Chất điện phân là gì cho ví dụ năm 2024
|
Như các bạn đã biết, một vật chất bất kỳ theo thuyết điện tử là trung hoà về điện. Sự dẫn điện là hiện tượng có dòng điện chạy qua vật chất đó. Dòng điện: Dòng chuyển dời có hướng của các điện tích (ion dương,ion âm,điện tử) trong một vật chất nào đó. Điều kiện để có dòng điện: Có điện tích tự do và có điện trường Để có các điện tích tự do phải ion hoá các nguyên tử của vật chất đó. Để các điện tích tự do chuyển động phải có điện trường tạo ra lực điện trường tác dụng lên các điện tích Phải có kết cấu vật thể của vật chất để tạo đường dẫn dòng điện ( ví dụ: dây dẫn điện, ống khí, bình chứa chất điện phân…) Chiều dòng điện: Chiều dương của dòng điện được quy ước là chiều chuyển dời của các điện tích dương theo chiều dương của cường độ điện trường. Do vậy, chiều dương của dòng điện là chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Quy ước chiều dòng điện Cường độ dòng điện: Đại lượng đặc trưng về mặt định lượng của dòng điện là cường độ dòng điện Cường độ dòng điện là tốc độ di chuyển của các điện tích qua tiết diện “cắt ngang” của vật thể dẫn điện ( là tiết diện của vật thể dẫn điện vuông góc với chiều chuyển động của dòng điện ) Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ dòng điện và chiều thay đổi theo thời gian Biểu thức xác định cường độ dòng điện: I = q/t, trong đó t là khoảng thời gian đủ nhỏ, q là điện tích chạy qua tiết diện cắt ngang trong thời gian t Nếu biết quy luật chuyển động của điện tích theo thời gian q(t), cường độ dòng điện xác định theo biểu thức I = dq(t)/dt ( đạo hàm của điện tích q(t) theo thời gian t) Dòng điện một chiều không đổi gọi tắt là dòng điện một chiều, là dòng điện có cường độ và chiều không thay đổi theo theo thời gian. Biểu thức xác định cường độ dòng điện một chiều I = q/ t, trong đó q là điện tích chạy qua tiết diện cắt ngang trong thời gian t Đơn vị đo cường độ dòng điện là Ampe ( A ): A = C/s. 1A là cường độ của dòng điện mà trong 1 giây có điện tích là 1Culông chuyển dời qua tiết diện cắt ngang của vật dẫn. Bội số và ước số của đơn vị Ampe là: 1kA = 10^3A = 10^6mA = 10^9A Sự dẫn điện Bản chất dòng điện trong các chất khác nhauDòng điện trong kim loại
Dòng điện trong chất điện phân Chất điện phân là chất mà các nguyên tố hoá học trong đó đã được phân ly thành các ion dương và ion âm ( ví dụ: muối ăn NaCl hoà tan trong nước H20 sẽ được phân ly thành ion dương Na+ và ion âm Cl- ) Nhúng hai bản cực kim loại vào chất điện phân, cấp điện áp vào hai bản cực điện trường gây ra bởi điện áp này làm các ion dương và âm chuyển động tạo ra dòng điện trong chất điện phân Ứng dụng dòng điện trong chất khí để làm các đèn phát sáng, hàn hồ quang và giải thích hiện tượng sấm sét. CHUYÊN ĐỀ: ĐIỆN HÓA HỌC 1 LÝ THUY ẾT ĐIỆN PH ÂN IV. SỰ ĐIỆN PHÂN 1. Định nghĩa: Sự điện phân là quá trình oxi hoá - khử xảy ra ở trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua hợp chất nóng chảy hoặc dung dịch chất điện ly. Như vậy, sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hoá học. Ví dụ: Khi điện phân dung dịch HCl (hình bên), các điện cực đượ c nối với hai cực của nguồn điện (acquy). Điện cực nối với cực âm sẽ tích điện âm. Điện cực kia nối với cực dương của nguồn sẽ tích điện dương. Điện trường do hai điện cực tạo ra trong dung dịch làm cho các ion âm Cl - đi về điện cực dương. Tại đây, hai io n Cl - nhường 2 electron để tạo ra 1 phân tử khí Cl 2 : 2Cl - (dd) - 2e → Cl 2 (k) Như vậy, khi điện phân, cực dương là nơi xảy ra sự oxi hoá ion Cl - . Như vậy, cực dương là anot. Theo chiều ngược lại, các