Điện phân dung dịch | Nguyên tắc, phương trình và bài tập

Điện phân dung dịch là quá trình oxi hóa – khử xảy ra tại các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều trong dung dịch chất điện li. Khi điện phân dung dịch muối hoặc các chất điện li khác, cả ion và nước đều có thể tham gia phản ứng, nên sản phẩm điện phân phụ thuộc vào khả năng nhận, nhường electron, bản chất điện cực và điều kiện điện phân. Để xác định sản phẩm và viết phương trình điện phân chính xác, cần xét thứ tự phóng điện tại cathode, anode và sự thay đổi thành phần dung dịch trong suốt quá trình điện phân.

Điện phân dung dịch là gì? Khác gì điện phân nóng chảy?

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra tại các điện cực khi có dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. [1]

Đối với điện phân dung dịch, chất điện li được hòa tan trong nước nên hệ thường chứa nhiều tiểu phân cùng lúc, chẳng hạn cation, anion và các phân tử H₂O. Chính sự có mặt của nước làm cho quá trình điện phân trong dung dịch phức tạp hơn điện phân nóng chảy.

Đây là nội dung thuộc Bài 16 – Điện phân, Hóa học 12 (bộ Kết nối tri thức với cuộc sống), trong đó nguyên tắc điện phân dung dịch được vận dụng để xác định sản phẩm ở từng điện cực.

Trong dung dịch nước, chất điện phân (chất điện li) tạo các ion có thể chuyển động và dẫn điện; các ion cùng với H₂O có thể tham gia quá trình tại hai điện cực. Khái niệm này liên quan trực tiếp đến chất điện li trong Hóa học 11.

Tại cathode (cực âm) xảy ra quá trình khử, tức là tiểu phân nhận electron:

Chất oxi hóa + e → chất khử

Tại anode (cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa, tức là tiểu phân nhường electron:

Chất khử → chất oxi hóa + e

Ví dụ, quá trình điện phân trong dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ, trong dung dịch có các tiểu phân chủ yếu là Cu²⁺, SO₄²⁻ và H₂O. Ở cathode, Cu²⁺ có thể nhận electron tạo thành Cu. Trong khi đó, ở anode, SO₄²⁻ thường không bị oxi hóa mà H₂O bị oxi hóa tạo O₂.

Như vậy, mặc dù công thức chất điện li là CuSO₄, sản phẩm điện phân không phải đơn giản là “Cu và SO₄”. Nước cũng có thể trực tiếp tham gia phản ứng.

Phân biệt điện phân dung dịch và điện phân nóng chảy

Một số yếu tố quan trọng quyết định đến sản phẩm sau điện phân gồm:

• Loại cation và anion có trong dung dịch.

• Khả năng bị oxi hóa hoặc khử của các ion.

• Nước có tham gia cạnh tranh hay không.

• Điện cực là điện cực trơ hay điện cực hoạt động.

• Nồng độ các ion, đặc biệt trong một số trường hợp như Cl⁻.

• Có hay không có màng ngăn giữa hai ngăn điện phân.

• Quá trình điện phân đang ở giai đoạn đầu hay một ion ban đầu đã bị điện phân hết.

Thứ tự phóng điện tại cathode khi điện phân dung dịch

Cathode là cực âm, nơi xảy ra quá trình khử. Các tiểu phân có khả năng nhận electron có thể cạnh tranh và ưu tiên phóng điện tùy điều kiện.

Trong điều kiện so sánh phù hợp, chất oxi hóa mạnh hơn thường có xu hướng nhận electron trước.

Thứ tự tham khảo trong chương trình phổ thông: Au³⁺ > Ag⁺ > Hg²⁺ > Cu²⁺ > H⁺ > H₂O [1]

Đây là thứ tự có tính định hướng khi so sánh khả năng bị khử ở cathode; không phải quy luật tuyệt đối cho mọi dung dịch. Sản phẩm thực tế còn phụ thuộc nồng độ, thế điện cực, quá thế, vật liệu điện cực và điều kiện vận hành. Có thể tham khảo thêm dãy điện hóa kim loại để hiểu xu hướng nhận electron.

