Điện phân nóng chảy Al2O3 | Phương trình, cryolite và bài tập

Điện phân nóng chảy Al203 là phương pháp điều chế nhôm trong công nghiệp, sử dụng aluminium oxide hòa tan trong criolit (Na₃AlF₆) nóng chảy. Al₂O₃ bền nhiệt nên nung hoặc nhiệt phân thông thường không tạo ra Al. Bài viết hệ thống phương trình điện phân, phản ứng tại cathode và anode carbon, vai trò của criolit cùng các dạng bài tập vận dụng trong chương trình Hóa học 12.

Điện phân nóng chảy Al₂O₃ là gì? Phương trình điện phân

Điện phân nóng chảy Al₂O₃ là phương pháp dùng dòng điện một chiều để khử ion aluminium thành nhôm kim loại trong hỗn hợp aluminium oxide hòa tan trong cryolite (criolit) nóng chảy. Nội dung thuộc Bài 20: Kim loại trong tự nhiên và phương pháp tách kim loại – Hóa học 12 Kết nối tri thức. [1]

Phương trình nhận electron biểu diễn:

\[\mathrm{Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al}\]

Theo mô hình điện phân lí tưởng với anode không bị hao hụt xuyên suốt quá trình, phương trình tổng quát là:

\[2\mathrm{Al_2O_3}\xrightarrow{\text{đpnc}}4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\]

Phương trình trên áp dụng cho mô hình anode trơ. Trong bể Hall–Héroult dùng anode carbon, khí tạo thành chủ yếu là CO₂; một phần CO có thể xuất hiện tùy điều kiện. Vì vậy không mặc định khí anode thực tế là O₂ tinh khiết. [2]

Bể điện phân chứa hỗn hợp điện phân gồm có: Aluminium oxide ( \(\mathrm{Al_2O_3}\)) và cryolite ( \(\mathrm{Na_3AlF_6}\)) ở trạng thái nóng chảy; nguồn điện một chiều và các điện cực dẫn điện bằng carbon. Aluminium lỏng sinh ra được thu tại phần đáy bể do có khối lượng riêng lớn hơn lớp chất điện phân.

Nhiệt độ vận hành thường khoảng \(960\,^\circ\mathrm{C}\), tùy thành phần bể điện phân; thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ nguyên chất, trên \(2000\,^\circ\mathrm{C}\). [3] [5]

Quá trình diễn ra tại cathode và anode khi điện phân nóng chảy Al₂O₃

Muốn viết đúng phương trình điện phân, cần phân biệt phản ứng khử tại cathode với phản ứng oxi hóa tại anode. [1]

Trong bể điện phân, cathode nối với cực âm của nguồn điện, còn anode nối với cực dương.

Cathode (cực âm): Khử ion Al³⁺ thành Al

Ion aluminium nhận ba electron để tạo thành kim loại:

\[\mathrm{Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al}\]

Số oxi hóa của aluminium giảm từ (+3) xuống (0), nên đây là quá trình khử. Ở nhiệt độ của bể đang tiến hành điện phân, nhôm tạo thành ở dạng lỏng và tích tụ dưới lớp chất điện phân do có khối lượng riêng lớn hơn.

Mỗi ion Al³⁺ nhận 3 electron để tạo một nguyên tử Al. Khi nhân bán phản ứng với 4 để cân bằng phương trình tổng quát, 4 ion Al³⁺ nhận tổng cộng 12 electron.

Anode (cực dương): Oxi hóa ion oxide

Trong mô hình điện phân đơn giản, ion oxide nhường electron:

\[\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^{-}}\]

Oxygen có số oxi hóa tăng từ (-2) lên (0), do đó đây là quá trình oxi hóa.

Nhân bán phản ứng cathode với (4) và bán phản ứng anode với (3), ta có:

\[\mathrm{4Al^{3+}+12e^{-}\rightarrow4Al}\]
\[\mathrm{6O^{2-}\rightarrow3O_2+12e^{-}}\]

Với phương trình đã quy đồng, số electron nhận và nhường đều bằng 12, nên phương trình điện phân lí tưởng được cân bằng.

Trong bể công nghiệp dùng anode carbon, cần tính thêm sự tiêu hao carbon. Chỉ dùng mô hình sinh O₂ khi đề bài nêu anode trơ hoặc yêu cầu bỏ qua phản ứng với điện cực. [2]

Vì sao anode than chì bị mòn khi điện phân?

