Bài học

Ứng dụng của điện phân trong đời sống và sản xuất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được nguyên tắc mạ điện và tinh luyện kim loại bằng điện phân, phân biệt được hai quy trình này, và giải được bài toán tính khối lượng kim loại mạ theo định luật Faraday.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em công thức tính lượng sản phẩm điện phân theo dòng điện và thời gian. Bài này đặt công thức đó vào bối cảnh thực tế: những quy trình công nghiệp nào đang dùng chính nguyên lí điện phân mà em vừa học.

Khởi động

Một chiếc thìa inox được mạ một lớp vàng mỏng để trông sang trọng hơn, hay một chiếc vành xe được mạ crôm sáng bóng để chống gỉ — cả hai đều dùng chung một nguyên lí điện hoá mà em vừa học trong hai bài trước. Nguyên lí đó là gì?

Kiến thức trọng tâm

Mạ điện (electroplating) là quá trình dùng điện phân để phủ một lớp kim loại mỏng, đều lên bề mặt vật khác nhằm chống gỉ, chống ăn mòn, hoặc làm đẹp. Vật cần mạ được nối làm catot, kim loại dùng để mạ (ví dụ Ag, Au, Cr, Ni) được dùng làm anot, và dung dịch điện phân chứa muối tan của chính kim loại mạ đó. Dòng điện được kiểm soát ở cường độ nhỏ và thời gian vừa đủ để lớp kim loại bám đều và mỏng, tránh bong tróc. Trong khi mạ, kim loại ở anot có thể tiếp tục tan ra bổ sung ion kim loại cho dung dịch, giúp nồng độ dung dịch ổn định trong suốt quá trình.

**Mạ điện** (electroplating) là quá trình dùng điện phân để phủ một lớp kim loại mỏng, đều lên bề mặt vật khác nhằm chống gỉ, chống ăn mòn, hoặc làm đẹp. Vật cần mạ được nối làm **catot**, kim loại dùng để mạ (ví dụ Ag, Au, Cr, Ni) được dùng làm **anot**, và dung dịch điện phân chứa muối tan của chính kim loại mạ đó. Dòng điện được kiểm soát ở cường độ nhỏ và thời gian vừa đủ để lớp kim loại bám đều và mỏng, tránh bong tróc. Trong khi mạ, kim loại ở anot có thể tiếp tục tan ra bổ sung ion kim loại cho dung dịch, giúp nồng độ dung dịch ổn định trong suốt quá trình.

Tinh luyện kim loại bằng điện phân áp dụng cho kim loại đã điều chế được nhưng còn lẫn tạp chất, điển hình là tinh luyện đồng thô thành đồng tinh khiết trên 99,9%. Khác với mạ điện, ở đây anot là chính khối kim loại thô (đồng còn lẫn tạp chất), catot là một lá kim loại tinh khiết mỏng dùng làm mầm kết tinh. Khi điện phân, kim loại thô ở anot tan dần thành ion, di chuyển qua dung dịch và kết tủa tinh khiết ở catot; các tạp chất kém hoạt động hơn không tan mà lắng xuống đáy bể thành bùn anot (thường chứa các kim loại quý như Ag, Au — bùn anot này lại được thu hồi riêng, có giá trị kinh tế cao). Công nghiệp xút–chlorine đã học ở bài trước cũng là một ứng dụng quy mô lớn của chính nguyên lí điện phân dung dịch.

**Tinh luyện kim loại bằng điện phân** áp dụng cho kim loại đã điều chế được nhưng còn lẫn tạp chất, điển hình là tinh luyện đồng thô thành đồng tinh khiết trên 99,9%. Khác với mạ điện, ở đây **anot là chính khối kim loại thô** (đồng còn lẫn tạp chất), **catot là một lá kim loại tinh khiết mỏng** dùng làm mầm kết tinh. Khi điện phân, kim loại thô ở anot tan dần thành ion, di chuyển qua dung dịch và kết tủa tinh khiết ở catot; các tạp chất kém hoạt động hơn không tan mà lắng xuống đáy bể thành **bùn anot** (thường chứa các kim loại quý như Ag, Au — bùn anot này lại được thu hồi riêng, có giá trị kinh tế cao). Công nghiệp xút–chlorine đã học ở bài trước cũng là một ứng dụng quy mô lớn của chính nguyên lí điện phân dung dịch.