Dãy này giúp dự đoán rằng những ion như Au³⁺, Ag⁺, Cu²⁺ có thể bị khử thành kim loại trong dung dịch nước, trong khi những cation của kim loại rất hoạt động như Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺ và Al³⁺ thường không bị khử thành kim loại trong nước. Thay vào đó, nước bị khử tạo H₂.

Bán phản ứng của nước là:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hoá và chất khử, các quá trình xảy ra tại anode và cathode tuân theo thứ tự sau:

Tại anode, chất khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước. Tại cathode, chất oxi hoá mạnh hơn sẽ bị khử trước.

Ví dụ 1: Xét dung dịch NaCl với điện cực trơ. Trong dung dịch có Na⁺, Cl⁻ và H₂O.

Trong môi trường nước, Na⁺ rất khó bị khử thành Na kim loại. Nước dễ tham gia quá trình khử hơn:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Do đó, quá trình điện phân trong dung dịch NaCl với điện cực trơ, tại cathode thường thu được H₂, không phải Na kim loại.

Ví dụ 2: Xét dung dịch CuSO₄.

Trong dung dịch CuSO₄ có Cu²⁺ và H₂O. Cu²⁺ có khả năng bị khử thuận lợi hơn nước:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Vì vậy, Cu bám lên cathode. Khi Cu²⁺ bị điện phân hết thì nước có thể tiếp tục bị khử:

Ban đầu:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Nếu tiếp tục điện phân sau khi Cu²⁺ gần như bị tiêu thụ tại cathode, nước có thể bị khử tạo H₂:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Do đó, không nên cho rằng một chất luôn tạo ra cùng một sản phẩm trong suốt quá trình điện phân. Sản phẩm có thể thay đổi khi thành phần dung dịch thay đổi.

Thứ tự phóng điện tại anode khi điện phân dung dịch

Anode là cực dương, nơi xảy ra quá trình oxi hóa, tức là chất nhường electron. Có thể hiểu rằng các chất khử mạnh hơn có xu hướng bị oxi hóa trước.

Với điện cực trơ, quá trình ở anode còn phụ thuộc thành phần và nồng độ chất điện li; cần phân biệt quá trình sự điện li tạo ion với phản ứng oxi hóa – khử tại điện cực.

Ở anode trơ, một số anion có thể bị oxi hóa. Đặc biệt, một số ion halide như Cl⁻ có thể tạo khí Cl₂ trong những điều kiện thích hợp:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Trong khi đó, những anion như SO₄²⁻ và NO₃⁻ thường không bị oxi hóa trong các trường hợp điện phân dung dịch phổ biến ở chương trình phổ thông. Nước sẽ bị oxi hóa tạo O₂:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Có thể viết dạng bán phản ứng tương đương:

4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e

Tùy cách xây dựng phương trình, ta lựa chọn dạng phù hợp với môi trường phản ứng.

Khi quá trình điện phân trong dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ, trong dung dịch có Cu²⁺, SO₄²⁻ và H₂O.

Ở cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Ở anode, SO₄²⁻ không phải chất dễ bị oxi hóa trong điều kiện thông thường của bài toán phổ thông. Vì vậy, H₂O bị oxi hóa:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Đây là lý do khi điện phân CuSO₄ với điện cực trơ, ta thu được Cu ở cathode và O₂ ở anode.

Cần phân biệt rõ hai trường hợp:

• Điện cực trơ: điện cực chủ yếu làm nhiệm vụ dẫn electron và không tham gia đáng kể vào phản ứng điện cực. Ví dụ thường gặp là Pt hoặc than chì.

• Điện cực hoạt động/điện cực tan: bản thân vật liệu điện cực có thể tham gia phản ứng oxi hóa. Chẳng hạn, với anode Cu:

  Cu → Cu²⁺ + 2e

Vì vậy, không thể lấy quy tắc của điện cực trơ áp dụng nguyên xi cho điện cực tan.

