Bài 17. Ôn tập chương 5

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 $(2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}->\mathrm{O}{\phantom{X}}_2+4\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}+4\mathrm{e})$ hoặc chất oxi hoá $(2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{e}->\mathrm{H}{\phantom{X}}_2+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-})$.
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.

Khi đặt một hiệu điện thế khoảng 3 – 6 V giữa hai điện cực (thí nghiệm ở Hình 16.2), thấy khí $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$ thoát ra ở anode và kim loại Cu bám trên cathode.
Trong thí nghiệm này, khí có dòng điện đi qua dung dịch, ion $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$ di chuyển về phía anode, ion $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ di chuyển về cathode.
Ở anode có thể xảy ra sự oxi hoá ion $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$ hoặc phân tử $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$. Tuy nhiên, vì $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$ dễ bị oxi hoá hơn $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$ nên $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$ bị oxi hoá trước, tạo thành sản phẩm là khí $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$.

Ở cathode có thể xảy ra sự khử ion $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ hoặc phân tử $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$. Vì ion $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ dễ bị khử hơn $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$ nên ion $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ bị khử trước, tạo thành kim loại Cu bám trên cathode.

Sơ đồ điện phân:

Dung dịch $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$
Anode (+)
$\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$, $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$
$\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}⟶\frac{1}{2}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}+2\mathrm{e}$
Cathode (-)
$\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$, $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$
$\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}+2\mathrm{e}⟶\mathrm{C}\mathrm{u}$

Phương trình hoá học của phản ứng 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 hoá trước.
Tại cathode, chất oxi hoá mạnh hơn sẽ bị khử trước.

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

(Các anion như $\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{2-}$, $\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{-}$, $\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{3-}$ $\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{2-}$, $\mathrm{F}{\phantom{X}}^{-}$ và $\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{-}$ coi như không bị điện phân).

Thứ tự điện phân tại cathode: $\mathrm{A}\mathrm{u}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{+}>\mathrm{A}\mathrm{g}{\phantom{X}}^{+}>\mathrm{H}\mathrm{g}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}>\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}>\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}>\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

Trong công nghiệp, một số kim loại trung bình và yếu được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.
Ví dụ: hơn 50% sản lượng kẽm trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân:

Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, $\mathrm{A}\mathrm{l},\mathrm{.}\mathrm{.}\mathrm{.}$ được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy (đpnc) hợp chất ion của chúng.
Ví dụ: Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất từ quặng bauxite theo hai giai đoạn chính:

Quặng bauxite (thành phần chính $\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}{\phantom{X}}_3\cdot 2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O})$ thường lẫn tạp chất. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hoá học thu được $\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$.

Do $\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$ có nhiệt độ nóng chảy rất cao $({2.050}^{\circ }\text{C})$ nên $\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$ được trộn cùng với cryolite $(\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{X}}_3\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{F}{\phantom{X}}_6)$ để tạo thành hỗn hợp nóng chảy ở gần ${1000}^{\circ }\text{C}$. Giải pháp này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng, đồng thời tạo ra chất lỏng vừa có tính dẫn điện tốt, vừa nổi lên trên Al lỏng để ngăn cách Al lỏng với không khí.
Thùng điện phân có cathode là tấm than chì ở dưới đáy thùng, anode là những tấm than chì có thể di chuyển theo phương thẳng đứng (Hình 16.4).
Ở anode xảy ra quá trình oxi hoá $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{-}$ thành $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$:

Ở cathode xảy ra quá trình khử $\mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{+}$ thành Al:

Khí $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$ tạo thành ở nhiệt độ cao, đốt cháy dẫn điện cực anode than chì thành CO và $\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$. Do vậy, trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần các điện cực anode vào thùng điện phân.

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, $\mathrm{A}\mathrm{u},\mathrm{.}\mathrm{.}\mathrm{.}$ 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.
Ví dụ: Trong công nghiệp, đồng phế liệu hoặc đồng thô được tinh chế bằng phương pháp điện phân.
Bình điện phân tinh chế đồng chứa dung dịch muối $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$ trong dung dịch $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$, anode bằng đồng thô và cathode là đồng tinh khiết.
Tại anode: Cu bị oxi hoá thành ion $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ đi vào dung dịch:

Do vậy, anode dần bị hoà tan.
Tại cathode: $\mathrm{C}\mathrm{u}{\phantom{X}}_2{\phantom{X}}^{+}$ bị khử thành Cu bám trên cathode:

Quá trình điện phân này được coi như là sự chuyển dời kim loại Cu từ anode (ở dạng đồng thô) về cathode (ở dạng đồng tinh khiết).
Kết thúc quá trình điện phân thu được đồng tinh khiết ở cathode.

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.
Ví dụ: Quá trình điện phân để mạ đồng lên một chiếc chia khoá được mô tả ở Hình 16.5. Trong quá trình điện phân, thanh kim loại đóng vai trò là anode, chiếc chia khoá đóng vai trò là cathode và dung dịch điện phân là dung dịch $\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$. Các quá trình xảy ra ở các điện cực tương tự như quá trình điện phân tinh chế đồng với anode tan.
Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua dung dịch điện phân và thời gian mạ.

Dạng oxi hoá $(\mathrm{M}{\phantom{X}}^{n+})$ và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hoá - khử, giữa chúng có mối quan hệ:

Khái niệm
Thế điện cực chuẩn là đại lượng đánh giá khả năng khử giữa các dạng khử và khả năng oxi hoá giữa các dạng oxi hoá ở điều kiện chuẩn.

Ý nghĩa

Giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử $\mathrm{M}{\phantom{X}}^{n+}\mathrm{/}\mathrm{M}$ càng lớn thì tính oxi hoá của ion $\mathrm{M}{\phantom{X}}^{n+}$ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại.

Phản ứng hoá học giữa hai cặp oxi hoá - khử xảy ra theo chiều: Chất oxi hoá của cặp oxi hoá - khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn oxi hoá chất khử của cặp oxi hoá - khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn.

Pin Galvani có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hoá - khử và thường nối với nhau qua cầu muối.

Ở anode xảy ra quá trình oxi hoá, còn ở cathode xảy ra quá trình khử.

Sức điện động chuẩn của pin: $E_{pin}^o=E_{cathode}^o-E_{anode}^o$

Một số nguồn điện khác

Acquy thuộc loại pin sạc, được sử dụng phổ biến trong nhiều loại ô tô.

Pin nhiên liệu và pin Mặt Trời là những nguồn năng lượng sạch, tiềm năng.

Thứ tự điện phân

Tại anode, chất khử mạnh hơn bị oxi hoá trước.

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

Ứng dụng

Nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy:

Đồng được tinh luyện bằng phương pháp điện phân với anode bằng đồng thô.

Mạ điện được sử dụng để trang trí bề mặt hoặc bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn.