Điện phân dung dịch NaCl | Phương trình có và không có màng ngăn

Điện phân dung dịch NaCl là kiến thức quan trọng trong chương Pin điện và điện phân thuộc chương trình Hóa học 12, được ứng dụng trong công nghiệp chlorine – kiềm và sản xuất nước Javel. Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ, quá trình oxi hóa ion Cl⁻ tại anot và khử nước tại catot tạo ra các sản phẩm đặc trưng.

Bài viết tập trung giải thích quá trình điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn và không có màng ngăn, phương trình phản ứng tại các điện cực, sản phẩm tạo thành gồm Cl₂, H₂, NaOH, NaClO và vai trò của màng ngăn trong từng trường hợp.

Điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ diễn ra như thế nào?

Điện phân dung dịch NaCl đậm đặc với điện cực trơ: Nước bị khử tại catot tạo H₂ và OH⁻; ion Cl⁻ bị oxi hóa tại anot tạo Cl₂. Khi có màng ngăn thích hợp, dung dịch phía catot tạo NaOH; khi không có màng ngăn, Cl₂ có thể phản ứng với NaOH tạo NaClO trong điều kiện phù hợp.

Điều kiện áp dụng: Các phương trình tạo Cl₂ tại anot dưới đây được xét cho dung dịch NaCl đủ đậm đặc với điện cực trơ. Khi dung dịch quá loãng hoặc điều kiện điện phân thay đổi, phản ứng tạo O₂ tại anot có thể cạnh tranh; vì vậy không nên khẳng định sản phẩm là như nhau trong mọi trường hợp. [1] [2]

Để hiểu quá trình điện phân dung dịch NaCl, cần xét các tiểu phân có mặt trong bình điện phân. Khi hoà tan vào nước, muối ăn phân li hoàn toàn thành các ion:

\[\text{NaCl}\rightarrow\text{Na}^{+}+\text{Cl}^{-}\]

Dung dịch lúc này chứa các ion \(\text{Na}^{+},\text{ Cl}^{-}\) cùng dung môi \(\text{H}_2\text{O}\). Với điện cực than chì (graphite) được xem là trơ trong điều kiện đang xét, điện cực dẫn điện và không tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa – khử.

Khi áp đặt dòng điện một chiều, các cation di chuyển về catot (cực âm) và các anion di chuyển về anot (cực dương). Sản phẩm tại mỗi điện cực còn phụ thuộc nồng độ dung dịch, vật liệu điện cực và điều kiện điện phân.

Để làm rõ vì sao NaCl phân li thành ion trong nước, học sinh có thể xem lại kiến thức chất điện li.

Tại cathode (cực âm)

Tại catot xảy ra quá trình khử. Trong dung dịch nước, ion Na⁺ khó bị khử hơn H₂O; vì vậy nước bị khử để tạo H₂ thay vì thu được kim loại Na.

Cụ thể, các phân tử \(\text{H}_2\text{O}\) bị khử trước để sinh ra khí hydrogen (\(\text{H}_2\)) và ion hydroxide (\(\text{OH}^-\)):

\[2\text{H}_2\text{O}+2\text{e}\rightarrow\text{H}_2\uparrow+2\text{OH}^{-}\]

Tại anode (cực dương)

Tại anot xảy ra quá trình oxi hoá. Trong dung dịch NaCl đậm đặc, giữa ion \(\text{Cl}^-\) và phân tử \(\text{H}_2\text{O}\), ion \(\text{Cl}^-\) thường bị oxi hóa ưu tiên, tạo khí chlorine (\(\text{Cl}_2\)):

\[2\text{Cl}^{-}\rightarrow\text{Cl}_2\uparrow+2\text{e}\]

Trả lời trực tiếp câu hỏi: Khi điện phân dung dịch NaCl điện cực trơ thì ở catot thoát ra bọt khí \(\text{H}_2\), ở anot thoát ra khí \(\text{Cl}_2\) màu vàng lục, đồng thời dung dịch xung quanh catot xuất hiện ion \(\text{OH}^-\) mang tính kiềm.

Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn: phương trình và sản phẩm

Trong công nghiệp chlorine – kiềm, thiết bị điện phân có thể sử dụng màng ngăn xốp hoặc màng trao đổi ion để tách các sản phẩm.

Màng ngăn giúp hạn chế khí \(\text{Cl}_2\) sinh ra ở anot tiếp xúc với dung dịch kiềm (\(\text{NaOH}\)) hình thành ở catot. Nhờ đó, hạn chế phản ứng tạo NaClO và thuận lợi cho việc thu hồi sản phẩm riêng biệt.

Phản ứng điện phân NaCl có màng ngăn là cơ sở sản xuất NaOH trong công nghiệp chlorine – kiềm và liên hệ với các hợp chất của kim loại kiềm. [1] [2]

Phương trình hoá học

Để thiết lập phương trình phân tử, ta cộng hai bán phản ứng tại catot và anot:

• Catot: \[2\text{H}_2\text{O}+2\text{e}\rightarrow\text{ H}_2+2\text{OH}^{-}\]

• Anot: \(2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}\)

Phương trình ion thu gọn:

\[2\text{Cl}^- + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd, có màng ngăn}} 2\text{OH}^- + \text{H}_2\uparrow + \text{Cl}_2\uparrow\]

Bổ sung các ion \(\text{Na}^+\) vào hai vế, ta được phương trình phân tử hoàn chỉnh:

\[2\text{NaCl}+2\text{H}_2\text{O}\xrightarrow[\text{có màng ngăn xốp}]{\text{đpdd}}2\text{NaOH}+\text{H}_2\uparrow+\text{Cl}_2\uparrow\]

Sản phẩm và cách nhận biết

1. Dung dịch sodium hydroxide (\(\text{NaOH}\)): Làm quỳ tím hoá xanh hoặc dung dịch phenolphthalein không màu chuyển sang màu hồng cánh sen.

2. Khí chlorine (\(\text{Cl}_2\)): Khí có màu vàng lục nhạt, mùi hắc xốc đặc trưng, làm ẩm quỳ tím thì quỳ hoá đỏ rồi nhanh chóng mất màu.

3. Khí hydrogen (\(\text{H}_2\)): Khí không màu, nhẹ hơn không khí, có tính dễ cháy; không thử nhận biết bằng cách đốt trong điều kiện học tập thông thường.

Lưu ý nâng cao: Khi nồng độ Cl⁻ giảm nhiều, phản ứng oxi hóa nước tạo O₂ tại anot có thể cạnh tranh rõ rệt hơn. Vì vậy, trong các bài tập điện phân theo giai đoạn, cần dựa vào điều kiện đề bài để xác định phản ứng tại từng điện cực.

Điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn và điều chế nước Javel

Khi điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn, các chất hình thành ở hai điện cực có thể tiếp xúc và phản ứng tiếp trong dung dịch.

Để phân biệt sản phẩm tạo ra tại điện cực với sản phẩm sau phản ứng trong dung dịch, học sinh có thể xem thêm nguyên tắc điện phân dung dịch. [1] [2]

Quan sát mô phỏng và hiện tượng tẩy màu

Trong mô phỏng điện phân dung dịch NaCl đậm đặc với điện cực than chì và không có màng ngăn, khí tạo thành ở hai cực có thể khuếch tán vào dung dịch. Khi thử khả năng tẩy màu trên một mẫu chất màu, dung dịch sau điện phân có thể làm màu nhạt đi do hình thành chất oxi hóa.

Hiện tượng: Mẫu chất màu có thể nhạt màu hoặc mất màu tùy nồng độ NaClO và điều kiện phản ứng.

Giải thích bản chất hoá học

Do không có vách ngăn, khí \(\text{Cl}_2\) sinh ra ở anot có thể hòa tan, khuếch tán và phản ứng với dung dịch \(\text{NaOH}\) tạo thành ở catot:

\[\text{Cl}_2+2\text{NaOH}\rightarrow\text{ NaCl}+\text{ NaClO}+\text{ H}_2\text{O}\]

Dung dịch chứa NaCl và NaClO (sodium hypochlorite) được gọi là nước Javel. Ion \(\text{ClO}^-\) có tính oxi hoá rất mạnh nên phá huỷ các hợp chất hữu cơ mang màu, tạo nên tính tẩy màu và khử khuẩn.