Khi bình điện phân chứa nhiều chất oxi hoá và chất khử, các quá trình xảy ra tại anode và cathode tuân theo thứ tự sau:

• Tại anode, chất khử mạnh hơn sẽ bị oxi hoá trước [1].

• Tại cathode, chất oxi hoá mạnh hơn sẽ bị khử trước [1].

Cách viết phương trình điện phân dung dịch theo từng bước

Để xác định phương trình điện phân dung dịch muối, cần dựa trên các phản ứng oxi hóa – khử ở hai cực và bảo toàn electron. Phương pháp này có liên hệ với bài phản ứng oxi hóa – khử.

Phương trình điện phân trong dung dịch có thể thực hiện theo 6 bước.

Bước 1. Xác định các tiểu phân có trong dung dịch

Trước tiên, viết các ion và H₂O có mặt.

Ví dụ với CuSO₄: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄²⁻

Dung dịch còn có H₂O.

Với NaCl: NaCl → Na⁺ + Cl⁻

Dung dịch còn có H₂O.

Bước 2. Xác định chất bị khử tại cathode

So sánh các cation với khả năng khử của nước.

Ví dụ: Cu²⁺ + 2e → Cu có thể xảy ra ưu tiên hơn quá trình tạo H₂ từ nước.

Trong khi với Na⁺: Na⁺ + e → Na không xảy ra trong điều kiện dung dịch nước thông thường; nước bị khử.

Bước 3. Xác định chất bị oxi hóa tại anode

Xét các anion và nước.

Ví dụ: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e có thể xảy ra trong dung dịch NaCl phù hợp.

Trong dung dịch CuSO₄, SO₄²⁻ thường không bị oxi hóa; nước tạo O₂.

Bước 4. Viết hai bán phản ứng

Viết riêng phản ứng tại cathode và anode.

Ví dụ:

Cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Bước 5. Cân bằng electron

Số electron nhường ở anode phải bằng số electron nhận ở cathode.

Với ví dụ trên, nhân bán phản ứng cathode với 2:

2Cu²⁺ + 4e → 2Cu

Bước 6. Cộng hai bán phản ứng

Sau khi triệt tiêu electron: 2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 4H⁺

Nếu xét cả ion sulfate, có thể biểu diễn phương trình tổng quát: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Phương trình này thể hiện rõ một kết luận quan trọng: CuSO₄ bị tiêu thụ, Cu bám ở cathode, O₂ thoát ở anode và dung dịch có xu hướng trở nên acid hơn.

Điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực trơ

Dung dịch chứa: Cu²⁺, SO₄²⁻ và H₂O.

Tại cathode

Cu²⁺ nhận electron: Cu²⁺ + 2e → Cu

Hiện tượng: xuất hiện lớp kim loại đồng màu đỏ cam bám trên cathode.

Tại anode

SO₄²⁻ không bị oxi hóa trong điều kiện thông thường. Nước bị oxi hóa:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Hiện tượng: có bọt khí O₂ thoát ra ở anode.

Cân bằng electron:

2Cu²⁺ + 4e → 2Cu

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Cộng lại:

2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 4H⁺

Hoặc:

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Cu²⁺ bị lấy khỏi dung dịch và chuyển thành Cu kim loại. Đồng thời H⁺ được tạo ra ở anode.

Vì vậy, nếu điện phân tiếp tục với điện cực trơ, dung dịch có xu hướng tăng tính acid.

Điểm cần nhớ là không nên chỉ nhìn thấy phản ứng ở anode:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

rồi kết luận mọi trường hợp điện phân đều làm dung dịch acid. Muốn xác định pH, phải xét cả hai điện cực và thành phần cuối cùng của dung dịch.

Điện phân dung dịch NaCl

Điều kiện cần lưu ý: Ví dụ tạo Cl₂ và NaOH dưới đây áp dụng cho dung dịch NaCl đậm đặc (nước muối), điện cực trơ và có màng ngăn thích hợp. Với dung dịch loãng hoặc điều kiện điện cực khác, sự oxi hóa nước tạo O₂ cũng cần được xem xét.

