Đang tải bài học…

AP Chemistry

bình điện phân

electrolytic cell

Còn gọi: tế bào điện phân · electrolysis cell

Bình điện phân là thiết bị điện hóa dùng nguồn điện ngoài để cưỡng bức một phản ứng oxi hóa–khử không tự diễn biến xảy ra.

Trong hóa điện, có hai kiểu thiết bị đối lập nhau về mặt năng lượng. Pin galvani (galvanic cell) lấy một phản ứng tự xảy ra rồi thu điện năng từ nó, còn bình điện phân làm điều ngược lại: nó nhận điện năng từ bên ngoài để đẩy một phản ứng không tự diễn biến chạy theo chiều mà tự nhiên không chọn. Cấu tạo gồm hai điện cực nhúng trong muối nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li, nối với một nguồn điện đóng vai trò như máy bơm điện tử — ép điện tử vào một điện cực và rút điện tử khỏi điện cực kia.

Quy ước gọi tên điện cực vẫn giữ nguyên như ở pin galvani và dựa trên bản chất phản ứng chứ không dựa vào dấu: nơi xảy ra sự khử (reduction) là catot, nơi xảy ra sự oxi hóa là anot. Tuy nhiên dấu điện cực thì đảo lại, vì nguồn ngoài buộc catot mang dấu âm để hút ion dương về khử, còn anot mang dấu dương để hút ion âm tới oxi hóa. Trong điện phân NaCl nóng chảy chẳng hạn, ion $\mathrm{Na^+}$ nhận điện tử thành $\mathrm{Na}(l)$ ở catot, còn $\mathrm{Cl^-}$ nhường điện tử thành $\mathrm{Cl_2}(g)$ ở anot.

Về mặt nhiệt động, dấu hiệu nhận biết một quá trình điện phân nằm ở hệ thức

$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{cell}$

với $n$ là số mol điện tử trao đổi và $F$ là hằng số Faraday (Faraday's constant). Vì phản ứng không tự xảy ra nên $\Delta G^\circ > 0$ , kéo theo $E^\circ_{cell} < 0$ ; điện áp nguồn ngoài phải lớn hơn $|E^\circ_{cell}|$ thì dòng mới chạy. Lượng chất sinh ra ở mỗi điện cực lại được quyết định bởi lượng điện tích đi qua, theo $q = It$ và $n_e = q/F$ . Nhờ vậy, kỹ thuật mạ điện và luyện nhôm mới kiểm soát được khối lượng (mass) kim loại bám lên vật liệu chỉ bằng cách chỉnh cường độ dòng và thời gian.

Ký hiệu

E^\circ_{cell} < 0

\Delta G^\circ > 0

F = 96485\ \mathrm{C/mol}

q = It

Đơn vịĐiện thế: V; điện tích: C; dòng điện: A

Trực giác: Giống như bơm nước ngược lên bể trên mái: nước không tự chảy lên, phải có máy bơm cắm điện thì mới lên được.

Công thức

m = \htmlClass{fp-2}{\frac{M \cdot \htmlClass{fp-0}{I \cdot t}}{\htmlClass{fp-1}{n \cdot F}}}

Dùng để tính khối lượng chất thu được ở điện cực khi biết cường độ dòng điện, thời gian điện phân, khối lượng mol và số electron trao đổi

Trong đó

m

khối lượng chất thu được ở điện cực — g

M

khối lượng mol của chất — g/mol

I

cường độ dòng điện — A

t

thời gian điện phân — s

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1858 (tên gọi); thuật ngữ nền tảng có từ 1833–1834Michael FaradayThomas GrahamHenry WattsWilliam NicholsonAnthony Carlisle

Thử nghiệm tương tác

Đi một vòng theo dòng electron — xem oxi hoá xảy ra ở cực nào và ai áp dấu điện cho nó

Hay hiểu sai

Trong bình điện phân, cực dương (anode) là nơi xảy ra oxi hóa, không phải nơi nhận electron.

