Bài 16: Điện phân

1. Kiến thức trọng tâm

Điện phân là quá trình oxi hoá khử xảy ra tại các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Tại cathode xảy ra quá trình khử, tại anode xảy ra quá trình oxi hoá. Điện phân được ứng dụng để điều chế kim loại, tinh chế kim loại, mạ điện và sản xuất hoá chất như chlorine, sodium hydroxide.

Khi điện phân dung dịch, cần xét thứ tự ưu tiên tại mỗi điện cực. Tại cathode, cation có tính oxi hoá mạnh hơn bị khử trước: $H^+$ của acid, ion kim loại sau aluminium trong dãy điện hoá, rồi đến $H_2O$. Tại anode, anion có tính khử mạnh hơn bị oxi hoá trước: $S^{2-}$, $I^-$, $Br^-$, $Cl^-$, $OH^-$, rồi đến $H_2O$. Với điện cực trơ như graphite hoặc platinum, điện cực không tham gia phản ứng.

Định luật Faraday mô tả định lượng quá trình điện phân. Khối lượng chất thoát ra ở điện cực được tính bằng công thức $m = \frac{A \cdot I \cdot t}{n \cdot F}$, trong đó $A$ là khối lượng mol nguyên tử, $I$ là cường độ dòng điện tính bằng ampere, $t$ là thời gian tính bằng giây, $n$ là số electron trao đổi và $F = 96500$ C/mol là hằng số Faraday. Điện lượng $Q = I \cdot t$ tỉ lệ thuận với số mol electron trao đổi.

Điện phân dung dịch $NaCl$ bão hoà có màng ngăn thu được $Cl_2$ ở anode, $H_2$ ở cathode và dung dịch $NaOH$. Điện phân $Al_2O_3$ nóng chảy điều chế aluminium trong công nghiệp.

2. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1. Điện phân dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ. Viết các quá trình tại điện cực.

Lời giải: Tại cathode: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$. Tại anode: $2H_2O \rightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-$. Đồng kim loại bám lên cathode, khí oxygen thoát ra ở anode.

Ví dụ 2. Điện phân dung dịch $AgNO_3$ với $I = 2A$ trong $965$ giây thu được bao nhiêu gam bạc?

Lời giải: $m = \frac{108 \times 2 \times 965}{1 \times 96500} = 2,16$ gam.

3. Ghi nhớ

• Tại cathode xảy ra khử, tại anode xảy ra oxi hoá.
• Định luật Faraday: $m = \frac{A \cdot I \cdot t}{n \cdot F}$ với $F = 96500$ C/mol.
• Điện phân ứng dụng để điều chế, tinh chế và mạ kim loại.