Bốn bước của quy trình mạ điện.

Ví dụ

Tính khối lượng Ag mạ lên một vật trong thời gian cho trước

1
Mạ Ag lên một chiếc thìa bằng cách điện phân dung dịch $AgNO_3$ với $I = 0{,}5$ A trong 1 giờ 30 phút. Tính khối lượng Ag bám vào thìa (biết $M(Ag) = 108$ ).
Mạ Ag lên một chiếc thìa bằng cách điện phân dung dịch $AgNO_3$ với $I = 0{,}5$ A trong 1 giờ 30 phút. Tính khối lượng Ag bám vào thìa (biết $M(Ag) = 108$).
2
$t = 1$ giờ 30 phút $= 90$ phút $= 90 \times 60 = 5400$ giây.
$t = 1$ giờ 30 phút $= 90$ phút $= 90 \times 60 = 5400$ giây.
3
$n(e^{-}) = \dfrac{It}{F} = \dfrac{0{,}5 \times 5400}{96500} = \dfrac{2700}{96500} \approx 0{,}028$ mol.
$n(e^{-}) = \dfrac{It}{F} = \dfrac{0{,}5 \times 5400}{96500} = \dfrac{2700}{96500} \approx 0{,}028$ mol.
4
Vì $Ag^{+} + e^{-} \to Ag$ ( $n=1$ ), nên $n(Ag) = n(e^{-}) \approx 0{,}028$ mol. Khối lượng: $m(Ag) \approx 0{,}028 \times 108 \approx 3{,}0$ g.
Vì $Ag^{+} + e^{-} \to Ag$ ($n=1$), nên $n(Ag) = n(e^{-}) \approx 0{,}028$ mol. Khối lượng: $m(Ag) \approx 0{,}028 \times 108 \approx 3{,}0$ g.
5
Vậy khối lượng Ag bám vào chiếc thìa xấp xỉ 3,0 g.

Ví dụ

So sánh nguyên tắc mạ điện và tinh luyện kim loại

1
So sánh nguyên tắc mạ điện và nguyên tắc tinh luyện đồng bằng điện phân, chỉ ra điểm khác nhau chính giữa vai trò của anot trong hai quy trình.
2
Cả hai đều là điện phân dung dịch: catot là nơi kim loại mong muốn kết tủa (kim loại tinh khiết bám vào), dòng điện được duy trì liên tục trong một khoảng thời gian xác định.
3
Trong mạ điện, anot là kim loại tinh khiết, kích thước nhỏ, dùng để cung cấp ion cho lớp mạ mỏng lên vật. Trong tinh luyện, anot là chính khối kim loại thô, khối lượng lớn, cần được làm sạch — nó tan dần trong quá trình điện phân, để lại tạp chất dưới dạng bùn anot.
4
Vậy khác biệt cốt lõi nằm ở bản chất của anot: mạ điện dùng kim loại tinh khiết làm nguồn cung ion cho một vật khác; tinh luyện dùng chính kim loại thô cần làm sạch làm anot, catot chỉ là mầm kết tinh ban đầu.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm anot và catot trong mạ điện — nghĩ rằng vật cần mạ là anot vì nó là "đối tượng chính" của quá trình. Thực ra vật cần mạ luôn là catot, vì đó là nơi ion kim loại bị khử và kết tủa bám lên; kim loại mạ (nguồn ion) mới là anot.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Mạ điện: vật cần mạ là catot, kim loại mạ tinh khiết là anot, dung dịch chứa muối của kim loại mạ. Tinh luyện kim loại: kim loại thô là anot (tan dần, để lại bùn anot chứa tạp chất), lá kim loại tinh khiết mỏng là catot (mầm kết tinh). Cả hai đều tính bằng định luật Faraday.

Cầu nối

Bốn bài vừa qua đã trang bị đủ bốn mảnh ghép: thế điện cực, pin điện hoá, điện phân, và định luật Faraday. Chương cuối cùng hệ thống hoá lại toàn bộ và luyện đúng ba dạng câu hỏi của đề thi tốt nghiệp THPT 2025.