NaCl là ví dụ cho thấy điều kiện điện phân, đặc biệt là màng ngăn, có thể ảnh hưởng lớn đến sản phẩm.

Dung dịch NaCl chứa: Na⁺, Cl⁻ và H₂O.

Tại cathode

Na⁺ không bị khử thành Na trong dung dịch nước. Nước bị khử:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Vì vậy, cathode tạo H₂ và OH⁻.

Tại anode

Trong dung dịch NaCl thích hợp, Cl⁻ bị oxi hóa:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Tạo khí Cl₂.

Có màng ngăn

Khi có màng ngăn, sản phẩm ở hai điện cực được hạn chế tiếp xúc trực tiếp.

Cộng hai bán phản ứng:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂

Như vậy, có thể thu được:

• H₂ ở cathode;

• Cl₂ ở anode;

• NaOH trong dung dịch.

Đây là nguyên tắc quan trọng của quá trình điện phân dung dịch NaCl trong công nghiệp.

Nếu không có màng ngăn, Cl₂ sinh ra ở anode có thể tiếp xúc với OH⁻ sinh ra ở cathode. Trong điều kiện thích hợp, Cl₂ phản ứng với OH⁻:

Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O

Do đó, dung dịch sau điện phân có thể chứa hypochlorite, chẳng hạn NaClO, thay vì chỉ đơn giản là NaOH.

Điện phân dung dịch CuCl₂

Dung dịch CuCl₂ chứa: Cu²⁺, Cl⁻ và H₂O.

Tại cathode

Cu²⁺ bị khử:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Đồng kim loại bám lên cathode.

Tại anode

Cl⁻ bị oxi hóa:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Khí Cl₂ thoát ra.

Hai bán phản ứng có cùng 2 electron nên cộng trực tiếp:

Cu²⁺ + 2Cl⁻ → Cu + Cl₂

Hay:

CuCl₂→ Cu + Cl₂

Trong điều kiện điện phân phù hợp với điện cực trơ, đây là một ví dụ tương đối đơn giản vì cả ion Cu²⁺ và Cl⁻ đều trực tiếp tham gia phản ứng điện cực.

Hiện tượng dễ nhận biết:

• Cathode: đồng kim loại bám lên điện cực.

• Anode: khí chlorine thoát ra.

• Màu xanh của dung dịch CuCl₂ giảm dần khi Cu²⁺ bị tiêu thụ.

Dung dịch sau điện phân thay đổi như thế nào?

Khi đánh giá pH của dung dịch, cần xác định sản phẩm ở từng ngăn và sự trao đổi chất giữa các ngăn nếu có màng ngăn.

Để xác định dung dịch sau điện phân có tính acid, base hay gần như không đổi, cần xét toàn bộ quá trình, không chỉ xét một bán phản ứng.

Bước 1: Xét các ion còn lại trong dung dịch

Ví dụ Cu²⁺ bị khử:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Do đó nồng độ Cu²⁺ giảm.

Nếu Cl⁻ bị oxi hóa:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

thì Cl⁻ cũng giảm.

Bước 2: Xem H⁺ hoặc OH⁻ có được tạo ra hay tiêu thụ

Nếu cathode xảy ra:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

thì OH⁻ được tạo ra, dung dịch có xu hướng tăng tính base.

Nếu anode xảy ra:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

thì H⁺ được tạo ra, dung dịch có xu hướng tăng tính acid.

Tuy nhiên, hai quá trình có thể đồng thời xảy ra. Vì vậy phải xét cả hai.

Bước 3: Xem các chất có phản ứng tiếp với nhau không

Ví dụ NaCl không có màng ngăn. OH⁻ sinh ra ở cathode có thể phản ứng với Cl₂ sinh ra ở anode:

Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O

Do đó, không thể chỉ nhìn thấy OH⁻ rồi kết luận dung dịch cuối cùng đơn giản là dung dịch NaOH.

Khối lượng dung dịch thay đổi

Khối lượng dung dịch thường giảm khi có:

• khí H₂ thoát ra;

• khí O₂ thoát ra;

• khí Cl₂ thoát ra;

• kim loại tách khỏi dung dịch và bám lên điện cực.

