Đang tải bài học…

AP Chemistry

điện phân

electrolysis

Còn gọi: sự điện phân

Điện phân là quá trình dùng dòng điện một chiều để thúc đẩy phản ứng oxi hóa–khử không tự phát xảy ra tại hai điện cực.

Điện phân (electrolysis) là quá trình dùng dòng điện một chiều để thúc đẩy một phản ứng hóa học không tự diễn biến. Khác với pin Galvani, nơi phản ứng oxi hóa–khử tự phát sinh ra dòng điện, quá trình điện phân cần nguồn điện ngoài cung cấp năng lượng để đẩy phản ứng theo chiều ngược lại. Vì vậy, đây chính là cách con người buộc những chất bền vững phải phân hủy thành nguyên tố hoặc hợp chất mong muốn.

Trong bình điện phân, hai thanh dẫn điện gọi là điện cực được nhúng vào chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Tại catot (cathode) — cực âm — các ion dương nhận điện tử và bị khử; ngược lại, tại anot (anode) — cực dương — các ion âm nhường điện tử và bị oxi hóa. Nhờ đó, dòng điện một chiều đóng vai trò bơm điện tử từ anot sang catot, duy trì cả hai nửa phản ứng diễn ra đồng thời. Tuy nhiên, nếu trong dung dịch có nhiều chất có thể bị oxi hóa hoặc khử, thì chất nào có thế điện cực thuận lợi hơn sẽ phản ứng ưu tiên.

Về mặt định lượng, định luật Faraday (Faraday's laws of electrolysis) cho phép tính khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực dựa trên lượng điện tích đi qua bình. Công thức cơ bản là:

$m = \frac{Q \cdot M}{n \cdot F}$

Trong đó $m$ là khối lượng chất thu được, $Q$ là tổng điện tích, $M$ là khối lượng mol, $n$ là số điện tử trao đổi trong nửa phản ứng, và $F \approx 96485$ C/mol là hằng số Faraday. Nhờ công thức này, ta có thể liên kết cường độ dòng điện và thời gian chạy với lượng sản phẩm thực tế tạo thành.

Ký hiệu

• $Q = I \cdot t$
• $F \approx 96485$ C/mol
• $m$ , $M$ , $n$

Đơn vịKhối lượng: gam (g); Điện tích: culong (C); Thời gian: giây (s); Cường độ dòng điện: ampe (A)

Trực giác: Hãy tưởng tượng dòng điện một chiều như một cỗ máy bơm cưỡng bức, ép nước chảy ngược từ nơi thấp lên nơi cao mà bình thường nước không tự chảy được — bơm electron vào cực âm để khử ion dương thành chất mới, và rút electron ở cực dương để oxi hóa ion âm thành chất mới.

Công thức

Q = I \cdot t

Dùng để tính điện lượng truyền qua bình điện phân khi biết cường độ dòng điện không đổi và thời gian điện phân.

Trong đó

Q

Điện lượng truyền qua bình điện phân — C

I

Cường độ dòng điện không đổi — A

t

Thời gian điện phân — s

Q = n_e \cdot F

Dùng để nối số mol electron trao đổi trong phản ứng oxi hóa – khử với điện lượng cần cung cấp.

Trong đó

Q

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1834Michael FaradayWilliam WhewellWilliam NicholsonAnthony Carlisle

Thuật ngữ "electrolysis" được Michael Faraday đưa vào năm 1834, theo gợi ý của William Whewell, để gọi tên hiện tượng dùng dòng điện tách các hợp chất thành những thành phần đơn giản hơn.

Hay hiểu sai

Trong bình điện phân, cực âm (cathode) không mang dấu âm theo nghĩa quen thuộc.

Điện phân không tự xảy ra; luôn có $E^\circ_{cell} < 0$ và $\Delta G^\circ > 0$ .

Không cộng thẳng số mol electron với số mol sản phẩm.

