Bài học

Điện phân và định luật Faraday

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch với điện cực trơ, xác định đúng thứ tự chất bị điện phân tại mỗi điện cực, và áp dụng định luật Faraday để tính khối lượng hoặc thể tích sản phẩm điện phân.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: bài trước đã dựng pin điện hoá từ chênh lệch $E^\circ$ giữa hai cặp oxi hoá — khử. Điện phân là quá trình ngược lại về bản chất năng lượng: dùng dòng điện một chiều từ nguồn ngoài để cưỡng bức phản ứng oxi hoá — khử xảy ra tại hai điện cực nhúng trong chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch.

Khởi động

Một chiếc nhẫn mạ vàng có lõi bằng kim loại rẻ tiền bên trong, chỉ có lớp vàng mỏng phủ bên ngoài. Lớp vàng đó được phủ lên bằng cách nào, nếu không phải bằng cách sơn hay dán, và vì sao lớp phủ lại đều tăm tắp trên toàn bộ bề mặt nhẫn?

Kiến thức trọng tâm

Điện phân nóng chảy áp dụng cho những kim loại hoạt động rất mạnh (nhóm IA, IIA, Al) — chúng không thể điều chế bằng cách khử hoá học thông thường vì hợp chất của chúng quá bền. Ví dụ điện phân nóng chảy NaCl: $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$ ; điện phân nóng chảy $Al_2O_3$ (hoà tan trong criolite nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy) sản xuất nhôm trong công nghiệp.

Điện phân dung dịch với điện cực trơ phức tạp hơn vì có thêm nước tham gia. Tại catot, thứ tự chất bị khử ưu tiên theo tính oxi hoá: cation kim loại yếu hơn $H_2O$ (đứng sau Al trong dãy hoạt động, ví dụ $Cu^{2+}$ ) bị khử trước, bám lên điện cực dưới dạng kim loại; nếu chỉ còn cation kim loại mạnh (Na⁺, K⁺, Ca²⁺...) thì chính $H_2O$ bị khử sinh khí $H_2$ . Tại anot, nếu dung dịch chứa ion halide (trừ F⁻) thì ion đó bị oxi hoá trước sinh khí halogen tương ứng (ví dụ $Cl^-$ sinh $Cl_2$ ); nếu chỉ còn gốc acid có oxi (như $SO_4^{2-}$ , $NO_3^-$ ) thì chính $H_2O$ bị oxi hoá sinh khí $O_2$ và $H^+$ .

Định luật Faraday định lượng khối lượng chất thoát ra ở điện cực: $m = \dfrac{AIt}{nF}$ , trong đó $A$ là khối lượng mol nguyên tử, $I$ là cường độ dòng điện (A), $t$ là thời gian điện phân (s), $n$ là số electron trao đổi để tạo ra 1 phân tử/nguyên tử sản phẩm, và $F = 96\,500$ C/mol là hằng số Faraday. Đại lượng trung gian $n(e^-) = \dfrac{It}{F}$ là chìa khoá của mọi bài toán điện phân — luôn tính số mol electron trao đổi trước, rồi mới suy ra số mol từng sản phẩm theo đúng hệ số electron của bán phản ứng tương ứng.

**Điện phân nóng chảy** áp dụng cho những kim loại hoạt động rất mạnh (nhóm IA, IIA, Al) — chúng không thể điều chế bằng cách khử hoá học thông thường vì hợp chất của chúng quá bền. Ví dụ điện phân nóng chảy NaCl: $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$; điện phân nóng chảy $Al_2O_3$ (hoà tan trong criolite nóng chảy để hạ nhiệt độ nóng chảy) sản xuất nhôm trong công nghiệp. **Điện phân dung dịch** với điện cực trơ phức tạp hơn vì có thêm nước tham gia. Tại **catot**, thứ tự chất bị khử ưu tiên theo tính oxi hoá: cation kim loại **yếu hơn** $H_2O$ (đứng sau Al trong dãy hoạt động, ví dụ $Cu^{2+}$) bị khử trước, bám lên điện cực dưới dạng kim loại; nếu chỉ còn cation kim loại mạnh (Na⁺, K⁺, Ca²⁺...) thì chính $H_2O$ bị khử sinh khí $H_2$. Tại **anot**, nếu dung dịch chứa ion halide (trừ F⁻) thì ion đó bị oxi hoá trước sinh khí halogen tương ứng (ví dụ $Cl^-$ sinh $Cl_2$); nếu chỉ còn gốc acid có oxi (như $SO_4^{2-}$, $NO_3^-$) thì chính $H_2O$ bị oxi hoá sinh khí $O_2$ và $H^+$. **Định luật Faraday** định lượng khối lượng chất thoát ra ở điện cực: $m = \dfrac{AIt}{nF}$, trong đó $A$ là khối lượng mol nguyên tử, $I$ là cường độ dòng điện (A), $t$ là thời gian điện phân (s), $n$ là số electron trao đổi để tạo ra 1 phân tử/nguyên tử sản phẩm, và $F = 96\,500$ C/mol là hằng số Faraday. Đại lượng trung gian $n(e^-) = \dfrac{It}{F}$ là chìa khoá của mọi bài toán điện phân — luôn tính số mol electron trao đổi trước, rồi mới suy ra số mol từng sản phẩm theo đúng hệ số electron của bán phản ứng tương ứng.

