Điện phân là gì (chi tiết nhất)

Bài viết Điện phân là gì lớp 12 chi tiết nhất là kiến thức có trong chương trình Hóa học 12 giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Điện phân.

Điện phân là gì (chi tiết nhất)

1. Điện phân là gì?

- Điện phân là một quá trình oxi hoá - khử xảy ra tại các điện cực khi có dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

- Phản ứng oxi hoá - khử xảy ra trong quá trình điện phân là phản ứng không tự xảy ra mà phải nhờ tác động của điện năng để gây ra phản ứng đó.

- Các chất tham gia vào quá trình điện phân có thể ở trạng thái nóng chảy (điện phân nóng chảy) hoặc dung dịch (điện phân dung dịch). Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường, các ion âm sẽ di chuyển về điện cực dương, các ion dương sẽ di chuyển về điện cực âm.

- Khi điện phân dung dịch, nước cũng có thể tham gia điện phân với vai trò chất khử (2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e) hoặc chất oxi hoá (2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻).

- Theo quy ước chung, đối với cả pin điện và bình điện phân, tại cathode xảy ra quá trình khử và tại anode xảy ra quá trình oxi hoá. Do vậy, trong điện phân cathode là cực âm, anode là cực dương.

- Ví dụ: Sodium chloride (NaCl) nóng chảy điện li thành các ion Na⁺ và Cl⁻ chuyển động tự do. Trong điện trường, các ion sẽ di chuyển về các cực trái dấu. Ở một hiệu điện thế đủ lớn, trên bề mặt các điện cực xảy ra các quá trình:

Cực âm (cathode)	Quá trình khử ion Na+	Na+ + 1e → Na
Cực dương (anode)	Quá trình oxi hoá ion Cl−	$C{l}^{-}\stackrel{}{\to }\frac{1}{2}C{l}_2+1\text{e}$

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân NaCl nóng chảy:

$NaCl\left(l\right)\stackrel{}{\to }Na\left(l\right)+\frac{1}{2}C{l}_2\left(g\right)$

2. Kiến thức mở rộng

2.1. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

- Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hoá và chất khử, các quá trình xảy ra tại anode và cathode tuân theo thứ tự sau:

+ Tại anode, chất khử mạnh hơn sẽ bị oxi hóa trước.

+ Tại cathode, chất oxi hoá mạnh hơn sẽ bị khử trước.

Ví dụ: Điện phân dung dịch NaCl bão hoà với điện cực trơ, có màng ngăn. Trong dung dịch nước, NaCl điện li thành Na⁺ và Cl^-.

                                                  NaCl(aq) → Na⁺(aq) + Cl^-(aq)

Tại điện cực âm có ion Na+ và H2O. Vì H2O (bản chất là H+ của phân tử H2O) dễ nhận electron hơn Na+ nên ưu tiên xảy ra quá trình: 2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH-(aq)

Tại điện cực dương có Cl- và H2O. Trong điều kiện này, Cl- được ưu tiên điện phân trước theo quá trình: 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)

Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ và không có màng ngăn, trong quá trình điện phân, NaCl sinh ra ở cathode sẽ phản ứng với khí Cl₂ sinh ra ở anode theo phương trình hoá học:

2NaOH(aq) + Cl₂(aq) → NaOCl(aq) + NaCl(aq) + H₂O(l)

Dung dịch sản phẩm thu được gọi là nước Javel.

- Ở điều kiện chuẩn, độ mạnh yếu của các chất oxi hóa và chất khử được so sánh dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn hoặc vị trí cặp oxi hoá - khử trong dãy điện hoá.

Ví dụ:

+ Thứ tự điện phân tại anode: $I^{-}>B{r}^{-}>C{l}^{-}$

(Các anion như $C{O}_3^{-},N{O}_3^{-},P{O}_4^{3-},S{O}_4^{2-},F^{-}vàCl{O}_4^{-}$ coi như không bị điện phân).

Thứ tự điện phân tại cathode: Au³⁺ > Ag⁺ > Hg²⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > H₂O.

Chú ý: Thứ tự điện phân còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực, đặc biệt là các quá trình tạo ra sản phẩm ở thể khí.

2.2. Ứng dụng của phương pháp điện phân

a) Sản xuất kim loại

- Trong công nghiệp, một số kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch (đpdd).

- Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Al, ... được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy (đpnc) hợp chất ion của chúng.

b) Tinh chế kim loại

- Từ nguồn kim loại thô (kim loại phế liệu hoặc sau quá trình nhiệt luyện, thuỷ luyện), các kim loại như Zn, Ni, Co, Cu, Ag, Au, ... được tinh chế bằng phương pháp điện phân.

- Quá trình tinh chế được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch chất tan (muối hoặc phức chất) của kim loại đó với anode làm bằng kim loại thô tương ứng.

c) Mạ điện

- Phương pháp điện phân được sử dụng trong mạ điện, trong đó ion kim loại bị khử, tạo thành lớp kim loại rắn bao phủ trên bề mặt kim loại cần mạ nhằm trang trí bề mặt hoặc chống sự ăn mòn.

- Trong kĩ thuật mạ điện, các kim loại mạ thường là chromium, nickel, đồng, vàng, bạc, platinum, ...

- Bình mạ điện chứa dung dịch muối của kim loại mạ, vật cần mạ và thanh kim loại mạ.