Cùng dòng điện và cùng thời gian không có nghĩa là thu được cùng số mol kim loại.

Thế của bình điện phân mang dấu âm là bình thường, không phải dấu hiệu tính sai.

Điện phân nước cho thể tích khí hydrogen gấp đôi thể tích khí oxygen.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một bình điện phân chứa natri chloride nóng chảy, hai điện cực trơ bằng graphite được nối vào một nguồn điện một chiều bên ngoài. Phản ứng tổng cộng xảy ra trong bình là

2\,\text{NaCl}(l) \rightarrow 2\,\text{Na}(l) + \text{Cl}_2(g)

. Bảng thế khử chuẩn cho biết

\text{Na}^+ + e^- \rightarrow \text{Na}(l)

có

E^\circ = -2{,}71\ \text{V}

và

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

có

E^\circ = +1{,}36\ \text{V}

. Cho

F = 96\,485\ \text{C/mol}\ e^-

aViết nửa phản ứng ở cực âm và ở cực dương, đồng thời cho biết mỗi loại ion di chuyển về phía điện cực nào.
bTính $E^\circ_{cell}$ và hiệu điện thế tối thiểu mà nguồn ngoài phải đặt vào để phản ứng xảy ra.
cTính $\Delta G^\circ$ của phản ứng tổng cộng và giải thích kết quả đó nói lên điều gì về bình này.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyỨng dụng nhiệt động · bài “Pin Galvani (Volta) và bình điện phân” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớiđiện phân

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

pin galvanigalvanic cell

Khác nhau ở đâuBình điện phân tiêu điện năng để ép phản ứng không tự phát xảy ra, còn pin galvani sinh ra điện từ phản ứng tự phát. Catot bình điện phân là cực âm, còn catot pin galvani là cực dương.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu xác định dấu cực điện, chiều dòng electron, hoặc chiều phản ứng oxi hóa–khử

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 995–997.

số electron trao đổi trên mỗi ion

F

hằng số Faraday — C/mol

Cụm từ "electrolytic cell" được ghi nhận sớm nhất vào năm 1858 trong một văn bản của hai nhà hóa học Thomas Graham và Henry Watts, nhưng gốc rễ của nó nằm ở bộ thuật ngữ mà Michael Faraday đặt ra từ năm 1833–1834 để mô tả việc dùng dòng điện bẻ gãy các hợp chất hóa học.

Đầu thế kỷ 19, William Nicholson và Anthony Carlisle nối hai sợi dây vào hai đầu chồng pin Volta (voltaic pile) rồi nhúng đầu kia vào một ống nước. Họ thấy bọt khí sủi lên ở cả hai dây, một bên cho khí hydrogen. Nước vốn không tự tách ra, vậy mà dòng điện đã làm được điều đó. Từ quan sát này, nhu cầu gọi tên thiết bị và các bộ phận của nó trở nên cấp thiết. Faraday cùng vài người bạn đã dựng nên cả một hệ thuật ngữ vào năm 1833, rồi công bố hai định luật điện phân của mình; đến năm 1858, tên gọi cho chính cái bình chứa phản ứng mới xuất hiện trong ghi chép.

Vì sao mang đúng cái tên này? Phần "electrolytic" bắt nguồn từ điện phân (electrolysis), một từ Faraday ghép năm 1834 từ hai tiếng Hy Lạp: ἤλεκτρον nghĩa là "hổ phách" — thứ vật liệu gắn với các hiện tượng điện từ thế kỷ 17 — và λύσις nghĩa là "sự phân rã". Do đó, hiểu sát nghĩa gốc thì điện phân là "sự bẻ gãy bằng điện", đúng như việc dòng điện xé nước thành hydrogen và oxygen. Phần "cell" chỉ ngăn chứa, cái bình đựng chất điện li (electrolyte) cùng hai điện cực (electrode); tiếng Việt dịch thành "bình" nên ta có "bình điện phân". Điều đáng chú ý là cả bộ thuật ngữ này — chất điện li, ion, điện cực, cực âm (cathode), cực dương (anode) — đều được đặt ra khi cấu tạo nguyên tử còn chưa ai biết. Faraday và các cộng sự cố ý chọn những từ mô tả sự kiện quan sát được trong phòng thí nghiệm chứ không gắn với một lý thuyết cụ thể nào. Nhờ vậy, chúng sống sót qua mọi thay đổi của vật lý nguyên tử và vẫn nguyên vẹn trong hóa học hiện đại.

