Bài 16. Điện phân – Hóa học 12 Kết nối tri thức

Yêu cầu cần đạt

Trình bày được nguyên tắc (thứ tự) điện phân dung dịch, điện phân nóng chảy.
Thực hiện được (hoặc quan sát video) thí nghiệm điện phân dung dịch copper(II) sulfate, dung dịch sodium chloride (tự chế tạo nước Javel để tẩy rửa).
Nêu được ứng dụng của một số hiện tượng điện phân trong thực tiễn (mạ điện, tinh chế kim loại).
Trình bày được giai đoạn điện phân aluminium oxide trong sản xuất nhôm (aluminium), tinh luyện đồng (copper) bằng phương pháp điện phân, mạ điện.

Trong pin điện hoá, hoá năng được chuyển thành điện năng của dòng điện một chiều thông qua phản ứng oxi hoá - khử tự xảy ra. Ngược lại, trong bình điện phân, điện năng của dòng điện một chiều được sử dụng để thực hiện phản ứng oxi hoá - khử không tự xảy ra. Vậy, quá trình điện phân tuân theo nguyên tắc nào và có ứng dụng gì trong sản xuất?

Quá trình điện phân $N a C l$ nóng chảy được tiến hành theo hai bước như sau:

Bước 1: Nung $N a C l$ trong bình đến nóng chảy, thu được chất lỏng có khả năng dẫn điện.

Bước 2: Nhúng hai điện cực than chì vào bình đựng $N a C l$ nóng chảy rồi nối chúng với hai cực của nguồn điện một chiều (khoảng $7 V$ ). Các ion di chuyển về các điện cực trái dấu, ở điện cực dương có khí $C l_{2}$ thoát ra và ở điện cực âm, $N a$ được tạo thành.

Hình 16.1. Điện phân

N a C l

nóng chảy

Thực hiện các yêu cầu sau:

1

Viết phương trình phân li của $N a C l$ ở bước 1.

2

Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực.

3

Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân.

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 ( $2 H_{2} O \overset{}{\to} O_{2} + 4 H^{+} + 4 e$ ) hoặc chất oxi hoá ( $2 H_{2} O + 2 e \overset{}{\to} H_{2} + 2 O H^{-}$ ).

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.

1

Xét thí nghiệm điện phân dung dịch (đpdd) $C u C l_{2}$ với điện cực trơ (1) (như than chì).
Dung dịch $C u C l_{2}$
Anode (+) $C l^{-}$ Cathode (-) $C u^{2 +}$
Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân.

Hình/bảng: Diagram of $\ce{CuCl2}$ electrolysis with inert electrodes

Khi đặt một hiệu điện thế khoảng $3 - 6 V$ giữa hai điện cực (thí nghiệm ở Hình 16.2), thấy khí $O_{2}$ thoát ra ở anode và kim loại $C u$ bám trên cathode.

Trong thí nghiệm này, khí có dòng điện đi qua dung dịch, ion $S O_{4}^{2 -}$ di chuyển về phía anode, ion $C u^{2 +}$ di chuyển về cathode.

Ở anode có thể xảy ra sự oxi hoá ion $S O_{4}^{2 -}$ hoặc phân tử $H_{2} O$ . Tuy nhiên, vì $H_{2} O$ dễ bị oxi hoá hơn $S O_{4}^{2 -}$ nên $H_{2} O$ bị oxi hoá trước, tạo thành sản phẩm là khí $O_{2}$ .

$2 H_{2} O \overset{}{\to} O_{2} + 4 H^{+} + 4 e$

Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion $C u^{2 +}$ hoặc phân tử $H_{2} O$ . Vì ion $C u^{2 +}$ dễ bị khử hơn $H_{2} O$ nên ion $C u^{2 +}$ bị khử trước, tạo thành kim loại $C u$ bám trên cathode.

$C u_{2}^{2 + +} e \overset{}{\to} C u$

Sơ đồ điện phân:

Dung dịch $C u S O_{4}$
Anode (+) $S O_{4}^{2 -}$ , $H_{2} O$ $H_{2} O \overset{}{\to} \frac{1}{2} O_{2}^{+} 2 H_{2}^{+ +} e$
Cathode (-) $C u^{2 +}$ , $H_{2} O$ $C u_{2}^{2 + +} e \overset{}{\to} C u$

Phương trình hoá học của phản ứng điện phân:

$C u S O_{4}^{+} H_{2} O \overset{d p d d}{\to} C u_{1}^{+} / 2 O_{2}^{+} H_{2} S O_{4}$

(1) Điện cực trơ là điện cực có khả năng dẫn điện và không tham gia phản ứng trong quá trình điện phân.

Thí nghiệm: Điện phân dung dịch $\ce{CuSO4}$

Chuẩn bị:
Hoá chất: dung dịch $C u S O_{4}$ $0,5 M$ .
Dụng cụ: nguồn điện một chiều ( $3 - 6$ vôn), ống thuỷ tinh hình chữ U, hai điện cực than chì, dây dẫn, kẹp kim loại.
Tiến hành:

Lắp thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch $C u S O_{4}$ như Hình 16.2.
Rót dung dịch $C u S O_{4}$ $0,5 M$ vào ống thuỷ tinh hình chữ U rồi nhúng hai điện cực than chì vào dung dịch.
Nối hai điện cực than chì với hai cực của nguồn điện và tiến hành điện phân trong khoảng $5$ phút.

Hình 16.2. Sơ đồ thí nghiệm điện phân dung dịch

C u S O_{4}

với điện cực trơ

Quan sát hiện tượng xảy ra ở mỗi điện cực và giải thích.

Điện phân dung dịch $N a C l$ bão hoà với điện cực trơ (graphite)
Dung dịch $N a C l$
Anode (+) $C l^{-}$ $H_{2} O$
Cathode (-) $N a^{+}$ $H_{2} O$
a) Viết quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực, biết sản phẩm của quá trình điện phân có khí $C l_{2}$ và $H_{2}$ .
b) Viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân.
c) Trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau sẽ xảy ra phản ứng hoá học nào?

Hình/bảng: Diagram of $\ce{NaCl}$ electrolysis with inert electrodes

Xem bản PDF nguyên trang sách: Hóa học 12 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 78–80).