GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12

Bài 16. Điện phân và định luật Faraday – Hóa học 12

Sơ đồ Điện phân và định luật Faraday. Hình Gia Sư SV tự vẽ; mô hình minh họa, không thể hiện tỉ lệ vi mô hay thiết bị thực.

Em sẽ học được gì? Giải thích điện phân nóng chảy/dung dịch, xác định sản phẩm điện cực và áp dụng định luật Faraday.

Trước khi học: Ion, phản ứng oxi hóa – khử, nguồn điện một chiều và cân bằng phương trình.

1. Bản chất điện phân và dấu điện cực

Điện phân là quá trình dùng dòng điện một chiều để thúc đẩy phản ứng oxi hóa – khử trên các điện cực. Với bình điện phân: cathode nối cực âm, xảy ra khử; anode nối cực dương, xảy ra oxi hóa. Cả pin và bình điện phân đều có quy tắc bất biến: anode oxi hóa, cathode khử. Nhưng dấu điện cực của pin đang phát điện và bình điện phân không giống nhau.

2. Điện phân chất nóng chảy

Ví dụ điện phân $N a C l$ nóng chảy bằng điện cực trơ:

Cathode (−): $N a^{+} + e^{-} \to N a$ .
Anode (+): $2 C l^{-} \to C l_{2} + 2 e^{-}$ .
Tổng: $2 N a C l (l) \overset{đpnc}{\to} 2 N a (l) + C l_{2} (g)$ .

Lưu ý quan trọng: Không áp kết quả này cho dung dịch NaCl có nước, vì nước có thể bị khử ưu tiên tạo $H_{2}$ thay cho Na.

3. Điện phân dung dịch: phải xét nước và điện cực

Ở cathode, các cation hoặc nước có thể nhận electron. Trong dung dịch NaCl, thường tạo $H_{2}$ ở cathode, không thu được Na kim loại. Với dung dịch $C u S O_{4}$ dùng điện cực trơ, $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$ xảy ra ở cathode, còn tại anode nước bị oxi hóa: $2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}$ .

Nếu anode bằng đồng trong quá trình tinh luyện hoặc mạ, anode có thể hòa tan: $C u \to C u^{2 +} + 2 e^{-}$ , khác với anode trơ. Kết quả còn phụ thuộc môi trường, nồng độ, điện cực và quá thế; không suy ra một thứ tự tuyệt đối cho mọi dung dịch.

4. Định luật Faraday

Điện lượng $Q = I t$ , với $I$ là dòng điện (A), $t$ là thời gian (s). Nếu một ion cần $z$ electron để khử thành một nguyên tử kim loại, khối lượng kim loại bám điện cực ở hiệu suất dòng điện 100% là:

$m = \frac{M I t}{z F}$ , với $F \approx 96 485 C m o l^{- 1}$ . Nếu hiệu suất dòng điện $H$ dưới dạng số thập phân, $m = \frac{M I t H}{z F}$ . Không nhầm khối lượng mol $M$ với số mol electron.

5. Ứng dụng và an toàn

Điện phân dùng điều chế một số kim loại, tinh luyện kim loại, mạ kim loại và sản xuất hóa chất. Điện phân NaCl có thể giải phóng khí chlorine độc, nên không tự làm thí nghiệm điện phân dung dịch muối tại nhà; thực hiện đúng quy trình an toàn trong phòng thí nghiệm.

Ví dụ có lời giải

Tính khối lượng Cu bám ở cathode

Đề bài: Dùng F = 96 500 C/mol trong phép tính gần đúng. Điện phân dung dịch CuSO₄ dư với cathode trơ, dòng không đổi $I = 2, 00 A$ , $t = 1930 s$ , hiệu suất 100%, $M_{C u} = 63, 5$ .

Lời giải từng bước: $n_{e} = I t / F = 3860 / 96500 = 0, 0400 m o l$ . Vì $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$ , $n_{C u} = 0, 0200 m o l$ . Do đó $m_{C u} = 1, 27 g$ .

Tự kiểm tra trước khi mở đáp án

Câu hỏi: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anode trơ: anode chủ yếu sinh chất khí nào?

Xem đáp án và lý do

O₂ từ sự oxi hóa nước trong điều kiện minh họa.

Những lỗi dễ mắc

Gọi cực dương luôn là cathode: sai đối với bình điện phân.
Bỏ qua nước khi xét điện phân dung dịch.
Quên đổi phút sang giây khi dùng $Q = I t$ ; quên hệ số electron $z$ .

Ghi nhớ và luyện tiếp

Kiểm tra lại bản chất phản ứng, điều kiện và đơn vị trước khi làm bài tập. Mở bộ Luyện tập tương ứng để làm câu hỏi nhận biết → thông hiểu → vận dụng; sau khi nộp mới xem giải chi tiết hoặc chọn chế độ học để nhận gợi ý từng bước.

Biên soạn học liệu: Gia Sư SV. Các sơ đồ được vẽ mới cho bài; không phải bản sao tài liệu PDF tham khảo.