Giải thích nhiệt độ hóa lỏng của khí sản phẩm phải nói tới lực phân tán London.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh điện phân 200. mL dung dịch

\text{CuCl}_2

0.500 M bằng hai điện cực than chì trơ, dùng nguồn một chiều có cường độ không đổi trong 30.0 phút. Phản ứng tổng của quá trình là

\text{CuCl}_2(aq) \rightarrow \text{Cu}(s) + \text{Cl}_2(g)

. Sau khi ngắt điện, học sinh lấy điện cực có kim loại bám ra, rửa nhẹ bằng nước cất, sấy khô rồi cân, thấy khối lượng điện cực tăng thêm 1.27 g. Cho

F = 96485

C/mol e⁻ và

M(\text{Cu}) = 63.55

g/mol.

aViết bán phản ứng xảy ra ở mỗi điện cực và cho biết đồng bám vào điện cực nào.
bLập biểu thức và tính cường độ dòng điện đã dùng, theo đơn vị ampe.
cTính thể tích khí $\text{Cl}_2$ sinh ra, đo ở 25 °C và 1.00 atm.

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 nàyPhản ứng hóa học · bài “Phản ứng oxi hóa–khử (redox)” — khoá AP Chemistry

Cần trướcchất điện li (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

pin Galvani (galvanic cell)galvanic cell

Khác nhau ở đâuPin Galvani biến đổi năng lượng hoá học thành điện năng qua phản ứng oxi hóa–khử tự phát. Điện phân dùng điện năng từ nguồn ngoài để thúc đẩy phản ứng oxi hóa–khử không tự phát.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu xác định chiều dòng điện, dấu của điện cực (anot/catot), hoặc tính thế điện cực pin.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 20, 55, 359.

n_e

Số mol electron đã trao đổi — mol

F

Hằng số Faraday, xấp xỉ 96485 — C/mol

m = \htmlClass{fp-2}{\frac{\htmlClass{fp-0}{I \cdot t} \cdot M}{\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 của chất và số electron trao đổi.

Trong đó

m

Khối lượng chất thu được ở điện cực — g

I

Cường độ dòng điện không đổi — A

t

Thời gian điện phân — s

M

Khối lượng mol của chất bị điện phân — g/mol

n

Số electron trao đổi trên mỗi ion bị khử hoặc oxi hóa

F

Hằng số Faraday, xấp xỉ 96485 — C/mol

Ngay đầu thế kỷ 19, William Nicholson và Anthony Carlisle nối hai dây dẫn vào hai đầu pin Volta rồi nhúng vào nước, và thấy nước bị tách thành khí hydrogen với khí oxygen. Đó là bằng chứng cho thấy dòng điện có thể phá vỡ liên kết hóa học, dù lúc ấy chưa ai gọi tên hiện tượng này. Phải đến năm 1834, Faraday mới công bố hai định luật mô tả nó bằng ngôn ngữ định lượng, đồng thời dựng lên cả một hệ thuật ngữ mà đề thi ngày nay vẫn dùng nguyên vẹn. Về sau, phương pháp này trở thành công cụ tách nguyên tố tinh khiết: gallium năm 1875, fluorine và nhôm cùng năm 1886.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe lạ tai này thật ra là một từ ghép Hy Lạp do mục sư William Whewell, một nhà bác học người Anh, đặt giúp Faraday. Phần đầu "electro-" bắt nguồn từ ἤλεκτρον, nghĩa gốc là "hổ phách" — thứ nhựa cây hóa thạch mà từ thế kỷ 17 người ta đã gắn với các hiện tượng điện, vì cọ xát nó lên vải thì nó hút được vụn giấy. Phần sau, λύσις, nghĩa là "sự nới lỏng", "sự hòa tan". Ghép lại, từ này mô tả đúng bản chất quá trình: dùng điện để nới lỏng rồi bẻ gãy các liên kết đang giữ hợp chất lại với nhau. Cũng trong công trình năm 1834, Faraday đặt luôn những tên gọi đi kèm mà đến nay vẫn chưa đổi: điện cực (electrode), chất điện li (electrolyte), cực dương (anode), cực âm (cathode), cùng cặp anion và cation để chỉ hai loại ion di chuyển ngược chiều nhau trong dung dịch. Vì vậy, khi đọc một đề thi tiếng Anh về chủ đề này, phần lớn thuật ngữ bạn gặp đều là chữ của một người, viết ra trong cùng một năm.

