Bài học

Điện phân dung dịch với điện cực trơ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được thứ tự ưu tiên phóng điện của cation ở catot và anion ở anot khi điện phân dung dịch với điện cực trơ, và viết đúng phương trình điện phân dung dịch $CuSO_4$ cũng như dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã nắm nguyên lí điện phân trong môi trường không có nước: cation về catot, anion về anot. Bài này thêm một nhân vật mới vào cuộc chơi — chính phân tử nước — vì trong dung dịch, nước cũng có khả năng bị khử hoặc bị oxi hoá.

Khởi động

Điện phân dung dịch $CuSO_4$ bằng điện cực than chì (trơ), ta thấy Cu bám vào catot và có khí thoát ra ở anot — nhưng khí đó không phải là lưu huỳnh hay các sản phẩm chứa gốc $SO_4$ , mà là khí $O_2$ . Dung dịch $CuSO_4$ chứa $Cu^{2+}$ và $SO_4^{2-}$ , vậy vì sao sản phẩm ở anot lại không liên quan đến $SO_4^{2-}$ ?

Điện phân dung dịch $CuSO_4$ bằng điện cực than chì (trơ), ta thấy Cu bám vào catot và có khí thoát ra ở anot — nhưng khí đó không phải là lưu huỳnh hay các sản phẩm chứa gốc $SO_4$, mà là khí $O_2$. Dung dịch $CuSO_4$ chứa $Cu^{2+}$ và $SO_4^{2-}$, vậy vì sao sản phẩm ở anot lại không liên quan đến $SO_4^{2-}$?

Kiến thức trọng tâm

Trong dung dịch, ngoài các ion của chất tan, còn có phân tử $H_2O$ cũng có thể tham gia phản ứng điện cực: tại catot, nước có thể bị khử theo $2H_2O + 2e^{-} \to H_2 + 2OH^{-}$ ; tại anot, nước có thể bị oxi hoá theo $2H_2O \to O_2 + 4H^{+} + 4e^{-}$ . Vì vậy tại mỗi điện cực luôn có một cuộc "cạnh tranh" giữa ion của chất tan và nước — chất nào dễ bị điện phân hơn (tương ứng thế điện cực thuận lợi hơn) sẽ phản ứng trước.

Trong dung dịch, ngoài các ion của chất tan, còn có phân tử $H_2O$ cũng có thể tham gia phản ứng điện cực: tại catot, nước có thể bị khử theo $2H_2O + 2e^{-} \to H_2 + 2OH^{-}$; tại anot, nước có thể bị oxi hoá theo $2H_2O \to O_2 + 4H^{+} + 4e^{-}$. Vì vậy tại mỗi điện cực luôn có một cuộc "cạnh tranh" giữa ion của chất tan và nước — chất nào dễ bị điện phân hơn (tương ứng thế điện cực thuận lợi hơn) sẽ phản ứng trước.

Tại catot: cation kim loại có tính oxi hoá mạnh hơn nước sẽ bị khử trước — đó là các cation của kim loại đứng sau Al trong dãy thế điện cực chuẩn (như $Cu^{2+}$ , $Ag^{+}$ , $Fe^{3+}$ …). Với cation của kim loại hoạt động rất mạnh (từ Al trở về trước: $Al^{3+}$ , $Mg^{2+}$ , $Na^{+}$ , $K^{+}$ …), tính oxi hoá của chúng yếu hơn nước, nên nước bị khử trước, sinh khí $H_2$ và ion $OH^{-}$ — làm dung dịch quanh catot trở nên base. Tại anot: anion gốc acid không chứa oxygen (như $Cl^{-}$ , $Br^{-}$ , $I^{-}$ ) dễ bị oxi hoá hơn nước nên bị oxi hoá trước; anion gốc acid có chứa oxygen (như $SO_4^{2-}$ , $NO_3^{-}$ ) khó bị oxi hoá hơn nước, nên nước bị oxi hoá trước, sinh khí $O_2$ và ion $H^{+}$ .

**Tại catot**: cation kim loại có tính oxi hoá mạnh hơn nước sẽ bị khử trước — đó là các cation của kim loại đứng **sau Al** trong dãy thế điện cực chuẩn (như $Cu^{2+}$, $Ag^{+}$, $Fe^{3+}$…). Với cation của kim loại hoạt động rất mạnh (từ Al trở về trước: $Al^{3+}$, $Mg^{2+}$, $Na^{+}$, $K^{+}$…), tính oxi hoá của chúng yếu hơn nước, nên **nước bị khử trước**, sinh khí $H_2$ và ion $OH^{-}$ — làm dung dịch quanh catot trở nên base. **Tại anot**: anion gốc acid không chứa oxygen (như $Cl^{-}$, $Br^{-}$, $I^{-}$) dễ bị oxi hoá hơn nước nên bị oxi hoá trước; anion gốc acid có chứa oxygen (như $SO_4^{2-}$, $NO_3^{-}$) khó bị oxi hoá hơn nước, nên **nước bị oxi hoá trước**, sinh khí $O_2$ và ion $H^{+}$.

Thứ tự ưu tiên bị khử tại catot: cation kim loại yếu hơn nước, hay nước bị khử trước.