Kết hợp hai giai đoạn, có thể viết phương trình tổng quát lý tưởng cho điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn, khi Cl₂ phản ứng với NaOH tạo NaClO:

\[\text{NaCl}+\text{H}_2\text{O}\xrightarrow[\text{không màng ngăn}]{\text{đpdd}}\text{NaClO}+\text{H}_2\uparrow\]

Lưu ý an toàn: Điện phân dung dịch NaCl có thể giải phóng khí Cl₂ độc và H₂ dễ cháy. Đây là thí nghiệm cần thiết bị phù hợp, hệ thống thông gió và sự giám sát của giáo viên hoặc người có chuyên môn. Không tự làm thí nghiệm hoặc đóng kín bình điện phân.

So sánh điện phân dung dịch NaCl có và không có màng ngăn

Bảng dưới đây tóm tắt sự khác nhau giữa điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn và không có màng ngăn trong điều kiện thích hợp:

Việc phân tích bán phản ứng oxi hóa – khử có thể kết hợp kiến thức dãy điện hóa kim loại để nhận diện các chất có thể bị khử, nhưng cần xét cả điều kiện thực tế của quá trình điện phân. [1] [2]

Ứng dụng thực tiễn điện phân dung dịch NaCl trong đời sống và sản xuất

• Công nghiệp chlor-alkali: Cung cấp nguồn hoá chất nền tảng khổng lồ gồm NaOH (dùng trong sản xuất xà phòng, dệt nhuộm, bột giấy), \(\text{Cl}_2\) (khử trùng nước sinh hoạt, sản xuất nhựa PVC) và \(\text{H}_2\)(nhiên liệu sạch, tổng hợp ammonia).

• Y tế và vệ sinh môi trường: Dung dịch chứa NaClO được sử dụng để tẩy màu, xử lí nước và khử khuẩn khi pha chế, sử dụng đúng nồng độ và quy định an toàn.

Bài tập điện phân dung dịch NaCl có lời giải

Các bài tập dưới đây vận dụng phản ứng điện cực và tỉ lệ mol electron. Khi tính thời gian hoặc lượng chất tạo thành, cần sử dụng đúng định luật Faraday về điện phân. [1]

Dạng 1: Viết quá trình tại điện cực và phương trình điện phân

Bài 1: Điện phân 200 mL dung dịch NaCl 1M bằng điện cực than chì có màng ngăn xốp. Hãy:

a) Viết các quá trình xảy ra tại catot và anot.

b) Viết phương trình hoá học dạng ion thu gọn và dạng phân tử.

Phân tích đề bài:

Thành phần dung dịch: Chứa các ion \(\text{Na}^{+},\text{ Cl}^{-}\) và phân tử dung môi \(\text{H}_2\text{O}\).

Điều kiện điện phân:

• Điện cực than chì (graphite) là điện cực trơ, không tham gia vào quá trình oxi hóa – khử.

• Có màng ngăn xốp: Các sản phẩm sinh ra ở hai điện cực được tách biệt, không phản ứng với nhau.

Xác định phản ứng tại điện cực:

• Tại catot (cực âm): Cation \(\text{Na}^+\) có tính oxi hóa rất yếu (thế khử chuẩn rất âm, không bị khử trong dung dịch nước). Phân tử \(\text{H}_2\text{O}\) sẽ bị khử để giải phóng khí \(\text{H}_2\) và tạo ion \(\text{OH}^-\).

• Tại anot (cực dương): Anion \(\text{Cl}^-\) có tính khử mạnh hơn nước nên bị oxi hoá trước để sinh ra khí \(\text{Cl}_2\).

Lập phương trình: Cộng hai bán phản ứng khử và oxi hoá sao cho số electron nhường bằng số electron nhận, từ đó ghép các ion đối kháng (\(\text{Na}^+\)) để hoàn thành phương trình phân tử.