Ứng dụng thực tế quan trọng nhất của điện phân dung dịch là mạ điện: muốn mạ một lớp kim loại quý (vàng, bạc, crom) lên một vật bằng kim loại rẻ hơn, người ta dùng chính vật cần mạ làm catot, kim loại mạ làm anot, nhúng cả hai vào dung dịch muối của kim loại mạ. Dòng điện khiến kim loại từ anot tan dần vào dung dịch dưới dạng ion, di chuyển sang catot và bám thành lớp mỏng đều lên bề mặt vật cần mạ — vừa tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn, vừa tạo vẻ ngoài sáng bóng.

Ứng dụng thực tế quan trọng nhất của điện phân dung dịch là **mạ điện**: muốn mạ một lớp kim loại quý (vàng, bạc, crom) lên một vật bằng kim loại rẻ hơn, người ta dùng chính vật cần mạ làm catot, kim loại mạ làm anot, nhúng cả hai vào dung dịch muối của kim loại mạ. Dòng điện khiến kim loại từ anot tan dần vào dung dịch dưới dạng ion, di chuyển sang catot và bám thành lớp mỏng đều lên bề mặt vật cần mạ — vừa tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn, vừa tạo vẻ ngoài sáng bóng.

Ví dụ

Viết phương trình điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch

1
Viết phương trình (a) điện phân nóng chảy NaCl; (b) điện phân dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ.
Viết phương trình (a) điện phân nóng chảy NaCl; (b) điện phân dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ.
2
$2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$ . Cả cation lẫn anion đều không có nước cạnh tranh vì ở trạng thái nóng chảy.
$2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$. Cả cation lẫn anion đều không có nước cạnh tranh vì ở trạng thái nóng chảy.
3
Catot: $Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$ (vì $Cu^{2+}$ yếu hơn $H_2O$ , bị khử trước). Anot: $2H_2O \to O_2 + 4H^+ + 4e^-$ (vì $SO_4^{2-}$ là gốc acid có oxi, không bị oxi hoá, nên $H_2O$ bị oxi hoá thay). Phương trình tổng quát: $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{đp} 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$ .
Catot: $Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$ (vì $Cu^{2+}$ yếu hơn $H_2O$, bị khử trước). Anot: $2H_2O \to O_2 + 4H^+ + 4e^-$ (vì $SO_4^{2-}$ là gốc acid có oxi, không bị oxi hoá, nên $H_2O$ bị oxi hoá thay). Phương trình tổng quát: $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{đp} 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$.
4
Điện phân nóng chảy đơn giản vì chỉ có đúng hai loại ion tham gia; điện phân dung dịch luôn phải xét thêm vai trò của $H_2O$ tại cả hai điện cực trước khi kết luận sản phẩm cuối cùng.
Điện phân nóng chảy đơn giản vì chỉ có đúng hai loại ion tham gia; điện phân dung dịch luôn phải xét thêm vai trò của $H_2O$ tại cả hai điện cực trước khi kết luận sản phẩm cuối cùng.