Ví dụ

Viết phương trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực trơ

1
Viết phương trình điện phân dung dịch $CuSO_4$ bằng điện cực trơ (than chì), chỉ rõ quá trình ở catot và anot.
Viết phương trình điện phân dung dịch $CuSO_4$ bằng điện cực trơ (than chì), chỉ rõ quá trình ở catot và anot.
2
Dung dịch chứa $Cu^{2+}$ (kim loại đứng sau Al) và nước. $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn nước nên bị khử trước: $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$ .
Dung dịch chứa $Cu^{2+}$ (kim loại đứng sau Al) và nước. $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn nước nên bị khử trước: $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$.
3
Dung dịch chứa $SO_4^{2-}$ (gốc acid có oxygen) và nước. $SO_4^{2-}$ khó bị oxi hoá hơn nước, nên nước bị oxi hoá trước: $2H_2O \to O_2 + 4H^{+} + 4e^{-}$ .
Dung dịch chứa $SO_4^{2-}$ (gốc acid có oxygen) và nước. $SO_4^{2-}$ khó bị oxi hoá hơn nước, nên nước bị oxi hoá trước: $2H_2O \to O_2 + 4H^{+} + 4e^{-}$.
4
Cân bằng electron (bội chung của 2 và 4 là 4): $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{đp} 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$ .
Cân bằng electron (bội chung của 2 và 4 là 4): $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{đp} 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$.
5
Vậy điện phân dung dịch $CuSO_4$ thu được Cu bám catot, khí $O_2$ thoát ra ở anot, và dung dịch còn lại có tính acid do $H_2SO_4$ sinh ra.
Vậy điện phân dung dịch $CuSO_4$ thu được Cu bám catot, khí $O_2$ thoát ra ở anot, và dung dịch còn lại có tính acid do $H_2SO_4$ sinh ra.

Ví dụ

Điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn — công nghiệp xút–chlorine

1
Viết phương trình điện phân dung dịch NaCl bão hoà bằng điện cực trơ, có màng ngăn giữa hai điện cực. Đây là quy trình cơ sở của công nghiệp sản xuất xút và chlorine.
2
Dung dịch chứa $Na^{+}$ (kim loại rất mạnh, trước Al) và nước. $Na^{+}$ có tính oxi hoá yếu hơn nước nên nước bị khử trước: $2H_2O + 2e^{-} \to H_2 + 2OH^{-}$ .
Dung dịch chứa $Na^{+}$ (kim loại rất mạnh, trước Al) và nước. $Na^{+}$ có tính oxi hoá yếu hơn nước nên nước bị khử trước: $2H_2O + 2e^{-} \to H_2 + 2OH^{-}$.
3
Dung dịch chứa $Cl^{-}$ (gốc acid không oxygen) và nước. $Cl^{-}$ dễ bị oxi hoá hơn nước nên bị oxi hoá trước: $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$ .
Dung dịch chứa $Cl^{-}$ (gốc acid không oxygen) và nước. $Cl^{-}$ dễ bị oxi hoá hơn nước nên bị oxi hoá trước: $2Cl^{-} \to Cl_2 + 2e^{-}$.
4
Phương trình tổng: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{đp, màng ngăn} 2NaOH + H_2 + Cl_2$ . Màng ngăn giữ cho $Cl_2$ sinh ra ở anot không khuếch tán sang catot để phản ứng ngược với $NaOH$ / $OH^{-}$ vừa tạo thành, đảm bảo thu được NaOH tinh khiết.
Phương trình tổng: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{đp, màng ngăn} 2NaOH + H_2 + Cl_2$. Màng ngăn giữ cho $Cl_2$ sinh ra ở anot không khuếch tán sang catot để phản ứng ngược với $NaOH$/$OH^{-}$ vừa tạo thành, đảm bảo thu được NaOH tinh khiết.
5
Vậy công nghiệp xút–chlorine thu được ba sản phẩm cùng lúc: khí $H_2$ ở catot, khí $Cl_2$ ở anot, và dung dịch NaOH — cả ba đều là nguyên liệu công nghiệp quan trọng.
Vậy công nghiệp xút–chlorine thu được ba sản phẩm cùng lúc: khí $H_2$ ở catot, khí $Cl_2$ ở anot, và dung dịch NaOH — cả ba đều là nguyên liệu công nghiệp quan trọng.

Sai lầm thường gặp

Một sai lầm rất hay gặp là viết sản phẩm catot của điện phân dung dịch NaCl là kim loại Na, giống như khi điện phân NaCl NÓNG CHẢY. Trong dung dịch, $Na^{+}$ quá yếu để cạnh tranh với nước tại catot — nước luôn bị khử trước, sinh khí $H_2$ chứ không phải kim loại Na. Chỉ khi không còn nước (điện phân nóng chảy) thì $Na^{+}$ mới bị khử thành Na.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Trong điện phân dung dịch, nước cạnh tranh với ion của chất tan tại cả hai điện cực. Ở catot: cation kim loại sau Al bị khử trước; cation kim loại từ Al trở về trước thì nước bị khử trước. Ở anot: anion gốc acid không oxygen (Cl⁻, Br⁻, I⁻) bị oxi hoá trước; anion gốc acid có oxygen thì nước bị oxi hoá trước.

Cầu nối

Ta đã biết SẢN PHẨM là gì ở mỗi điện cực — nhưng bao nhiêu gam, bao nhiêu lít? Bài sau đưa vào định luật Faraday để tính chính xác lượng chất sinh ra theo dòng điện và thời gian điện phân.