Title PP 3 - GIẢI TOÁN ĐIỆN PHÂN (129-166) ĐS.pdf ✅

129 A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. Định nghĩa Điện phân là quá trình oxi hoá  khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li ở trạng thái nóng chảy. Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học. Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy điều chế Na. 2NaCl 2Na + Cl2 ñpnc ● Điện cực: Là thanh kim loại hoặc các vật dẫn điện khác như cacbon (graphit), nhờ nó các electron chuyển từ dung dịch trong bình điện phân vào mạch điện hoặc ngược lại, chuyển từ mạch điện vào dung dịch. + Điện cực nối với cực âm () của nguồn điện được gọi là catot - cực âm. + Điện cực nối với cực dương (+) của nguồn điện được gọi là anot - cực dương. ● Điện cực trơ: Là điện cực chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, không tham gia cho nhận electron (oxi hoá - khử) trong quá trình điện phân. Đó là điện cực platin (Pt), cacbon (graphit). ● Trên bề mặt catot, cation của chất điện li đến nhận electron. (tổng quát: Chất oxi hoá đến nhận electron). Xét ví dụ trên : Na+ + 1e Na  Vậy trên catot xảy ra sự khử, có sự chuyển electron từ điện cực đến cation chất điện li. ● Trên bề mặt anot, anion của chất điện li đến nhường electron. (tổng quát: Chất khử nhường electron). Cũng xét ví dụ trên : 2Cl Cl  2 + 2e Vậy trên anot xảy ra sự oxi hoá, có sự chuyển electron từ anion của chất điện li tới bề mặt điện cực. II. Sự điện phân chất điện li 1. Điện phân nóng chảy Điện phân nóng chảy thường dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm và một số phi kim như F2. Ví dụ 1 : Điện phân Al2O3 nóng chảy để điều chế Al. Al2O3 2Al3+ + 3O2- o t Ở catot (cực âm) : 4Al3+ + 12e  4Al (1) Ở anot (cực dương) : 6O2-  3O2 + 12e (2) 2Al2O3 4Al + 3O2 (3) ñpnc (1), (2) là các phản ứng xảy ra trên bề mặt các điện cực, (3) là phản ứng điện phân tổng quát.
130 Không thể điện phân nóng chảy AlCl3 vì đó là hợp chất cộng hóa trị, ở nhiệt độ cao nó không nóng chảy thành ion mà thăng hoa. Ví dụ 2 : Điện phân MgCl2 nóng chảy để điều chế Mg. MgCl2 Mg2+ + 2Cl- o t Ở catot : Mg2+ + 2e  Mg Ở anot : 2Cl-  Cl2 + 2e MgCl2 Mg + Cl2 ñpnc Ví dụ 3 : Điện phân nóng chảy NaOH NaOH Na+  + OH- Ở catot : 2Na+ + 2e 2Na  Ở anot : 2OH- O  2 + H2O + 2e 1 2 2NaOH 2Na + O2 + H2O ñpnc 1 2 2. Điện phân dung dịch chất điện li a. Nguyên tắc: Khi điện phân dung dịch (dung môi là nước), ngoài các ion của chất điện li còn có thể có các ion H+ và ion OH của nước và bản thân kim loại làm điện cực tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực. Khi đó quá trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào tính oxi hoá - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình điện phân. Ta xét trường hợp điện phân dung dịch với điện cực trơ. ● Thứ tự khử ở catot : Nói chung, nếu kim loại có tính khử càng yếu thì cation kim loại có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị khử. + Khi điện phân dung dịch, thường những kim loại nào đứng sau nhôm sẽ thoát ra trên catot: Mn+ + ne M  + Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có cation của kim loại có tính khử mạnh (từ K+ đến Al3+), những cation này là những chất oxi hoá yếu, chúng khó bị khử hơn các phân tử nước. Khi đó, ở catot xảy ra sự khử các phân tử nước thành khí hiđro và ion OH : 2H2O 2H+ + 2OH  2H+ + 2e H  2 2H2O + 2e H2 + 2OH  - Thứ tự khử tại catot (cực âm) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ phải qua trái : Xét các cation Các ion không bị điện phân trong dung dịch K+ Na + Mg2 + Al3+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ H+ Cu2+ Fe3+ Ag+ ... ... Các ion bị điện phân trong dung dịch H2O
131 ● Thứ tự oxi hoá ở anot: Nói chung, những phi kim có tính oxi hoá càng yếu thì anion của nó có tính khử càng mạnh và càng dễ bị oxi hoá. Thường khi điện phân dung dịch, thứ tự phóng điện (điện phân) của các anion như sau : + Nếu trong dung dịch chất điện li có anion gốc axit không có oxi (S2 , I , Br , Cl ...). Những ion này dễ bị oxi hoá hơn so với phân tử nước. Thực tế trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các ion này thành nguyên tử (phân tử) tự do: S2 S + 2e  2X X  2 + 2e + Nếu trong dung dịch chất điện li chỉ có anion gốc axit có oxi (SO4 2 , NO3  , ClO4  ...), những anion này khó bị oxi hoá hơn các phân tử nước. Do vậy trên anot chỉ xảy ra sự oxi hoá các phân tử nước tạo ra khí oxi và ion H+ : 4H2O 4H+ + 4OH  4OH O  2 + 2H2O + 4e 2H2O O2 + 4H+  + 4e - Thứ tự oxi hóa tại anot (cực dương) xảy ra theo thứ tự ưu tiên từ trái qua phải : Xét các anion - Các ion tiêu biểu: Cation Na+ Cu2+ H+ Anion OH Cl SO4 2 - Các chất tiêu biểu : CuCl2 , CuSO4 , NaCl , NaOH , H2SO4 , Na2SO4. b. Các trường hợp cụ thể: ● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr...) với các kim loại từ sau nhôm. Ví dụ: + Điện phân dung dịch CuCl2. CuCl2 Cu2+ + 2Cl   M S 2 I  Br Cl OH SO4 2 , NO3  , ClO4  Các ion bị điện phân trong dung dịch S2- S + 2e  2X  X2 + 2e Các ion không bị điện phân trong dung dịch 2H2O  O2 + 4H+ + 4e (Anot tan) 4OH  O2+ 2H2O + 4e M  Mn+ + ne
132 H2O H+  + OH Tại catot (): 1 Cu2+  + 2e Cu   Tại anot (+): 1 2Cl  Cl  2 + 2e Phương trình ion: Cu2+ + 2Cl Cu + Cl2 ñpdd (catot) (anot) Phương trình phân tử: CuCl2 Cu + Cl2 ñpdd ● Điện phân dung dịch muối của axit có oxi (H2SO4, HNO3...) với các kim loại từ sau nhôm. Ví dụ: Điện phân dung dịch CuSO4, điện cực trơ. CuSO4 Cu2+ + SO4  2 H2O H+  + OH Tại catot (): 2 Cu2+  + 2e Cu   Tại anot (+): 1 2H2O O2 + 4H+   + 4e Phương trình ion : 2Cu2+ + 2H2O 2Cu + O2 + 4H+ ñpdd (catot) (anot) Phương trình phân tử: 2CuSO4 + 2H2O 2Cu + O2 + 2H2SO4 ñpdd ● Điện phân dung dịch muối của axit không có oxi (HCl, HBr,...) với các kim loại từ nhôm trở về trước (Al3+, Mg2+, Na+ , Ca2+, K+ ). Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn. NaCl Na+ + Cl   H2O H+  + OH Tại catot (): 1 2H2O + 2e H2 + 2OH   Tại anot (+): 1 2Cl  Cl  2 + 2e Phương trình ion : 2Cl + 2H2O 2OH + H2 + Cl2 ñpdd Phương trình phân tử: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 ñpddcoù maøngngaên (catot) (anot) Nếu không có màng ngăn, Cl2 sinh ra sẽ tác dụng với NaOH tạo thành nước Gia-ven : 2NaOH + Cl2 NaCl + NaClO + H  2O ● Điện phân nước: + Điện phân dung dịch kiềm (NaOH, KOH,...): NaOH Na+  + OH