Đi một vòng theo dòng electron — xem oxi hoá xảy ra ở cực nào và ai áp dấu điện cho nó

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Với bài mạ điện, hãy viết ra đầy đủ chuỗi đổi đơn vị thay vì nhảy thẳng tới đáp số.

Khi điện áp đo được lệch khỏi thế chuẩn, hãy nghĩ tới nồng độ chứ đừng nghĩ tới sai số dụng cụ.

Trước khi trả lời bất kỳ câu nào về sơ đồ, hãy ghi nhãn cực âm và cực dương lên hình.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trong muối nóng chảy chỉ có hai tiểu phân là

\text{Na}^+

và

\text{Cl}^-

, nên không có lựa chọn nào khác: natri đang ở số oxi hóa

+1

chỉ có thể bị khử, còn chloride ở

-1

chỉ có thể bị oxi hóa. Vì cực âm (cathode) là nơi xảy ra sự khử và cực dương (anode) là nơi xảy ra sự oxi hóa, ta viết được: cực âm

2\,\text{Na}^+(l) + 2e^- \rightarrow 2\,\text{Na}(l)

; cực dương

2\,\text{Cl}^-(l) \rightarrow \text{Cl}_2(g) + 2e^-

. Nguồn ngoài bơm electron vào cực âm và rút electron ra khỏi cực dương, do đó cation

\text{Na}^+

bị hút về cực âm còn anion

\text{Cl}^-

đi về cực dương.

2Bước 2: Áp dụng

E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}

, trong đó cả hai giá trị đều lấy theo dạng thế khử:

E^\circ_{cell} = (-2{,}71) - (+1{,}36) = -4{,}07\ \text{V}

. Dấu âm là dấu hiệu nhận biết của bình điện phân: phản ứng không tự xảy ra theo chiều đã viết.

3Bước 3: Muốn ép phản ứng chạy ngược chiều tự nhiên, nguồn ngoài phải đặt vào hiệu điện thế lớn hơn giá trị tuyệt đối của

E^\circ_{cell}

, tức là **tối thiểu

4{,}07\ \text{V}

**. Trên thực tế người ta luôn phải đặt cao hơn con số này vì còn hao phí do điện trở dung dịch và do quá thế (overpotential).

4Bước 4: Số electron trao đổi trong phương trình đã cho là

n = 2

, nên

\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{cell} = -(2)(96\,485)(-4{,}07) = +7{,}85 \times 10^5\ \text{J} \approx +785\ \text{kJ}

. Giá trị dương khẳng định lại kết luận ở Bước 2: quá trình không tự diễn biến và toàn bộ năng lượng đó phải do nguồn điện bên ngoài cung cấp.

Trong bình điện phân NaCl nóng chảy, natri lỏng sinh ra ở cực âm (nơi $\text{Na}^+$ tụ về) và khí chlorine thoát ra ở cực dương (nơi $\text{Cl}^-$ tụ về). Vì $E^\circ_{cell} = -4{,}07\ \text{V}$ và $\Delta G^\circ = +785\ \text{kJ}$ , phản ứng hoàn toàn không tự xảy ra; nguồn ngoài phải đặt vào ít nhất $4{,}07\ \text{V}$ thì quá trình mới được duy trì. Đây chính là điểm phân biệt bình điện phân với pin điện hóa (galvanic cell), nơi $E^\circ_{cell}$ dương và dòng điện được sinh ra chứ không phải được tiêu thụ.