Ví dụ điện phân CuSO₄ với điện cực trơ:

• Cu²⁺ rời khỏi dung dịch để tạo Cu;

• O₂ thoát ra khỏi dung dịch.

Vì vậy, khối lượng dung dịch giảm.

Trong bài toán định lượng, cần phân biệt: khối lượng điện cực tăng/giảm và khối lượng dung dịch tăng/giảm.

Đây là hai đại lượng khác nhau.

Điện phân dung dịch với điện cực tan và điện cực trơ

Khác với anode trơ, anode làm bằng kim loại thích hợp có thể bị oxi hóa và hòa tan vào dung dịch. Việc so sánh xu hướng oxi hóa – khử liên quan đến dãy điện hóa kim loại.

Điện cực tan là trường hợp đặc biệt vì bản thân điện cực có thể tham gia phản ứng.

Ví dụ điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng Cu.

Tại anode

Cu bị oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e

Điều này khác hoàn toàn với trường hợp anode trơ, khi nước bị oxi hóa tạo O₂.

Tại cathode

Cu²⁺ nhận electron: Cu²⁺ + 2e → Cu

Như vậy, Cu từ anode đi vào dung dịch dưới dạng Cu²⁺ rồi Cu²⁺ lại được khử và bám lên cathode.

Nếu điều kiện phù hợp, quá trình có thể được mô tả:

Cu(anode) → Cu²⁺ → Cu(cathode)

Đây chính là nguyên tắc cơ bản của tinh chế đồng bằng điện phân.

Với CuSO₄ và điện cực trơ:

• Cathode: Cu²⁺ → Cu.

• Anode: H₂O → O₂.

• Có khí O₂ thoát ra.

• Thành phần dung dịch thay đổi theo hướng tạo H⁺.

Với CuSO₄ và anode Cu tan:

• Cathode: Cu²⁺ → Cu.

• Anode: Cu → Cu²⁺.

• Không cần tạo O₂ từ nước ở anode.

• Cu được chuyển từ anode sang cathode.

Do đó, chỉ cần thay đổi loại điện cực, sản phẩm điện phân đã có thể thay đổi đáng kể.

Ứng dụng của phương pháp điện phân dung dịch

Sản xuất hóa chất: Điện phân dung dịch NaCl đậm đặc có màng ngăn để sản xuất chlorine, hydrogen và sodium hydroxide.

Tinh chế kim loại: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anode Cu chưa tinh khiết giúp chuyển Cu sang cathode, thu đồng có độ tinh khiết cao.

Mạ điện: Dùng ion kim loại trong dung dịch điện phân để tạo lớp phủ trên vật cần mạ, giúp trang trí hoặc tăng khả năng bảo vệ bề mặt. Đây cũng là một ứng dụng của phản ứng oxi hóa – khử được điều khiển bằng dòng điện.

Bài tập điện phân dung dịch có lời giải chi tiết

Hệ thống bài tập dưới đây tập trung xác định sản phẩm điện phân, viết bán phản ứng, dự đoán pH và tính lượng chất theo electron. Khi tính toán, có thể vận dụng định luật Faraday về điện phân.

Dạng 1: Xác định sản phẩm tại điện cực

Bài 1: Điện phân dung dịch CuSO₄ bằng điện cực trơ. Xác định sản phẩm tại cathode và anode.

Lời giải

Dung dịch chứa Cu²⁺, SO₄²⁻ và H₂O.

Tại cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Tại anode, SO₄²⁻ không bị oxi hóa trong điều kiện thông thường, nước bị oxi hóa:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Vậy:

• Cathode tạo Cu.

• Anode tạo O₂.

Bài 2: Điện phân dung dịch NaCl đậm đặc bằng điện cực trơ trong điều kiện Cl⁻ bị oxi hóa ở anode. Xác định sản phẩm tại hai điện cực và vai trò của màng ngăn.

Lời giải

Tại cathode, Na⁺ không tạo Na trong dung dịch nước:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Tại anode, trong điều kiện thích hợp:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Vậy:

• Cathode: H₂.

