Bài học

Điện phân chất điện li nóng chảy

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình điện phân nóng chảy của một số hợp chất (NaCl, $Al_2O_3$ ), xác định đúng quá trình khử ở catot và quá trình oxi hoá ở anot, và giải thích được vì sao một số kim loại chỉ điều chế được bằng phương pháp này.

Sau bài này, em viết được phương trình điện phân nóng chảy của một số hợp chất (NaCl, $Al_2O_3$), xác định đúng quá trình khử ở catot và quá trình oxi hoá ở anot, và giải thích được vì sao một số kim loại chỉ điều chế được bằng phương pháp này.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước đã cho em pin điện hoá — nơi phản ứng tự phát sinh ra dòng điện, cực âm là nơi oxi hoá, cực dương là nơi khử. Bài này học chiều ngược lại: dùng dòng điện từ nguồn ngoài để bắt buộc một phản ứng KHÔNG tự xảy ra phải xảy ra. Tên gọi hai điện cực vẫn là catot và anot, nhưng vai trò oxi hoá – khử của chúng sẽ đảo ngược so với pin.

Khởi động

Kim loại Na, Al hoạt động hoá học rất mạnh — mạnh đến mức không thể điều chế bằng cách cho hợp chất của chúng tác dụng với một chất khử thông thường (không có chất khử nào trong tự nhiên đủ mạnh để khử $Na^{+}$ hay $Al^{3+}$ về kim loại tự do). Vậy công nghiệp lấy đâu ra hàng triệu tấn Na và Al mỗi năm?

Kiến thức trọng tâm

Điện phân là quá trình dùng dòng điện một chiều đi qua một chất điện li để gây ra phản ứng oxi hoá – khử không tự xảy ra. Với điện phân nóng chảy, chất điện li được nung đến trạng thái nóng chảy (không có nước), tồn tại dưới dạng ion tự do chuyển động. Trong bình điện phân, catot nối với cực âm của nguồn điện — tại đây cation di chuyển đến và bị khử thành kim loại; anot nối với cực dương của nguồn điện — tại đây anion di chuyển đến và bị oxi hoá thành đơn chất phi kim. So với pin, tên gọi "catot/anot" vẫn giữ nguyên nghĩa theo cực nguồn điện, nhưng quá trình khử–oxi hoá đã đảo vị trí: ở pin, oxi hoá xảy ra ở cực âm; ở bình điện phân, oxi hoá lại xảy ra ở cực dương (anot).

**Điện phân** là quá trình dùng dòng điện một chiều đi qua một chất điện li để gây ra phản ứng oxi hoá – khử không tự xảy ra. Với **điện phân nóng chảy**, chất điện li được nung đến trạng thái nóng chảy (không có nước), tồn tại dưới dạng ion tự do chuyển động. Trong bình điện phân, **catot** nối với cực âm của nguồn điện — tại đây cation di chuyển đến và bị **khử** thành kim loại; **anot** nối với cực dương của nguồn điện — tại đây anion di chuyển đến và bị **oxi hoá** thành đơn chất phi kim. So với pin, tên gọi "catot/anot" vẫn giữ nguyên nghĩa theo cực nguồn điện, nhưng quá trình khử–oxi hoá đã đảo vị trí: ở pin, oxi hoá xảy ra ở cực âm; ở bình điện phân, oxi hoá lại xảy ra ở cực dương (anot).

Ví dụ điển hình: điện phân nóng chảy NaCl để điều chế Na. Tại catot: $Na^{+} + e^{-} \to Na$ . Tại anot: $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$ . Phương trình tổng: $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$ . Với điện phân nóng chảy $Al_2O_3$ (phương pháp Hall–Héroult, dùng điều chế Al công nghiệp — có ở Việt Nam tại nhà máy Tân Rai, Lâm Đồng), người ta trộn thêm cryolite $Na_3AlF_6$ để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp từ trên 2000 °C xuống còn khoảng 900 °C, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tại catot: $Al^{3+} + 3e^{-} \to Al$ . Tại anot: $2O^{2-} \to O_2 + 4e^{-}$ . Phương trình tổng: $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$ .

Ví dụ điển hình: **điện phân nóng chảy NaCl** để điều chế Na. Tại catot: $Na^{+} + e^{-} \to Na$. Tại anot: $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$. Phương trình tổng: $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$. Với **điện phân nóng chảy $Al_2O_3$** (phương pháp Hall–Héroult, dùng điều chế Al công nghiệp — có ở Việt Nam tại nhà máy Tân Rai, Lâm Đồng), người ta trộn thêm cryolite $Na_3AlF_6$ để hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp từ trên 2000 °C xuống còn khoảng 900 °C, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tại catot: $Al^{3+} + 3e^{-} \to Al$. Tại anot: $2O^{2-} \to O_2 + 4e^{-}$. Phương trình tổng: $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$.