2Ví dụ 2/2

Hai bình điện phân riêng biệt được dùng để mạ điện (electroplating) hai vật giống hệt nhau. Bình thứ nhất chứa dung dịch

\text{AgNO}_3

với nửa phản ứng

\text{Ag}^+(aq) + e^- \rightarrow \text{Ag}(s)

E^\circ = +0{,}80\ \text{V}

; bình thứ hai chứa dung dịch muối vàng(III) với nửa phản ứng

\text{Au}^{3+}(aq) + 3e^- \rightarrow \text{Au}(s)

E^\circ = +1{,}50\ \text{V}

. Mỗi bình được cho chạy dòng điện không đổi

1{,}50\ \text{A}

, và mục tiêu là phủ lên mỗi vật đúng

0{,}0100

mol kim loại. Cho

F = 96\,485\ \text{C/mol}\ e^-

aTính thời gian cần thiết để mạ $0{,}0100$ mol bạc lên vật thứ nhất.
bTính thời gian cần thiết cho vật thứ hai và lập tỉ số hai thời gian.
cGiải thích vì sao thế khử chuẩn lớn hơn của vàng không làm rút ngắn thời gian mạ.

1Bước 1: Hệ số electron trong nửa phản ứng quyết định mọi thứ. Mỗi ion

\text{Ag}^+

chỉ cần một electron, nên

0{,}0100

mol Ag đòi hỏi

0{,}0100

mol

e^-

. Ngược lại, mỗi ion

\text{Au}^{3+}

cần ba electron, nên

0{,}0100

mol Au đòi hỏi

3 \times 0{,}0100 = 0{,}0300

mol

e^-

2Bước 2: Đổi số mol electron sang điện lượng bằng hằng số Faraday (Faraday constant):

Q = n_{e^-}F

. Với bạc,

Q = (0{,}0100)(96\,485) = 965\ \text{C}

; với vàng,

Q = (0{,}0300)(96\,485) = 2894\ \text{C}

3Bước 3: Vì dòng điện không đổi, dùng

t = Q/I

. Bình bạc cần

t = 965/1{,}50 = 643\ \text{s}

, tức khoảng

10{,}7

phút. Bình vàng cần

t = 2894/1{,}50 = 1{,}93 \times 10^3\ \text{s}

, tức khoảng

32{,}2

phút.

4Bước 4: Tỉ số hai thời gian là

1930/643 = 3{,}00

, đúng bằng tỉ số số electron mỗi ion cần. Nói cách khác, với cùng số mol kim loại và cùng cường độ dòng, thời gian tỉ lệ thuận với điện tích của ion kim loại, nên bình vàng cần thời gian gấp ba lần bình bạc.

5Bước 5: Thế khử chuẩn chỉ cho biết ion nào dễ bị khử hơn và do đó bình nào cần hiệu điện thế đặt vào nhỏ hơn; nó hoàn toàn không xuất hiện trong các phép tính ở Bước 1 đến Bước 3. Tuy nhiên nhiều bạn vẫn kết luận nhầm rằng vàng mạ nhanh hơn vì

E^\circ

lớn hơn. Lượng chất bám lên điện cực chỉ do điện lượng đi qua và hệ số electron quyết định, chứ không do thế quyết định.

Vật thứ nhất cần khoảng $643$ giây để nhận $0{,}0100$ mol bạc, còn vật thứ hai cần khoảng $1{,}93 \times 10^3$ giây để nhận cùng số mol vàng, gấp đúng ba lần. Nguyên nhân nằm ở chỗ $\text{Au}^{3+}$ đòi hỏi ba electron cho mỗi nguyên tử kim loại còn $\text{Ag}^+$ chỉ đòi hỏi một; giá trị $E^\circ$ lớn hơn của vàng chỉ ảnh hưởng đến hiệu điện thế tối thiểu phải đặt vào bình, không ảnh hưởng đến thời gian mạ.

chất điện li (sắp có)

hằng số Faraday (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.