• Anode: Cl₂.

Với màng ngăn thích hợp, ion Na⁺ và OH⁻ tập trung trong ngăn cathode tạo dung dịch NaOH; màng ngăn hạn chế phản ứng giữa Cl₂ và OH⁻.

Dạng 2: Viết bán phản ứng và phương trình tổng quát

Bài 3: Điện phân dung dịch CuCl₂ với điện cực trơ. Viết các bán phản ứng và phương trình tổng quát.

Lời giải

Cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Cộng hai bán phản ứng:

Cu²⁺ + 2Cl⁻ → Cu + Cl₂

Vậy:

CuCl₂ → Cu + Cl₂

Bài 4: Điện phân dung dịch CuSO₄ bằng điện cực trơ. Viết phương trình tổng quát.

Lời giải

Cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Nhân phản ứng cathode với 2:

2Cu²⁺ + 4e → 2Cu

Cộng:

2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 4H⁺

Dạng phân tử:

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Dạng 3: Xác định pH hoặc thành phần dung dịch sau điện phân

Bài 5: Điện phân dung dịch CuSO₄ bằng điện cực trơ trong một thời gian, giả sử Cu²⁺ chưa bị điện phân hết. Dung dịch sau điện phân có xu hướng acid hay base?

Lời giải

Cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

H⁺ được tạo ra ở anode, trong khi không có OH⁻ tương ứng được tạo ra ở cathode vì Cu²⁺ trực tiếp nhận electron.

Vì vậy, dung dịch có xu hướng tăng tính acid, tức pH giảm.

Bài 6: Điện phân dung dịch NaCl đậm đặc có màng ngăn bằng điện cực trơ. Những sản phẩm chính thu được là gì?

Lời giải

Cathode: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Trong dung dịch xuất hiện Na⁺ và OH⁻ nên tạo NaOH.

Phương trình tổng quát:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂

Vậy thu được:

• H₂ ở cathode;

• Cl₂ ở anode;

• NaOH trong dung dịch.

Dạng 4: Khối lượng kim loại bám và lượng electron

Bài 7: Điện phân dung dịch CuSO₄ bằng điện cực trơ. Sau một thời gian, có 0,15 mol Cu²⁺ bị khử thành Cu. Tính số mol electron đã truyền qua mạch và số mol Cu tạo thành.

Lời giải

Phản ứng:

Cu²⁺ + 2e → Cu

1 mol Cu²⁺ cần 2 mol electron.

Với 0,15 mol Cu²⁺:

n(e) = 0,15 × 2 = 0,3 mol

Số mol Cu tạo thành bằng số mol Cu²⁺ bị khử:

n(Cu) = 0,15 mol

Khối lượng Cu:

m = 0,15 × 64 = 9,6 g

Vậy:

• Số mol electron: 0,3 mol.

• Khối lượng Cu bám cathode: 9,6 g.

Bài 8: Điện phân CuSO₄ bằng điện cực trơ, có 0,12 mol Cu được tạo thành. Tính số mol O₂ sinh ra nếu quá trình chỉ gồm hai bán phản ứng Cu²⁺ và H₂O.

Lời giải

Cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Tạo 0,12 mol Cu cần:

0,12 × 2 = 0,24 mol e

Anode:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Cứ 4 mol electron tạo 1 mol O₂.

Vậy:

n(O₂) = 0,24/4 = 0,06 mol

Khối lượng O₂:

m(O₂) = 0,06 × 32 = 1,92 g

Dạng 5: Điện phân hỗn hợp ion

Khi dung dịch chứa nhiều ion, cần xét từng điện cực và theo dõi giai đoạn điện phân.

Ví dụ dung dịch chứa Cu²⁺ và Na⁺.

Tại cathode, Cu²⁺ có khả năng bị khử trước:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Na⁺ không bị khử thành Na trong nước. Sau khi Cu²⁺ bị tiêu thụ hết, nước có thể bị khử:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Như vậy, cathode có thể xảy ra hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Cu²⁺ → Cu

Giai đoạn 2: H₂O → H₂

Đây là nguyên tắc quan trọng khi giải bài điện phân hỗn hợp: không chỉ xác định chất phản ứng mà còn phải xác định chất nào hết trước.