3. Kiến thức mở rộng

Câu 1. Khi điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, các chất được tạo ra ở anode (cực dương) và cathode (cực âm) lần lượt là

A. Cl₂ và NaOH, H₂.

B. Na và Cl₂.    

C. Cl₂ và Na.

D. NaOH và H₂.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Tại điện cực âm (cathode) có ion Na⁺ và H₂O, xảy ra quá trình điện phân H₂O: 2H₂O(l) + 2e → H₂(g) + 2OH^–(aq)

Tại điện cực dương (anode) có Cl^– và H₂O. Cl^– được ưu tiên điện phân trước theo quá trình: 2Cl^–(aq) → Cl₂(g) + 2e

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)

Vậy khi điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, chất được tạo ra ở anode (cực dương) là Cl₂ và cathode (cực âm) là NaOH, H₂.

Câu 2. Khi điện phân dung dịch gồm NaCl 1,0 M và CuSO₄ 0,5 M, thứ tự điện phân ở anode là

A. H₂O, Cl^–.

B. Cl^–, H₂O.

C. ${\text{SO}}_4^{2-}$, Cl^–, H₂O.

D. Cl^–, ${\text{SO}}_4^{2-}$, H₂O.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Khi điện phân dung dịch gồm NaCl 1,0 M và CuSO₄ 0,5 M, thứ tự điện phân ở anode là Cl^–, H₂O. Ion ${\text{SO}}_4^{2-}$ không bị oxi hóa khi điện phân dung dịch.

Câu 3. Quá trình xảy ra đầu tiên tại cực âm khi điện phân dung dịch gồm NaCl và CuCl₂ là

A. khử ion Cl^–.

B. oxi hóa ion Cl^–.

C. khử ion Cu²⁺.

D. khử H₂O.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Quá trình xảy ra đầu tiên tại cực âm khi điện phân dung dịch CuCl₂ là khử ion Cu²⁺ thành Cu. Ion Na⁺ không bị khử nên sau khi ion Cu²⁺ bị khử hết thì quá trình xảy ra tiếp theo là khử H₂O.

Câu 4. Trong quá trình điện phân KCl nóng chảy với các điện cực trơ, ở cathode xảy ra quá trình

A. oxi hóa ion K⁺.  

B. khử ion K⁺.        

C. oxi hóa ion Cl^–.  

D. khử ion Cl^–.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Trong quá trình điện phân KCl nóng chảy với các điện cực trơ, ở cathode xảy ra quá trình khử ion K⁺ thành kim loại K, ở anode xảy ra quá trình oxi hóa ion ${\text{Cl}}^{-}$ thành khí Cl₂.

Câu 5. Phản ứng hóa học chính xảy ra trong quá trình điện phân nóng chảy Al₂O₃ trong 3NaF.AlF₃ là

A. 2AlF₃ → 2Al + 3F₂.

B. 2NaF → Na + F₂.

C. 2H₂O → 2H₂ + O­.

D. 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂­.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Phản ứng hóa học chính xảy ra trong quá trình điện phân nóng chảy Al₂O₃ trong 3NaF.AlF₃ là: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂­.

Câu 6. Phương trình hóa học nào sau đây biểu diễn quá trình điều chế kim loại bằng phương pháp điện nóng chảy?

A. 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

B. 2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr.

C. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.            

D. 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Phương trình hóa học: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂ biểu diễn quá trình điều chế kim loại Al bằng phương pháp điện nóng chảy Al₂O₃.

Các phương trình hóa học còn lại:

B. 2Al + Cr₂O₃ → Al₂O₃ + 2Cr: nhiệt nhôm.

C. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu: thủy luyện.

D. 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂: điện phân dung dịch.

Câu 7. Khi điện phân dung dịch gồm Cu(NO₃)₂ 0,1 M và AgNO₃ 0,1 M, quá trình oxi hóa xảy ra ở anode là

A. 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e.

B. 2H₂O+ 2e → H₂ + 2OH^–.

C. Cu²⁺ + 2e → Cu.

D. Ag⁺ + 1e → Ag.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Khi điện phân dung dịch gồm Cu(NO₃)₂ 0,1 M và AgNO₃ 0,1 M, quá trình oxi hóa xảy ra ở anode là 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e. Ion $N{O}_3^{-}$ không bị oxi hóa khi điện phân dung dịch.

Câu 8. Dung dịch X chứa hỗn hợp các muối: MgCl₂, CuCl₂, FeCl₂ và KCl. Kim loại tách ra đầu tiên ở cathode khi điện phân dung dịch là

A. Cu.                               .

B. Mg.

C. K.

D. Fe.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Do Cu²⁺ có tính oxi hóa mạnh nhất trong các ion kim loại trên nên sẽ bị khử đầu tiên, tách ra đầu tiên ở cathode khi điện phân dung dịch.

Câu 9. Sodium được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp nào?

A. Phương pháp thủy luyện.

B. Phương pháp nhiệt luyện.

C. Phương pháp điện phân.

D. Phương pháp điện phân nóng chảy.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Sodium được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp điện phân nóng chảy các hợp chất như NaCl, NaOH.

Câu 10. Khi điện phân dung dịch gồm Zn(NO₃)₂ 1 M và AgNO₃ 1 M, thứ tự điện phân ở cathode là

A. Zn²⁺, Ag⁺, H₂O.

B. Ag⁺, Zn²⁺, H₂O.

C. H₂O, Zn²⁺, Ag⁺.

D. Zn²⁺, H₂O, Ag⁺.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Khi điện phân dung dịch gồm Zn(NO₃)₂ 1 M và AgNO₃ 1 M thì thứ tự điện phân ở cathode là Ag⁺, Zn²⁺, H₂O: do Ag⁺ có tính oxi hóa mạnh hơn Zn²⁺.

Xem thêm các bài viết về định nghĩa & khái niệm môn Hóa học hay, chi tiết khác:

• Sức điện động chuẩn là gì

• Nguyên tắc điện phân là gì

• Liên kết kim loại là gì

• Gang là gì

• Thép là gì

• Ăn mòn hóa học là gì

---