Đáp án:

a) Các quá trình xảy ra tại điện cực:

• Tại catot (cực âm): Xảy ra quá trình khử nước:

  \[2\text{H}_2\text{O}+2\text{e}\rightarrow\text{H}_2\uparrow+2\text{OH}^{-}\]

• Tại anot (cực dương): Xảy ra quá trình oxi hoá ion chloride:

  \(2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}\)

b) Phương trình phản ứng:

• Phương trình ion thu gọn:\[2\text{Cl}^- + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd, có màng ngăn}} 2\text{OH}^- + \text{H}_2\uparrow + \text{Cl}_2\uparrow\]

• Phương trình dạng phân tử:

  \[2\text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow[\text{có màng ngăn xốp}]{\text{đpdd}} 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow + \text{Cl}_2\uparrow\]

Dạng 2: Giải thích hiện tượng và sản phẩm

Bài 2: Trong một mô hình xử lí nước, dung dịch NaCl đậm đặc được điện phân bằng điện cực trơ, không có màng ngăn. Dung dịch thu được có khả năng làm nhạt màu một mẫu chất màu hữu cơ. Giải thích vì sao dung dịch sau điện phân không phải là NaOH nguyên chất và viết phương trình phản ứng liên quan.

Phân tích đề bài:

Điểm mấu chốt: Quá trình điện phân diễn ra trong điều kiện không có màng ngăn.

Sự chuyển động của các chất:

• Khí \(\text{Cl}_2\) thoát ra ở anot và dung dịch kiềm NaOH tạo thành ở catot nằm chung trong một bình chứa, dễ dàng tiếp xúc và khuấy trộn vào nhau.

Tính chất hoá học liên quan: Chlorine tác dụng được với dung dịch kiềm (NaOH) ở nhiệt độ thường tạo thành hỗn hợp muối NaCl và NaClO (nước Javel).

Nguyên nhân tẩy màu: Gốc hypochlorite (\(\text{ClO}^-\)) có số oxi hoá +1, thể hiện tính oxi hoá rất mạnh nên phá huỷ cấu trúc phẩm màu hữu cơ.

Đáp án:

Khi không có màng ngăn, khí \(\text{Cl}_2\) sinh ra ở anot có thể khuếch tán trong dung dịch và phản ứng trực tiếp với lượng NaOH sinh ra ở catot theo phương trình hoá học:

\[\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}\]

• Phản ứng trên tiêu thụ một phần hoặc phần lớn lượng \(\text{NaOH}\) tạo thành, chuyển hoá thành dung dịch chứa hỗn hợp hai muối NaCl và NaClO (gọi là nước Javel). Vì vậy, dung dịch thu được không còn là NaOH nguyên chất.

• Ion \(\text{ClO}^-\) trong \(\text{NaClO}\) có tính oxi hoá rất mạnh, có khả năng oxi hoá và bẻ gãy các liên kết đôi liên hợp của các phân tử màu hữu cơ, làm mất màu phẩm nhuộm và tẩy trắng vải.

Dạng 3: Tính toán theo định luật Faraday, cường độ dòng điện và thời gian

Bài 3: Điện phân dung dịch NaCl đậm đặc bằng điện cực trơ, có màng ngăn xốp, với dòng điện một chiều I = 1,93 A. Thể tích dung dịch trong khoang catot là 500 mL; giả sử ion Cl⁻ vẫn bị oxi hóa ở anot trong suốt thời gian xét. Sau thời gian t giây, thu được dung dịch ở khoang catot có pH = 13 (coi thể tích dung dịch không đổi và hiệu suất đạt 100%). Hãy tính:

a) Thể tích khí thoát ra ở catot (đo ở điều kiện chuẩn \(25^\circ\text{C}, 1\text{ bar}\)).

b) Thời gian điện phân t.

Phân tích đề bài:

Dữ kiện đã cho:

• Thể tích dung dịch: \(V = 500\text{ mL} = 0,5\text{ lít}\) (không đổi suốt quá trình).