Ví dụ

Áp dụng định luật Faraday tính khối lượng và thể tích sản phẩm

1
Điện phân dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ, cường độ dòng điện $I = 2$ A trong thời gian $t = 965$ giây. Tính khối lượng Cu bám ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (đkc, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Điện phân dung dịch $CuSO_4$ với điện cực trơ, cường độ dòng điện $I = 2$ A trong thời gian $t = 965$ giây. Tính khối lượng Cu bám ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot (đkc, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$n(e^-) = \dfrac{It}{F} = \dfrac{2 \times 965}{96\,500} = 0{,}02$ mol.
$n(e^-) = \dfrac{It}{F} = \dfrac{2 \times 965}{96\,500} = 0{,}02$ mol.
3
$Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$ , nên $n(Cu) = \dfrac{n(e^-)}{2} = 0{,}01$ mol. $m(Cu) = 0{,}01 \times 64 = 0{,}64$ gam.
$Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$, nên $n(Cu) = \dfrac{n(e^-)}{2} = 0{,}01$ mol. $m(Cu) = 0{,}01 \times 64 = 0{,}64$ gam.
4
$2H_2O \to O_2 + 4H^+ + 4e^-$ , nên $n(O_2) = \dfrac{n(e^-)}{4} = 0{,}005$ mol. $V(O_2) = 0{,}005 \times 24{,}79 = 0{,}12395 \approx 0{,}124$ lít.
$2H_2O \to O_2 + 4H^+ + 4e^-$, nên $n(O_2) = \dfrac{n(e^-)}{4} = 0{,}005$ mol. $V(O_2) = 0{,}005 \times 24{,}79 = 0{,}12395 \approx 0{,}124$ lít.
5
Vậy khối lượng Cu bám catot là 0,64 gam, thể tích $O_2$ thoát ra ở anot là khoảng 0,124 lít. Cùng một lượng electron trao đổi nhưng số mol sản phẩm ở hai điện cực khác nhau, vì hệ số electron trong hai bán phản ứng khác nhau (2 với Cu, 4 với $O_2$ ) — đây là điểm dễ tính nhầm nhất của dạng bài này.
Vậy khối lượng Cu bám catot là 0,64 gam, thể tích $O_2$ thoát ra ở anot là khoảng 0,124 lít. Cùng một lượng electron trao đổi nhưng số mol sản phẩm ở hai điện cực khác nhau, vì hệ số electron trong hai bán phản ứng khác nhau (2 với Cu, 4 với $O_2$) — đây là điểm dễ tính nhầm nhất của dạng bài này.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: dùng chung một hệ số electron cho mọi sản phẩm, quên rằng mỗi bán phản ứng điện cực có hệ số electron riêng ( $n=2$ với $Cu^{2+}/Cu$ , $n=4$ với $O_2/H_2O$ , $n=1$ với $Ag^+/Ag$ ...). Luôn tính $n(e^-)$ chung trước, sau đó chia cho ĐÚNG hệ số electron của từng bán phản ứng khi suy ra số mol từng sản phẩm riêng biệt.

Sai lầm thường gặp: dùng chung một hệ số electron cho mọi sản phẩm, quên rằng mỗi bán phản ứng điện cực có hệ số electron riêng ($n=2$ với $Cu^{2+}/Cu$, $n=4$ với $O_2/H_2O$, $n=1$ với $Ag^+/Ag$...). Luôn tính $n(e^-)$ chung trước, sau đó chia cho ĐÚNG hệ số electron của từng bán phản ứng khi suy ra số mol từng sản phẩm riêng biệt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Điện phân nóng chảy: dùng cho kim loại rất mạnh (IA, IIA, Al). Điện phân dung dịch: catot ưu tiên khử cation kim loại yếu hơn $H_2O$ ; anot ưu tiên oxi hoá ion halide (trừ F⁻), nếu không có thì $H_2O$ bị oxi hoá. Định luật Faraday: luôn tính $n(e^-)=It/F$ trước, rồi chia đúng hệ số electron riêng của từng sản phẩm. Đổi đơn vị thời gian ra giây trước khi thay vào công thức là bước bắt buộc, dễ quên nhất khi đề cho thời gian bằng phút hoặc giờ.

Điện phân nóng chảy: dùng cho kim loại rất mạnh (IA, IIA, Al). Điện phân dung dịch: catot ưu tiên khử cation kim loại yếu hơn $H_2O$; anot ưu tiên oxi hoá ion halide (trừ F⁻), nếu không có thì $H_2O$ bị oxi hoá. Định luật Faraday: luôn tính $n(e^-)=It/F$ trước, rồi chia đúng hệ số electron riêng của từng sản phẩm. Đổi đơn vị thời gian ra giây trước khi thay vào công thức là bước bắt buộc, dễ quên nhất khi đề cho thời gian bằng phút hoặc giờ.

Chương tiếp theo dùng lại chính khái niệm $E^\circ$ và dãy điện hoá vừa ôn, nhưng chuyển góc nhìn sang một hiện tượng tiêu cực trong đời sống: ăn mòn kim loại — và cách chống lại nó bằng nguyên lí điện hoá.