Trong sơ đồ lí tưởng, quá trình oxi hóa ion oxide tại anode cho oxygen:
\[\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^{-}}\]

Tuy nhiên, điện cực dương công nghiệp làm bằng carbon và môi trường bể điện phân có nhiệt độ cao. Oxygen liên quan đến phản ứng điện cực tiếp tục oxi hóa carbon tạo khí carbon dioxide:
\[\mathrm{C+O_2\rightarrow CO_2}\]

Có thể gộp thành bán phản ứng tại anode carbon:
\[\mathrm{C+2O^{2-}\rightarrow CO_2+4e^{-}}\]

Phương trình tổng quát khi carbon tạo chủ yếu carbon dioxide là:
\[2\mathrm{Al_2O_3}+3\mathrm{C}\rightarrow4\mathrm{Al}+3\mathrm{CO_2}\]

Trong thực tế, một phần carbon cũng có thể tạo \(\mathrm{CO}\) tùy điều kiện. Vì carbon của anode bị chuyển dần thành sản phẩm khí nên anode bị mòn và phải thay thế định kì. [1]

Cần phân biệt: phương trình có \(\mathrm{O_2}\) ở vế phải dùng để mô tả quá trình điện phân Al₂O₃; phương trình có \(\mathrm{CO_2}\) hoặc \(\mathrm{CO}\) mô tả sự tiêu hao carbon của anode trong bể điện phân thực tế.

Hai cách viết không đối lập, mà tương ứng với hai mức mô tả khác nhau.

Vì sao phải thêm cryolite khi điện phân nóng chảy?

Cryolite (criolit), có công thức \(\mathrm{Na_3AlF_6}\), là môi trường hòa tan Al₂O₃ trong quy trình Hall–Héroult. Các vai trò chính gồm: [1]

Thứ nhất, cryolite hạ nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp điện phân. Aluminium oxide nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Khi hòa tan \(Al_{2}O_{3}\) vào cryolite nóng chảy, bể có thể hạ nhiệt độ vận hành xuống khoảng \(960\,^\circ\mathrm{C}\). Cần diễn đạt chính xác là làm giảm nhiệt độ vận hànhcủa hỗn hợp, không làm thay đổi bản chất nhiệt độ nóng chảy riêng của aluminium oxide tinh khiết.

Thứ hai, cryolite giúp hỗn hợp nóng chảy dẫn điện hiệu quả. Các ion chuyển động trong chất điện phân cho phép dòng điện đi qua bể, duy trì các quá trình ở hai điện cực liên tục và hiệu quả.

Thứ ba, lớp chất điện phân phủ trên nhôm lỏng hạn chế nhôm tiếp xúc với oxygen trong không khí. Do lớp hỗn hợp nóng chảy có khối lượng riêng nhỏ hơn aluminium lỏng, nhôm tập trung dưới đáy bể, tránh tiếp xúc với không khí làm giảm hiệu suất sản xuất.

Tóm lại, ba ý cần nhớ khi làm bài là hạ nhiệt độ vận hành – tăng khả năng dẫn điện – hạn chế nhôm bị oxi hóa. Cryolite không phải nguyên liệu trực tiếp cung cấp nhôm trong phương trình điện phân được xét; nguồn aluminium cần tách là \(\mathrm{Al_2O_3}\).

Vì sao không điện phân dung dịch ion aluminium để điều chế nhôm?

Trong dung dịch nước, ion \(\mathrm{Al^{3+}}\) không được ưu tiên khử thành kim loại ở cathode. Thay vào đó, nước hoặc ion hydrogen trong môi trường acid thường bị khử ưu tiên, tạo khí hydrogen. [1]

Với môi trường nước thích hợp, bán phản ứng có thể viết:
\[\mathrm{2H_2O+2e^{-}\rightarrow H_2+2OH^{-}}\]

Vì vậy, điện phân dung dịch chứa \(\mathrm{Al^{3+}}\) không phải cách thông thường để thu aluminium kim loại. Nếu xuất hiện ion hydroxide trong dung dịch, chúng còn có thể phản ứng với ion aluminium tạo kết tủa:
\[\mathrm{Al^{3+}+3OH^-\rightarrow Al(OH)_3\downarrow}\]

Trái lại, trong hỗn hợp nóng chảy không có nước cạnh tranh nhận electron và bị điện phân. Khi đó, ion aluminium có thể bị khử thành kim loại tại cathode.

Vì vậy, trong phương pháp điều chế nhôm ở chương trình phổ thông, phải sử dụng chất điện phân nóng chảy thay vì dung dịch nước chứa Al³⁺.

Al₂O₃ được lấy từ đâu? Vai trò của quặng bauxite

Trong công nghiệp, nguyên liệu ban đầu để sản xuất aluminium là quặng bauxite, có thành phần chứa hợp chất aluminium ngậm nước, SGK biểu diễn bằng \(\mathrm{Al_2O_3\cdot2H_2O}\). [1]

Quặng khai thác không được đưa trực tiếp vào bể điện phân, vì ngoài hợp chất aluminium còn chứa các tạp chất. Trước tiên, quặng được tinh chế để thu alumina, tức aluminium oxide \(\mathrm{Al_2O_3}\).

