO3 + 2H2O 4HNO3 + 4Ag + O2
Ví dụ 3: Khảo sát quá trình điện phân dung dịch Na2SO4
Bước 1: Na2SO4 → 2Na+ + SO42-
H2O H+ + OH-
Bước 2: Tại catot (-) Tại anot (+)
Na+, H2O SO42-, H2O
2H2O + 2e → 2OH- + H2 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bước 3: Phương trình điện phân
2H2O = 2H2 + O2
Ví dụ 4: Khảo sát quá trình điện phân hỗn hợp dung dịch gồm FeSO4, CuSO4, Fe2(SO4)3
Bước 1: FeSO4 → Fe2+ + SO42-
CuSO4 → Cu2+ + SO42-
Fe2(SO4)3 → 2Fe3+ + 3SO42-
H2O H+ + OH-
Bước 2: Tại catot (-) Tại anot (+)
Fe2+, Cu2+, Fe3+, H2O SO42-, H2O
Fe3+ + e → Fe2+
Cu2+ + 2e → Cu 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Fe2+ + 2e → Fe
Bước 3:
2Fe2(SO4)3 + 2H2O 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2
2CuSO4 + 2H2O 2Cu + 2H2SO4 + O2
2FeSO4 + 2H2O 2Fe + 2H2SO4 + O2
Ví dụ 5: Khảo sát quá trình điện phân hỗn hợp
Bước 1: CuSO4 → Cu2+ + SO42-
KCl → K+ + Cl-
H2O H+ + OH-
Bước 2: Tại catot (-) Tại anot (+)
Cu2+, K+, H2O SO42-, Cl-, H2O
Cu2+ + 2e → Cu 2Cl- → Cl2 + 2e
2H2O + 2e → 2OH- + H2 2H2O → 4H+ + O2 + 4e
Bước 3: Phương trình điện phân chung
CuSO4 + 2KCl Cu + K2SO4 + Cl2
• Nếu b < 2a, xảy ra thêm phương trình:
2CuSO4 + 2H2O 2Cu + 2H2SO4 + O2
• Nếu b > 2a, xảy ra thêm phương trình:
2KCl + 2H2O 2KOH + H2 + Cl2
3. Các trường hợp lưu ý:
+ Cần nắm dãy điện hóa kim loại:
+ Khi catot bắt đầu xuất hiện bọt khí hoặc khối lượng catot không đổi nghĩa là các ion kim loại bị điện phân trong dung dịch đã bị điện phân hết, tại catot H2O bắt đầu bị điện phân.
+ Khi pH của dung dịch không đổi có nghĩa là các ion âm hoặc dương (hay cả hai loại) có thể bị điện phân đã bị điện phân hết. Khi đó tiếp tục điện phân sẽ là H2O bị điện phân.
+ Chất rằn thoát ra có thể là kim loại (có thể là kết tủa của một kim loại hay có cả hai).
+ Chất khí thoát ra sau điện phân gồm cả khí thoát ra ở catot và anot (trừ khí gây ra phản ứng phụ, tạo sản phẩm tan trong dung dịch). Nếu đề yêu cầu tính lượng khí, phải xác định rõ khí ở điện cực nào, hay khí thu được tất cả sau điện phân.
+ Với quá trình điện phân có sinh ra kết tủa hay giải phóng khí:
mdung dịch sau điện phân = mdung dịch trước điện phân - mkết tủa - mkhí
+ Nếu điện phân các bình nối tiếp nhau thì Q = I.t qua mỗi bình bằng nhau. Sự thu hoặc nhường electron ở các cực cùng tên phải như nhau và các chất sinh ra ở các cực cùng tên tỉ lệ mol với nhau.
+ Khi 2 bình điện phân mắc song song, nếu R1 = R2 thì I1 = I2 =
+ Nếu đề cho 2 yếu tố cường độ dòng điện, thời gian điện phân, thì trước tiên tính số mol electron:
ne =
Rồi biện luận tiếp theo trật tự điện phân, ngược lại cho lượng chất thoát ra ở điện cực hay sự thay đổi về khối lượng dung dịch, khối lượng điện cực, pH,…thì tìm cách tính cường độ dòng điện ne rồi thay ne vào công thức trên.
+ Trong nhiều trường hợp, có thể dùng định luật bảo toàn mol electron (số mol electron thu được ở catot bằng số mol electron nhường ở anot) để giải cho nhanh.
| |
:: DIỄN ĐÀN Y KHOA - LỚP YBK35 - KHOA Y - TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC CẦN THƠ::