ion dương H + đi về điện cực âm. Tại đây, hai ion H + sẽ nhận 2 electron để trở thành phân tử H 2 : 2H + (dd) + 2e → H 2 (k) Điện cực âm là nơi xảy ra sự khử ion H+. Cự c âm là catot. Phản ứng hoá học xảy ra trong toàn bộ hệ : 2HCl → H 2 + Cl 2 (1) Clo là một phi kim điển hình, phản ứng mãnh liệt với hiđro. Phản ứng (1) tức là sự phân li HCl thành hiđro không thể tự diễn biến, nhưng đã xảy ra một cách cưỡng bức nhờ năng lượng của dòng điệ 2. Sự phân cực Khi dòng điện đi qua ranh giới phân chia điện cực - dung dịch thì làm cho trạng thái điện của điện cực thay đổi. Hiện tượng đó gọi là sự phân cực điện cực. N ếu sự thay đổi thế điện cực dịch chuyển về phía dương hơn so với thế cân bằng thì gọi là sự phân cực anot và ngược lại - sự phân cực catot. Sự phân cực điện cực được chia thành các loại như: phân cực nồng độ, phân cực hoá học, phân cực điện hoá. + Sự phân cực nồng độ sinh ra bởi sự biến đổi nồng độ còn ở lớp gần bề mặt điện cực khi có mặt của dòng điện đi qua. Trong trường hợp này thế của điện cực anot tăng (trở thành dương hơn) do nồng độ của ion kim loại hoà tan tăng lên, trái lại thế điện cực catot giảm (trở thành âm hơn) do nồng độ ion trên bề mặt của nó giảm. + Sự phân cực hoá học sinh ra do phản ứng giữa môi trường hoặc chất điện li với vật liệu làm điện cực khi có dòng điện đi qua làm biến đổi tính chất của bề mặt điện cực dẫn đến sự thay đổi thế. + Sự phân cực điện hoá được sinh ra do dòng electron (đến catot nối với cực âm và rời anot nối với cực dương của nguồn điện) không đi qua được dung dịch điện li khi có điện áp giữa 2 cực chưa đạt được một giá trị cần thiết làm xuất hiện một hiệu điện thế ngược chiều với chiều của nguồn điện ngoài. CHUYÊN ĐỀ: ĐIỆN HÓA HỌC 2 3. Thế phân huỷ Như đã nói trên đây, sự điện phân chỉ bắt đầu xảy ra ở một điện áp hoàn toàn xác định. Điện áp tối thiểu giữa hai điện cực để sự điện phân bắt đầu xảy ra gọi là thế phân huỷ (kí hiệu eph). Thế phân huỷ được xác định bằng thực nghiệm. T hế phân huỷ của một số chất điện phân như sau: 4. Quá thế Hai quá trình điện hoá (một xảy ra trong nguyên tố ganvani và một trong điện phân) đều có chung một bản chất. Đó là phản ứng oxi hoá điện cực. Điểm khác nhau của hai quá trình này là chúng xảy ra theo hướng khác nhau. Do vậy để cho sự điện phân bắt đầu xảy ra, về mặt lý thuyết chỉ cần đặt một điện áp có giá trị bằng SĐĐ của nguyên tố ganvani tương ứng nhưng ngược chiều. Ví dụ: SĐĐ của nguyên tố ganvani: (-) Ni | Ni 2+ || 2Cl - | Cl 2 (+) E 0 Ni2+ / Ni \= -0,250V; E 0 2 Cl- / Cl2 \= 1,359V → E = 1,359 - (-0,250) = 1,609 (V) Vậy về lý thuyết chỉ cần đặt một điện áp 1,609V ngược chiều là sự điện phân dung dịch NiCl 2 sẽ xảy ra. Trên thực tế, giá trị thực nghiệm cần thiết là E ph \=1,850V. Hiệu số giữa thế phân huỷ và SĐĐ của pin gọi là quá thế: E qt \= E ph – E Trong ví dụ trên: Eqt = 1,850 - 1,609 = 0,241 (V) 5 . Điện phân chất điện li nóng chảy Điện phân nóng chảy thường được sử dụng để điều chế các kim loại hoạt động như liti, natri, canxi... từ các muối clorua tương ứng. Các muối này có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn các muối khác. Đại đa số các muối này ở trạng thái nóng chảy tồn tại dưới dạng ion có khả năng di chuyển tương tự như ion của các dung dịch. Điện phân muối halogenua nóng chảy: dpncn2 2MX 2M + nX ⎯⎯⎯→ Phương pháp này dùng để điều chế các kim loại kiềm và các kim loại kiềm thổ. Ví dụ: dpnc2 2NaCl 2Na + Cl ⎯⎯⎯→ dpnc22 MgCl Mg + Cl ⎯⎯⎯→ Điện phân hiđroxit nóng chảy : dpncn22 4M(OH) 4M + nO2nHO ⎯⎯⎯→ + Phương pháp này dùng để điều chế các kim loại kiềm Ví dụ: dpnc22 4NaOH 4Na + O2HO ⎯⎯⎯→ + Điện phân oxit nóng chảy : dpnc2n2 2MO 4M + nO ⎯⎯⎯→ Phương pháp này dùng để điều chế nhôm : 232 2AlO 4Al + 3O dpnccriolit ⎯⎯⎯→ 6. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước Khi điện phân các chất trong dung dịch nước, các cation của chất điện ly và các cation H + của H 2 O có sự cạnh tranh nhau để phóng điện ở catot (điện cực âm), còn ở anot (điện cực dương) có sự cạnh tranh giữa các anion của chất điện ly và các anion OH - của H 2 O, nếu anot làm bằng vật liệu kim loại, còn có sự cạnh tranh của vật liệu làm anot. Quá trình nào sẽ xảy ra ở các điện cực, trước hết phụ thuộc vào giá trị thế khử của các cặp oxi hóa- khử. Ngoài ra còn một số yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình tạo ra sản phẩm điện phân như: CHUYÊN ĐỀ: ĐIỆN HÓA HỌC 3 vật liệu làm điện cực, bề mặt điện cực, mật độ dòng điện, thành phần dung dịch, nhiệt độ... Quá trình xảy ra ở catot (cực âm): Ion dương nào dễ nhận electron thì điện phân trước, thứ tự điện phân ở catot như sau: - Các cation kim loại đứng sau Al 3+ trong dãy điện hoá điện phân trước (kể cả ion H + của dung dịch axit) - Sau đó đến ion H + của H 2 O điện phân 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - - Các cation Al 3+ về trước trong dãy điện hoá không bị điện phân trong dung dịch. Câu hỏi đặt ra ở đây là: Tại sao ion H + của H 2 O lại điện phân sau các ion từ Zn 2+ đến Pb 2+ trong dãy điện hoá? Lí do là: tuy rằng ion H + có tính oxi hoá mạnh hơn các ion kim loại này nhưng số lượng của nó quá nhỏ so với số lượng các ion kim loại trong dung dịch muối (thực nghiệm cho biết cứ 555 triệu phân tử nước thì chỉ có 1 phân tử phân li thành ion H + ) Quá trình xảy ra ở anot (cực dương): Ion âm nào dễ nhường electron thì điện phân trước. Nếu anot trơ như graphit, Pt,…..thì thứ tự điện phân ở anot như sau: - Các anion gốc axit không chứa oxi điện phân trước theo thứ tự: S 2- \> I - \> Br - \> Cl - - Sau đó đến anion OH - của dung dịch kiềm và của nước điện phân : 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - Các anion gốc axit chứa oxi như NO 3- , CO 32- , SO 42- ,… và F - rất khó bị oxi hóa trong dung dịch. Riêng anion gốc axit hữu cơ bị điện phân trong dung dịch: 2RCOO - → R – R + 2CO 2 + 2e Điện phân với anot tan: Trường hợp anot không trơ thì trước hết ở anot kim loại làm điện cực bị tan ra . Thí dụ: Điện phân dung dịch CuSO 4 với anot bằng đồng. ở anot: Cu → Cu 2+ + 2e ở catot: Cu 2+ + 2e → Cu Phương trình điện phân: Cu + Cu 2+ → Cu 2+ + Cu (Anot) (Catot) Điện phân với anot tan được dùng để tinh chế kim loại: Thí dụ: để có vàng tinh khiết, người ta dùng anot tan là vàng thô, ở catot thu được vàng ròng có độ tinh khiết 99,99%. Điện phân với anot tan cũng được dùng trong kỹ thuật mạ điện, nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho vật mạ. Trong mạ điện, anot là kim loại dùng để mạ như Cu, Ag, Au, Cr, Ni,…….., catot là vật cần mạ. Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ 5.10 -5 - 1.10 -3 cm. Thí d ụ: mạ kẽm, thiếc, niken, bạc, vàng... Điện phân dung dịch chứa một muối trung hoà trong nước với điện cực trơ : Khi điện phân dung dịch hỗn hợp thì dùng kiến thức như đã nêu ở trên. Khi điện phân dung dịch chứa một muối trung hoà trong nước với điện cực trơ thì xảy ra 4 trường hợp sau đây: Trường hợp 1: Điện phân dung dịch muối trung hoà của axit không chứa oxi của kim loại từ Al về trước trong dãy điện hoá thì xảy ra phản ứng: Muối + H 2 O dpdd ⎯⎯⎯→ Hiđroxit kim loại + H 2 + phi kim Th í dụ: Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn xốp giữa 2 điện cực |