Quy trình Bayer tinh chế bauxite để thu alumina; sau đó quy trình Hall–Héroult điện phân alumina hòa tan trong cryolite nóng chảy để tạo nhôm. [4]

Như vậy, quá trình sản xuất nhôm trải qua hai giai đoạn: tinh chế quặng để thu aluminium oxide và điện phân aluminium oxide để thu nhôm.

Trong bài toán tính khối lượng nhôm từ bauxite, học sinh cần chú ý xét lượng oxide thực tế thu được từ quặng, thêm các yếu tố hiệu suất và tỉ lệ mol sản phẩm tạo thành.

Al₂O₃ có bị nhiệt phân thành Al không? Các phản ứng cần phân biệt

Bên cạnh phương trình điện phân nóng chảy, có hai phản ứng quan trọng giúp học sinh không nhầm chiều biến đổi của aluminium oxide. [1]

Phản ứng tạo aluminium oxide từ aluminium:
\[\mathrm{4Al+3O_2\rightarrow2Al_2O_3}\]

Đây là phản ứng oxi hóa aluminium, khác về chiều và điều kiện với quá trình điều chế kim loại từ oxide.

Phản ứng nhiệt phân aluminium hydroxide:
\[\mathrm{2Al(OH)_3\xrightarrow{t^\circ}Al_2O_3+3H_2O}\]

Phản ứng trên minh họa một cách tạo \(\mathrm{Al_2O_3}\) từ hydroxide. Oxide này bền nhiệt nên không thể chỉ nung để thu aluminium; phải dùng năng lượng điện để thực hiện sự khử ion aluminium trong điều kiện phù hợp.

Bài tập điện phân nóng chảy Al₂O₃ có lời giải

Cho Al = 27, O = 16, C = 12. Khi tính toán, dùng \(n_{\mathrm{Al}}=2n_{\mathrm{Al_2O_3}}\) và \(n_e=3n_{\mathrm{Al}}\). Tỉ lệ khối lượng Al₂O₃ : Al là 102 : 54, áp dụng khi Al₂O₃ là nguồn cung cấp nhôm.

Bài 1: Xác định quá trình tại điện cực

Đề bài: Khi điện phân nóng chảy \(\mathrm{Al_2O_3}\) , hãy viết quá trình tại cathode và anode theo mô hình điện cực không bị tiêu hao. Cho biết quá trình nào là khử và quá trình nào là oxi hóa.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Nhận biết bán phản ứng điện cực.

• Dữ kiện đề cho: Chất điện phân chứa ion aluminium và ion oxide.

• Thông tin cần tìm: Chiều trao đổi electron và loại quá trình tại mỗi điện cực.

Kiến thức cần dùng

Cathode nhận electron từ nguồn điện để khử cation; anode là nơi anion nhường electron.

Lời giải

Cathode (−):
\[\mathrm{Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al}\]

Đây là quá trình khử.

Anode (+):
\[\mathrm{2O^{2-}\rightarrow O_2+4e^{-}}\]

Đây là quá trình oxi hóa.

Đáp án: Theo các bán phản ứng tại các điện cực, kim loại hình thành tại cathode, còn oxygen là sản phẩm của bán phản ứng anode trong mô hình lí tưởng (bỏ qua sự tạo thành của sản phẩm sinh ra do carbon phản ứng với oxygen).

Bài 2: Nhận biết vai trò của cryolite

Đề bài: Phát biểu nào không đúng về cryolite trong sản xuất aluminium?

A. Giảm nhiệt độ vận hành của hỗn hợp điện phân.

B. Giúp hỗn hợp nóng chảy dẫn điện hiệu quả.

C. Góp phần hạn chế aluminium lỏng bị oxi hóa.

D. Là chất khử trực tiếp biến ion aluminium thành kim loại.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Lí thuyết nhận biết.

• Dữ kiện đề cho: Bốn nhận định về cryolite.

• Thông tin cần tìm: Nhận định không phù hợp với vai trò thực tế của cryolite.

Kiến thức cần dùng

Cryolite là môi trường hòa tan hỗ trợ vận hành bể điện phân, còn aluminium được tạo bởi quá trình nhận electron tại cathode.

Lời giải

Các nhận định A, B, C đều đúng trong mô tả phổ thông. Nhận định D sai vì không phải cryolite trực tiếp nhường electron để khử ion aluminium; dòng điện cung cấp electron cho cathode.

Đáp án: D. Là chất khử trực tiếp biến ion aluminium thành kim loại.

Bài 3: Tính lượng carbon tiêu hao ở anode

Đề bài: Một bể điện phân tạo được 43,2 kg Al. Giả sử carbon ở anode chỉ chuyển thành CO₂ và bỏ qua các tổn thất khác. Tính khối lượng carbon đã phản ứng và khối lượng CO₂ tạo thành.

