Chuyên đề 16 lý thuyết và phương pháp giải bài tập điện phân

Website : luyenthithukhoa.vn

- 1 -

CHUYÊN ĐỀ 16 LÝ THUYẾT VÀ PP GIẢI BÀI TẬP ĐIỆN PHÂN

I – KHÁI NIỆM

Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li - Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học - Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện) - Tại catot xảy ra quá trình khử cation (Mn+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (Xn- → X + ne) - Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan

II – SỰ ĐIỆN PHÂN CÁC CHẤT ĐIỆN LI

1. Điện phân chất điện li nóng chảy

Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg, Al

Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) NaCl Anot ( + ) 2| Na+ + e → Na 2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân là: 2NaCl 2Na + Cl2 Cần có màng ngăn không cho Cl2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân. Một số chất phụ gia như NaF, KCl giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ…

Ví dụ 2: Điện phân NaOH nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) NaOH Anot ( + ) 4| Na+ + 1e → Na 4OH- → O2 + 2H2O + 4e

Phương trình điện phân là: 4NaOH 4Na + O2 + 2H2O

Ví dụ 3: Điện phân Al2O3 nóng chảy pha thêm criolit (Na3AlF6) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Catot ( – ) Al2O3 Anot ( + ) 4| Al3+ + 3e → Al 3| 2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân là: 2Al2O3 4Al + 3O2

Criolit (Na3AlF6) có vai trò quan trọng nhất là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 từ 2050oC xuống khoảng 900oC, ngoài ra nó còn làm tăng độ dẫn điện của hệ và tạo lớp ngăn cách giữa các sản phẩm điện phân và môi trường ngoài. Anot làm bằng than chì thì điện cực bị ăn

ThuVienDeThi.com

Website : luyenthithukhoa.vn

- 2 -

mòn dần do chúng cháy trong oxi mới sinh: C + O2 CO2 và 2C + O2 2CO

2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn có các ion H+ và OH- của nước. Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phân phức tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau.

Ví dụ khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na+, H+(H2O) chạy về catot còn các ion Cl-, OH-(H2O) chạy về anod. Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở các điện cực.

Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử của các cặp. Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử. Vì vậy khi có nhiều dạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị khử trước. Ngược lại trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế oxi hóa – khử nhỏ nhất trước.

a) Khả năng phóng điện của các cation ở catot: Ở catot có thể xảy ra các quá trình khử sau đây:

- Mn+ + ne → M - 2H+(axit) + 2e → H2 - Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OH- Dạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau: - Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…dễ bị khử nhất và thứ tự tăng dần - Từ Al3+ đến các ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+…không bị khử trong dung dịch - Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước

b) Khả năng phóng điện của các anion ở anot: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl-, S2-…hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước - 2Cl- → Cl2 + 2e - 4OH- → O2 + 2H2O + 4e - Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxi hóa. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau: - Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự: …