Trong các bài định lượng nâng cao, có thể kết hợp với định luật Faraday: m = (AIt)/(nF)

Trong công thức Faraday, A là khối lượng mol của chất tạo thành (g/mol), n là số electron cần cho một đơn vị tiểu phân sản phẩm, I tính bằng ampere và t bằng giây. Công thức trên giả định hiệu suất dòng điện đối với sản phẩm đang tính là 100%.

Trong đó:

• m là khối lượng chất tạo thành hoặc điện cực thay đổi;

• A là khối lượng mol của chất;

• I là cường độ dòng điện;

• t là thời gian điện phân;

• n là số electron trao đổi;

• F là hằng số Faraday, xấp xỉ 96500 C/mol.

Các lỗi thường gặp khi điện phân dung dịch

Các lỗi dưới đây thường xuất phát từ việc nhầm lẫn bản chất quá trình oxi hóa – khử hoặc bỏ qua sự cạnh tranh giữa ion và nước.

Lỗi 1: Cho rằng cation kim loại nào cũng tạo kim loại ở cathode

Đây là sai lầm phổ biến.

Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Al³⁺ trong dung dịch nước thường không bị khử thành kim loại. Nước cạnh tranh và bị khử tạo H₂.

Ví dụ với NaCl:

Sai khi Na⁺ + e → Na

Đúng trong điều kiện điện phân dung dịch nước:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Lỗi 2: Bỏ qua H₂O

Dung dịch nước luôn có H₂O, vì vậy H₂O có thể tham gia ở cả cathode và anode.

Ở cathode: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Ở anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Do đó, khi lập danh sách các chất có thể phản ứng, không nên chỉ ghi các ion của muối.

Lỗi 3: Nhầm dấu của cathode và anode

Trong điện phân:

• Cathode là cực âm và xảy ra khử.

• Anode là cực dương và xảy ra oxi hóa.

Có thể ghi nhớ:

Cathode → Khử

Anode → Oxi hóa

Không nên chỉ học thuộc dấu mà quên bản chất phản ứng.

Lỗi 4: Dùng quy tắc điện cực trơ cho điện cực tan

Với CuSO₄ và điện cực trơ:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Nhưng nếu anode là Cu:

Cu → Cu²⁺ + 2e

Hai trường hợp có sản phẩm khác nhau dù dung dịch ban đầu giống nhau.

Lỗi 5: Không xét màng ngăn trong điện phân NaCl

Có màng ngăn:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂

Không có màng ngăn, Cl₂ có thể tiếp xúc với OH⁻ và xảy ra phản ứng:

Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O

Vì vậy, màng ngăn không phải chi tiết phụ mà có thể quyết định thành phần sản phẩm cuối cùng.

Lỗi 6: Không xét các giai đoạn khi ion ban đầu đã hết

Ví dụ dung dịch chứa Cu²⁺ và Na⁺.

Ban đầu: Cu²⁺ + 2e → Cu

Khi Cu²⁺ hết: 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Nếu đề cho lượng điện rất lớn, không thể chỉ sử dụng phản ứng Cu²⁺ trong toàn bộ quá trình.

Điện phân dung dịch là quá trình oxi hóa – khử xảy ra tại các điện cực dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Để xác định chính xác sản phẩm và viết phương trình điện phân dung dịch, học sinh cần nắm vững thứ tự phóng điện của các ion và H₂O, phân biệt phản ứng tại cathode và anode, đồng thời xét đến loại điện cực, màng ngăn và các giai đoạn điện phân. Việc vận dụng phương pháp cân bằng electron giúp học sinh giải các bài tập điện phân dung dịch muối, xác định sản phẩm, hiện tượng và sự thay đổi của dung dịch sau phản ứng. Để củng cố kiến thức và luyện tập thêm, học sinh có thể tham khảo chuyên đề Hóa học 12 tại ZIM Academy.