Bốn giai đoạn điện phân nóng chảy NaCl.

Ví dụ

Viết phương trình điện phân nóng chảy NaCl

1
Viết phương trình điện phân nóng chảy NaCl, chỉ rõ quá trình xảy ra ở catot và anot.
2
NaCl nóng chảy phân li thành $Na^{+}$ và $Cl^{-}$ tự do. $Na^{+}$ di chuyển về catot, $Cl^{-}$ di chuyển về anot.
NaCl nóng chảy phân li thành $Na^{+}$ và $Cl^{-}$ tự do. $Na^{+}$ di chuyển về catot, $Cl^{-}$ di chuyển về anot.
3
Catot (khử): $Na^{+} + e^{-} \to Na$ . Anot (oxi hoá): $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$ .
Catot (khử): $Na^{+} + e^{-} \to Na$. Anot (oxi hoá): $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$.
4
Vậy phương trình tổng là $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$ , thu được Na lỏng ở catot và khí $Cl_2$ ở anot.
Vậy phương trình tổng là $2NaCl \xrightarrow{đpnc} 2Na + Cl_2$, thu được Na lỏng ở catot và khí $Cl_2$ ở anot.

Ví dụ

Điện phân nóng chảy Al2O3 — phương pháp Hall–Héroult

1
Trong công nghiệp, Al được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp $Al_2O_3$ và cryolite $Na_3AlF_6$ . Viết phương trình điện phân và giải thích vai trò của cryolite.
Trong công nghiệp, Al được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp $Al_2O_3$ và cryolite $Na_3AlF_6$. Viết phương trình điện phân và giải thích vai trò của cryolite.
2
Catot (khử): $Al^{3+} + 3e^{-} \to Al$ . Anot (oxi hoá): $2O^{2-} \to O_2 + 4e^{-}$ .
Catot (khử): $Al^{3+} + 3e^{-} \to Al$. Anot (oxi hoá): $2O^{2-} \to O_2 + 4e^{-}$.
3
Cân bằng electron (bội chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12): $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$ .
Cân bằng electron (bội chung nhỏ nhất của 3 và 4 là 12): $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$.
4
$Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy trên 2000 °C, tiêu tốn năng lượng khổng lồ nếu điện phân trực tiếp. Cryolite $Na_3AlF_6$ hoà tan $Al_2O_3$ và hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống còn khoảng 900 °C, giúp quá trình điện phân tiết kiệm năng lượng và khả thi về mặt công nghiệp.
$Al_2O_3$ nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy trên 2000 °C, tiêu tốn năng lượng khổng lồ nếu điện phân trực tiếp. Cryolite $Na_3AlF_6$ hoà tan $Al_2O_3$ và hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp xuống còn khoảng 900 °C, giúp quá trình điện phân tiết kiệm năng lượng và khả thi về mặt công nghiệp.
5
Vậy phương trình điều chế Al là $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$ , với cryolite đóng vai trò hạ nhiệt độ nóng chảy chứ không tham gia phản ứng hoá học.
Vậy phương trình điều chế Al là $2Al_2O_3 \xrightarrow{đpnc, criolit} 4Al + 3O_2$, với cryolite đóng vai trò hạ nhiệt độ nóng chảy chứ không tham gia phản ứng hoá học.

Sai lầm thường gặp

Một sai lầm phổ biến là viết nhầm chiều electron ở catot/anot của bình điện phân giống như ở pin. Ở PIN, electron sinh ra tại anode (cực âm) và tự chạy ra mạch ngoài. Ở BÌNH ĐIỆN PHÂN, electron được nguồn điện ngoài BƠM vào catot (cực âm) để khử cation, và HÚT ra khỏi anot (cực dương) khi anion bị oxi hoá — dòng electron được nguồn điện cưỡng bức, không tự sinh ra như ở pin.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Điện phân nóng chảy dùng dòng điện ngoài để khử cation ở catot và oxi hoá anion ở anot, trong chất điện li ở trạng thái nóng chảy (không có nước). Đây là phương pháp duy nhất điều chế được các kim loại hoạt động rất mạnh như Na, Al.

Cầu nối

Khi chất điện li ở dạng dung dịch (có nước), quá trình phức tạp hơn hẳn — vì nước cũng có thể bị khử hoặc oxi hoá, cạnh tranh với chính các ion của chất tan. Bài sau xây dựng quy tắc xác định ai bị điện phân trước: ion hay nước.