Ví dụ và kiến thức bổ trợ

Các bước tính theo bán phản ứng khử Cu²⁺: 1930 C ứng với 0,0200 mol electron, tạo 0,0100 mol Cu. Dùng F = 96 500 C/mol, M(Cu) = 64 g/mol và hiệu suất dòng 100% theo ví dụ.

Mục tiêu và kiến thức nền

Dự đoán sản phẩm điện phân dựa môi trường, ion và vật liệu điện cực; tính lượng chất theo điện lượng. Điện phân dùng nguồn điện để thúc đẩy phản ứng không tự diễn ra theo cùng chiều trong điều kiện xét.

Điện cực và môi trường

Trong bình điện phân, cathode âm xảy ra khử, anode dương xảy ra oxi hóa. Điện phân nóng chảy khác dung dịch vì dung dịch còn nước cạnh tranh phản ứng. Kim loại hoạt động mạnh như Na không thu được bằng điện phân dung dịch muối thông thường: nước bị khử tạo H₂ và OH⁻ thay vì Na⁺ tạo Na. Với anode trơ, anion hoặc nước có thể bị oxi hóa; với anode tan như Cu trong điều kiện phù hợp, chính điện cực có thể nhường electron.

Không dùng một thứ tự phóng điện cứng cho mọi hệ: sản phẩm còn phụ thuộc nồng độ, điện cực, quá thế và điều kiện nêu trong học liệu. Trong mô hình phổ thông, cần ghi rõ các giả thiết như điện cực trơ, dung dịch chứa ion nào, có màng ngăn và có phản ứng tiếp theo hay không.

Định luật định lượng

Q=It, Q tính C, I tính A, t tính s. Số mol electron n_e=Q/F với F≈96485 C/mol. Nếu mỗi mol sản phẩm cần z mol electron, n_{sản phẩm}=It/(zF); m=MIt/(zF) khi hiệu suất dòng 100%. Có hiệu suất η thì lượng sản phẩm hữu ích bằng η lần giá trị lí thuyết. Nếu ion đã hết trước thời gian kết thúc, phải chia giai đoạn và viết phản ứng mới.

Phương pháp và lỗi thường gặp

Lập hai cột cathode/anode; ghi bán phản ứng có electron; tính electron có thể dùng; so với lượng ion ban đầu; xác định thời điểm chuyển giai đoạn; cộng sản phẩm và xét khí thoát, điện cực tan, kết tủa phụ. Khối lượng dung dịch đổi do mọi chất vào/ra, không chỉ kim loại bám cathode. Đừng lấy hệ số electron của ion tại anode áp cho sản phẩm cathode.

Ghi nhớ

Xác định phản ứng trước, dùng Faraday sau. Cùng điện lượng đi qua hai điện cực nhưng số mol các sản phẩm có thể khác nhau.

Ví dụ có lời giải từng bước

Điện phân dung dịch chứa dư Cu²⁺ ở cathode, hiệu suất dòng tạo Cu là 100%, với I = 1,93 A trong 1000 s. Cho F = 96 500 C/mol và M(Cu) = 64 g/mol để tính gần đúng. Khối lượng Cu bám là bao nhiêu?

n_{\mathrm{Cu}}=\frac{It}{2F},\qquad m_{\mathrm{Cu}}=M_{\mathrm{Cu}}\frac{It}{2F}

Cathode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, cần 2 mol electron cho 1 mol Cu; Cu²⁺ chưa cạn theo giả thiết.
Q = It = 1,93 × 1000 = 1930 C. n(e⁻) = Q/F = 1930/96 500 = 0,0200 mol.
n(Cu) = 0,0200/2 = 0,0100 mol; m(Cu) = 0,0100 × 64 = 0,640 g. Nếu hiệu suất dòng khác 100% hoặc Cu²⁺ cạn, phải đổi cách tính theo giai đoạn.

Viết bán phản ứng trước khi dùng Q = It; đơn vị thời gian là giây và hệ số electron phải đúng sản phẩm.

Tự kiểm tra

Thử trả lời rồi mới mở lời giải.

Điện phân dung dịch NaCl thông thường có thu Na ở cathode không?

Không. Nước cạnh tranh bị khử; không dùng mô hình điện phân NaCl nóng chảy cho dung dịch.

Cùng điện lượng thì số mol mọi sản phẩm ở hai điện cực bằng nhau?

Không. Số mol electron tương ứng như nhau nhưng số mol sản phẩm phụ thuộc số electron trong từng bán phản ứng.

Tóm tắt và học tiếp

Viết bán phản ứng trước khi dùng Q = It; đơn vị thời gian là giây và hệ số electron phải đúng sản phẩm.

Luyện tập bài này

Các liên kết dưới đây là đề tổng hợp đã có, bao quát nhiều chủ đề. Chọn câu liên quan để vận dụng; đây không phải bộ bài tập chỉ dành riêng cho bài vừa học. Có thể tìm thêm theo lớp/môn trong Thư viện Luyện tập.