Trong bài tự luận, luôn viết ra hai nửa phản ứng trước khi tính.

Câu hỏi "particle-level explanation" đòi ba ý, thiếu một ý là mất điểm.

Với câu trắc nghiệm chọn biểu thức, hãy kiểm tra đơn vị thay vì bấm máy.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: Trước hết phải tách phản ứng tổng thành hai nửa. Ion

\text{Cu}^{2+}

nhận electron nên bị khử, và theo quy ước thì sự khử luôn xảy ra ở cathode:

\text{Cu}^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu}(s)

. Ngược lại, ion

\text{Cl}^-

nhường electron nên bị oxi hóa ở anode:

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

. Vì kim loại đồng sinh ra từ quá trình khử, lớp đồng đỏ bám lên cathode, tức là điện cực nối với cực âm của nguồn điện; đây chính là điện cực có khối lượng tăng 1.27 g.

2Bước 2: Chuyển khối lượng đồng thành số mol rồi thành số mol electron. Ta có

n_{\text{Cu}} = \dfrac{1.27}{63.55} = 0.0200

mol. Bán phản ứng ở cathode cho biết mỗi nguyên tử đồng cần 2 electron, do đó

n_{e^-} = 2 \times 0.0200 = 0.0400

mol electron. Đây là bước bản lề: mọi bài toán định lượng về điện phân đều đi qua số mol electron.

3Bước 3: Nối số mol electron với điện lượng bằng hằng số Faraday (Faraday constant), rồi nối điện lượng với dòng điện bằng định nghĩa

Q = I\,t

. Ghép hai quan hệ lại ta được

I = \frac{n_{e^-} F}{t} = \frac{\left(\frac{1.27}{63.55}\right)(2)(96485)}{(30.0)(60)}.

Biểu thức này nói rằng cường độ dòng bằng tổng điện lượng đã chạy qua bình chia cho thời gian; tử số là điện lượng ứng với 0.0400 mol electron, còn mẫu số là 1800 s. Thay số:

I = \dfrac{3859}{1800} = 2.14

4Bước 4: Với khí clo, hãy quay lại bán phản ứng ở anode: cứ 2 mol electron thì tạo 1 mol

\text{Cl}_2

. Vì vậy

n_{\text{Cl}_2} = \dfrac{0.0400}{2} = 0.0200

mol, đúng bằng số mol đồng, phù hợp với hệ số 1 : 1 trong phương trình tổng. Áp dụng định luật khí lý tưởng (ideal gas law):

V = \frac{nRT}{P} = \frac{(0.0200)(0.08206)(298)}{1.00} = 0.489\ \text{L}.

Kết quả cho biết lượng khí clo thoát ra chiếm khoảng 489 mL ở điều kiện phòng.

Đồng bám ở cathode theo bán phản ứng $\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$ , còn khí clo thoát ra ở anode theo $2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e^-$ . Lượng 1.27 g đồng tương ứng 0.0400 mol electron đã đi qua mạch trong 1800 s, nên dòng điện học sinh dùng là $I = 2.14$ A. Cùng lượng electron đó giải phóng 0.0200 mol $\text{Cl}_2$ , tức 0.489 L khí ở 25 °C và 1.00 atm.