• Cường độ dòng điện: I = 1,93 A.

• Sau thời gian \(t\): Dung dịch có pH = 13.

• Điều kiện: \(25^\circ\text{C}, 1\text{ bar}\) (điều kiện chuẩn, 1 mol khí = 24,79 lít), hiệu suất 100%.

Định hướng các bước giải:

1. Tìm số mol \(\text{OH}^-\): Vì môi trường sau điện phân là bazơ (pH} > 7), ta tính pOH = 14 - pH, suy ra nồng độ \([\text{OH}^-]\) và số mol \(n_{\text{OH}^-}\).

2. Tính lượng khí \(\text{H}_2\) ở catot: Dựa vào bán phản ứng tại cực âm \[2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-\]

tỉ lệ số mol là \(n_{\text{H}_2} = \frac{1}{2} n_{\text{OH}^-}\). Sau đó nhân với 24,79 để tính thể tích.

3. Tính thời gian điện phân t:

• Số mol electron trao đổi liên hệ trực tiếp với bán phản ứng: \(n_{\text{e}} = n_{\text{OH}^-}\).

• Vận dụng biểu thức định luật Faraday: \[n_{\mathrm e}=\frac{It}{F},\qquad t=\frac{n_{\mathrm e}F}{I}\]

Đáp án:

a) Thể tích khí thoát ra ở catot:

Dung dịch sau điện phân có \(\text{pH} = 13\):

\[\mathrm{pOH}=14-13=1\;\Rightarrow\;[\mathrm{OH}^{-}]=10^{-1}=0{,}1\,\mathrm{M}\]

Số mol \(\text{OH}^-\) tạo thành trong \(500\text{ mL}\) dung dịch:

\[n_{\text{OH}^-} = [\text{OH}^-] \cdot V = 0,1 \cdot 0,5 = 0,05\text{ mol}\]

Tại catot xảy ra bán phản ứng khử:

\[2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \rightarrow \text{H}_2\uparrow + 2\text{OH}^-\]

Theo phương trình trên, số mol khí \(\text{H}_2\) thoát ra là:

\[n_{\text{H}_2} = \frac{1}{2} n_{\text{OH}^-} = \frac{0,05}{2} = 0,025\text{ mol}\]

Thể tích khí \(\text{H}_2\) thu được ở điều kiện chuẩn (\(25^\circ\text{C}, 1\text{ bar}\)):

\[V_{\text{H}_2} = 0,025 \cdot 24,79 = 0,61975\text{ lít} = 619,75\text{ mL}\]

b) Thời gian điện phân t:

Từ bán phản ứng tại catot, số mol electron trao đổi qua mạch là:

\(n_{\text{e}} = n_{\text{OH}^-} = 0,05\text{ mol}\)

Áp dụng công thức định luật Faraday:

\[n_{\text{e}} = \frac{I \cdot t}{F} \Rightarrow t = \frac{n_{\text{e}} \cdot F}{I}\]

Thay các giá trị \[n_{\mathrm e}=0{,}05\,\mathrm{mol},\quad F=96500\,\mathrm{C/mol},\quad I=1{,}93\,\mathrm A\]

\[t = \frac{0,05 \cdot 96500}{1,93} = 2500\text{ giây}\]

Qua bài viết, học sinh đã nắm được quá trình điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ, các phản ứng tại catot, anot và sự khác biệt giữa hai trường hợp có màng ngăn và không có màng ngăn. Khi điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, sản phẩm thu được gồm NaOH, H₂ và Cl₂; trong khi đó, điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn có thể tạo NaClO, thành phần chính của nước Javel, trong điều kiện thích hợp. Để viết đúng phương trình điện phân dung dịch NaCl và giải bài tập, học sinh cần xác định rõ điều kiện điện phân, phản ứng tại từng điện cực và sản phẩm tạo thành. Học sinh có thể tham khảo thêm các chuyên đề Hóa học 12 tại ZIM Academy để củng cố kiến thức và vận dụng vào bài tập điện phân.