Bài 16. Điện phân
Tìm hiểu về quá trình điện phân và ứng dụng.
Lý thuyết Điện phân
1. Khái niệm và nguyên tắc
a) Định nghĩa
Điện phân: Quá trình oxi hóa - khử xảy ra khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện ly nóng chảy hoặc dung dịch.
Bản chất: Chuyển điện năng → Hóa năng
b) Nguyên tắc
- Cathode (-): Xảy ra khử (nhận e⁻)
- Anode (+): Xảy ra oxi hóa (nhường e⁻)
- Cation di chuyển về cathode
- Anion di chuyển về anode
c) Định luật Faraday
m = (A × I × t) / (n × F)
- m: Khối lượng chất (g)
- A: Khối lượng mol (g/mol)
- I: Cường độ dòng điện (A)
- t: Thời gian (s)
- n: Số electron trao đổi
- F: Hằng số Faraday = 96500 C/mol
2. Điện phân nóng chảy
a) Điện phân NaCl nóng chảy
Cathode (-): 2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na
Anode (+): 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Phản ứng chung: 2NaCl → 2Na + Cl₂
b) Điện phân Al₂O₃ nóng chảy
Cathode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al
Anode: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻
Ứng dụng: Sản xuất nhôm công nghiệp
3. Điện phân dung dịch
a) Thứ tự điện phân
Cathode (-):
- Kim loại hoạt động yếu (Cu²⁺, Ag⁺...)
- H⁺ (từ H₂O)
- Kim loại hoạt động mạnh (không bị khử)
Anode (+):
- Anion gốc acid không có oxi (Cl⁻, Br⁻, I⁻)
- OH⁻ (từ H₂O)
- Anion gốc acid có oxi (SO₄²⁻, NO₃⁻...)
b) Ví dụ
1. Điện phân CuSO₄ (anode trơ):
Cathode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
2. Điện phân NaCl (anode trơ):
Cathode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
c) Ứng dụng
- Sản xuất kim loại (Al, Na, Cu...)
- Sản xuất hóa chất (Cl₂, NaOH, H₂...)
- Tinh chế kim loại
- Mạ điện
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Tính khối lượng chất điện phân
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết phản ứng điện cực
- Áp dụng định luật Faraday
- m = (A × I × t) / (n × F)
Ví dụ:
Phản ứng cathode:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
Áp dụng Faraday:
m = (A × I × t) / (n × F)
m = (64 × 5 × 1930) / (2 × 96500)
m = 617,600 / 193,000 = 3.2g
Đáp án: 3.2g
Dạng 2: Dạng 2: Điện phân dung dịch hỗn hợp
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định thứ tự điện phân
- Tính lượng chất từng giai đoạn
- Áp dụng bảo toàn electron
Ví dụ:
Thứ tự khử: Ag⁺ trước, Cu²⁺ sau
n(Ag⁺) = 0.1 × 0.5 = 0.05 mol
n(Cu²⁺) = 0.1 × 0.5 = 0.05 mol
Ag⁺: Ag⁺ + e⁻ → Ag
m(Ag) = 0.05 × 108 = 5.4g
Cu²⁺: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
m(Cu) = 0.05 × 64 = 3.2g
Tổng: 5.4 + 3.2 = 8.6g
Đáp án: 8.6g
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế - Sản xuất nhôm bằng điện phân
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Tính điện năng tiêu thụ
- Tính chi phí sản xuất
- Đánh giá môi trường
Ví dụ:
a) Tính điện năng:
Al³⁺ + 3e⁻ → Al
n(Al) = 1,000,000 / 27 = 37,037 mol
n(e⁻) = 3 × 37,037 = 111,111 mol
Q = 111,111 × 96,500 = 10.72 × 10⁹ C
W lý thuyết = Q × U = 10.72 × 10⁹ × 5 = 53.6 × 10⁹ J = 14,889 kWh
W thực tế = 14,889 / 50% = 29,778 kWh
b) Chi phí điện:
Chi phí = 29,778 × 2,000 = 59,556,000 đ ≈ 60 triệu đồng
c) Đánh giá:
Ưu điểm:
- Nhôm tinh khiết cao (99.5-99.9%)
- Sản xuất quy mô lớn
Nhược điểm:
- Tiêu tốn điện năng lớn (15 kWh/kg)
- Phát thải CO₂ (nếu điện từ than)
- Chi phí cao
Cải tiến:
- Sử dụng điện tái tạo (thủy điện, mặt trời)
- Tăng hiệu suất lên 60-70%
- Tái chế nhôm (tiết kiệm 95% năng lượng)
Đáp án: a) 29,778 kWh; b) 60 triệu đồng