2Ví dụ 2/2

Nước tinh khiết dẫn điện rất kém, nên trong thí nghiệm điện phân nước người ta hòa tan một lượng nhỏ

\text{Na}_2\text{SO}_4

rồi cho dòng điện 1.50 A chạy qua trong 20.0 phút. Hai khí sinh ra được hứng vào hai ống nghiệm úp ngược trên mỗi điện cực, và người ta quan sát thấy thể tích khí ở một ống luôn gấp đôi thể tích khí ở ống còn lại. Sau thí nghiệm, hỗn hợp khí thoát ra được dẫn qua hệ thống làm lạnh để ngưng tụ, tránh phát tán vào không khí.

aViết bán phản ứng ở mỗi điện cực và giải thích vì sao thể tích hai khí lại theo tỉ lệ 2 : 1.
bTính thể tích mỗi khí thu được ở 0 °C và 1.00 atm.
cKhí nào ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn? Giải thích ở mức hạt.

1Bước 1: Trong dung dịch trung tính, ion

\text{Na}^+

và

\text{SO}_4^{2-}

đều rất khó bị khử hoặc oxi hóa, nên chính nước phản ứng ở cả hai điện cực. Ở cathode nước bị khử:

2\text{H}_2\text{O}(l) + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^-(aq)

. Ở anode nước bị oxi hóa:

2\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^+(aq) + 4e^-

. Muối chỉ đóng vai trò chất điện ly nền, giúp mạch kín mà không tham gia phản ứng.

2Bước 2: Tỉ lệ thể tích được quyết định bởi số electron. Cùng một dòng điện thì cùng một lượng electron đi qua hai điện cực, nhưng mỗi mol

\text{H}_2

chỉ cần 2 mol electron trong khi mỗi mol

\text{O}_2

cần tới 4 mol. Do đó số mol hydro sinh ra gấp đôi số mol oxi, và vì ở cùng nhiệt độ, áp suất thì thể tích tỉ lệ với số mol, ống hứng khí hydro luôn đầy gấp đôi ống hứng oxi. Kết quả này cũng khớp với phản ứng tổng

2\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g)

3Bước 3: Tính điện lượng rồi quy về số mol electron:

Q = I\,t = (1.50)(20.0 \times 60) = 1800

C, nên

n_{e^-} = \dfrac{1800}{96485} = 0.01866

mol. Từ đó

n_{\text{H}_2} = \dfrac{0.01866}{2} = 0.00933

mol và

n_{\text{O}_2} = \dfrac{0.01866}{4} = 0.00466

mol. Áp dụng

V = \dfrac{nRT}{P}

với

T = 273

K và

P = 1.00

atm, ta được

V_{\text{H}_2} = (0.00933)(0.08206)(273) = 0.209

L và

V_{\text{O}_2} = 0.105

L, đúng tỉ lệ 2 : 1 như quan sát.

4Bước 4: Câu hỏi về ngưng tụ thực chất là câu hỏi về lực liên phân tử. Cả

\text{H}_2

lẫn

\text{O}_2

đều là phân tử không cực và đối xứng, nên loại lực duy nhất giữa chúng là lực phân tán London (London dispersion forces). Độ mạnh của lực này tăng theo số electron và kích thước đám mây electron, tức là theo khả năng phân cực (polarizability): phân tử

\text{H}_2

chỉ có 2 electron, còn

\text{O}_2

có tới 16 electron. Vì vậy hút giữa các phân tử hydro yếu hơn hẳn, phải hạ nhiệt độ xuống thấp hơn nhiều thì chuyển động nhiệt mới đủ chậm để chúng dính lại thành chất lỏng.

Nước bị khử ở cathode tạo $\text{H}_2$ và bị oxi hóa ở anode tạo $\text{O}_2$ ; vì mỗi mol $\text{O}_2$ cần gấp đôi số electron so với mỗi mol $\text{H}_2$ nên thể tích hydro luôn gấp đôi thể tích oxi. Với 1800 C điện lượng, thí nghiệm thu được 0.209 L $\text{H}_2$ và 0.105 L $\text{O}_2$ ở 0 °C, 1.00 atm. Khi làm lạnh, $\text{H}_2$ là khí ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn vì phân tử ít electron, khả năng phân cực nhỏ nên lực phân tán giữa các phân tử yếu hơn của $\text{O}_2$ .

Liên quanphản ứng oxi hóa–khử nửa phản ứnghằng số Faraday (sắp có)

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