Phân tích: Dùng phương trình tổng quát có anode carbon; tỉ lệ mol Al : C : CO₂ là 4 : 3 : 3.

\[2\mathrm{Al_2O_3}+3\mathrm C\xrightarrow{\text{đpnc}}4\mathrm{Al}+3\mathrm{CO_2}\]

Lời giải: \(n_{\mathrm{Al}}=\dfrac{43200}{27}=1600\ \mathrm{mol}\).

\(n_{\mathrm C}=n_{\mathrm{CO_2}}=\dfrac34\times1600=1200\ \mathrm{mol}\).

\(m_{\mathrm C}=1200\times12=14400\ \mathrm g=14{,}4\ \mathrm{kg}\).

\(m_{\mathrm{CO_2}}=1200\times44=52800\ \mathrm g=52{,}8\ \mathrm{kg}\).

Đáp án: 14,4 kg carbon và 52,8 kg CO₂. Đây là lượng theo mô hình đề bài, không phải mức tiêu hao carbon thực tế của mọi nhà máy.

Bài 4: Tính khối lượng aluminium từ aluminium oxide

Đề bài: Điện phân hoàn toàn \(153\,\mathrm{kg}\) aluminium oxide tinh khiết. Tính khối lượng aluminium thu được theo lí thuyết.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Tính khối lượng theo phương trình.

• Dữ kiện đề cho: Khối lượng aluminium oxide tinh khiết là 153 kg.

• Thông tin cần tìm: Khối lượng aluminium, chưa xét tổn thất hay hiệu suất.

Kiến thức cần dùng

Phương trình điện phân:
\[2\mathrm{Al_2O_3}\rightarrow4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\]

Khối lượng mol:
\(M(\mathrm{Al_2O_3})=102\mathrm{g/mol}\qquad M(\mathrm{Al})=27\mathrm{g/mol}\)

Lời giải

Theo phương trình, tỉ lệ mol giữa \(Al_2O_3\) và Al là 1:2

Do đó:
\(m_{\mathrm{Al}}=153\times\frac{54}{102}=81\mathrm{kg}\)

Đáp án: \(81\mathrm{kg}\)aluminium.

Bài 5: Tính aluminium từ quặng bauxite có hiệu suất

Đề bài: Một mẫu bauxite khối lượng \(2{,}0\) tấn chứa (60%) Al₂O₃ quy đổi theo khối lượng (không phải hàm lượng Al₂O₃·2H₂O). Quá trình tinh chế thu hồi được (85%) lượng oxide; hiệu suất điện phân tạo aluminium là (90%). Tính khối lượng aluminium thực tế thu được.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Tính toán nhiều giai đoạn.

• Dữ kiện đề cho: Khối lượng quặng, hàm lượng oxide, hiệu suất thu hồi oxide và hiệu suất điện phân.

• Thông tin cần tìm: Khối lượng aluminium thực tế.

Kiến thức cần dùng

Tỉ lệ mol giữa \(Al_2O_3\) và Al là 1:2 . Các hiệu suất chỉ áp dụng cho từng giai đoạn tương ứng.

Lời giải

Khối lượng oxide ban đầu trong quặng:
\(m_{\mathrm{Al_2O_3}}=2000\times0{,}60=1200\,\mathrm{kg}\)

Khối lượng oxide thu hồi sau tinh chế:
\(m_{\mathrm{Al_2O_3},1}=1200\times0{,}85=1020\,\mathrm{kg}\)

Khối lượng aluminium theo lí thuyết:
\(m_{\mathrm{Al,lt}}=1020\times\frac{54}{102}=540\,\mathrm{kg}\)

Khối lượng thực tế sau điện phân:
\(m_{\mathrm{Al,tt}}=540\times0{,}90=486\,\mathrm{kg}\)

Đáp án: \(486\,\mathrm{kg}\) aluminium.

Dễ sai nhất là bỏ qua hiệu suất thu hồi oxide ở giai đoạn đầu hoặc nhân sai tỉ lệ số mol

Điện phân nóng chảy Al203 hòa tan trong cryolite (criolit) là phương pháp điều chế nhôm trong công nghiệp. Tại cathode, mỗi ion Al³⁺ nhận 3 electron tạo Al; anode carbon bị tiêu hao khi tạo khí chủ yếu là CO₂. Cryolite giúp giảm nhiệt độ vận hành, tăng khả năng dẫn điện và hạn chế nhôm lỏng bị oxi hóa.

Khi giải bài tập, học sinh cần xác định đúng mô hình điện cực, nắm tỉ lệ mol Al₂O₃ : Al = 1 : 2 và áp dụng hiệu suất cho từng giai đoạn. Người học có thể luyện tập thêm các chuyên đề Hóa học 12 tại ZIM Academy để củng cố kiến thức về điện phân và điều chế kim loại.