17.7: Điện phân
- Page ID
- 217879
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Đến cuối phần này, bạn sẽ có thể:
- Mô tả quá trình điện phân
- So sánh hoạt động của tế bào điện phân với hoạt động của tế bào điện
- Thực hiện các phép tính phân tích cho các quá trình điện phân
Tế bào điện hóa trong đó các phản ứng oxy hóa khử tự phát diễn ra (tế bào điện) đã là chủ đề được thảo luận cho đến nay trong chương này. Trong các tế bào này, công việc điện được thực hiện bởi một hệ thống oxy hóa khử trên môi trường xung quanh nó khi các điện tử được tạo ra bởi phản ứng oxy hóa khử được chuyển qua một mạch bên ngoài. Phần cuối cùng của chương này sẽ đề cập đến một kịch bản thay thế trong đó một mạch bên ngoài hoạt động trên hệ thống oxy hóa khử bằng cách áp đặt một điện áp đủ để thúc đẩy một phản ứng không tự phát khác, một quá trình được gọi là điện phân. Một ví dụ quen thuộc về điện phân là sạc lại pin, bao gồm việc sử dụng nguồn điện bên ngoài để điều khiển phản ứng tế bào tự phát (phóng điện) theo hướng ngược lại, khôi phục ở một mức độ nào đó thành phần của nửa tế bào và điện áp của pin. Có lẽ ít quen thuộc hơn là việc sử dụng điện phân trong tinh chế quặng kim loại, sản xuất hóa chất hàng hóa và mạ điện lớp phủ kim loại trên các sản phẩm khác nhau (ví dụ: đồ trang sức, đồ dùng, phụ tùng ô tô). Để minh họa các khái niệm thiết yếu của điện phân, một vài quy trình cụ thể sẽ được xem xét.
Sự điện phân của Natri Clorua nóng chảy
Natri kim loại, Na và khí clo, Cl 2, được sử dụng trong nhiều ứng dụng, và sản xuất công nghiệp của chúng dựa trên quá trình điện phân quy mô lớn của natri clorua nóng chảy, NaCl (l). Quy trình công nghiệp thường sử dụng ô Downs tương tự như hình minh họa đơn giản hóa được hiển thị trong Hình\(\PageIndex{1}\). Các phản ứng liên quan đến quá trình này là:
\ [\ begin {aligned}\ text {oxi hóa:} &&\ quad\ ce {2Cl^ {-} (l)} &\ longrightarrow &\ ce {Cl} _2 (g) +2\ ce {e} ^ {-}\\ text {reduction:} &&\ quad
\ ce {Na^ {+} (l) + e^ {-}} & longrightarright row &\ ce {Na} (l)\\\ hline\ text {cell:} &&\ quad\ ce {2Cl^ {-} (l) + 2Na^ {+} (l)} &\ longrightarrow &\ mathrm {Cl} _2 (g)\ end {aligned}\notag\]
Điện thế tế bào cho quá trình trên là âm tính, cho thấy phản ứng như đã viết (phân hủy NaCl lỏng) không phải là tự phát. Để tạo ra phản ứng này, một thế năng dương có độ lớn lớn hơn điện thế tế bào âm phải được áp dụng cho tế bào.
Sự điện phân của nước
Nước có thể bị phân hủy điện phân trong một tế bào tương tự như tế bào được minh họa trong Hình. \(\PageIndex{2}\) Để cải thiện độ dẫn điện mà không đưa vào một loại oxy hóa khử khác, nồng độ ion hydro của nước thường được tăng lên bằng cách bổ sung một axit mạnh. Các quá trình oxy hóa khử liên quan đến tế bào này là
\ [\ begin {aligned}\ text {oxi hóa:} &&\ quad\ ce {2H_ {2} O (l)} &\ longrightarrow &\ ce {O} _2 (g) +4\ ce {H} ^ {+} (aq) +4\ ce {e} ^ {-} &&e^o_ {anode} = +1.299\, {text}\\ [4pt]\ text {reduction:} &&\ quad 2\ ce {H ^ {+} (aq)} + 2
\ ce {e^ {-}} &\ longrightarrow &\ ce {H2} (g) &&
e^o_ {anode} = 0\,\ text {V}\ quad\\ hline\ text {cell:} && quad\ ce {2H_ {2} O (l)} &\ longrightarrow & 2\ ce {H2} (g) +
\ ce {O2} (g) &&\ quad\ quad e^o_ {cell} = -1.299\,\ text {V}\ end {aligned}\notag \]
Một lần nữa, điện thế tế bào như được viết là âm, cho thấy phản ứng tế bào không tự phát phải được điều khiển bằng cách áp đặt điện áp tế bào lớn hơn +1,229 V. Hãy nhớ rằng điện thế điện cực tiêu chuẩn được sử dụng để thông báo các dự đoán nhiệt động lực học ở đây, mặc dù tế bào không hoạt động trong điều kiện trạng thái tiêu chuẩn. Do đó, tốt nhất, các điện thế tế bào được tính toán nên được coi là ước tính sân bóng.
Sự điện phân của Natri Clorua trong nước
Khi dung dịch nước của các hợp chất ion bị điện phân, các nửa phản ứng cực dương và cực âm có thể liên quan đến sự điện phân của một trong hai loại nước (H 2 O, H +, OH -) hoặc các loại chất tan (cation và anion của hợp chất). Ví dụ, quá trình điện phân natri clorua trong nước có thể liên quan đến một trong hai phản ứng cực dương sau:
\[\ce{2 Cl^{-}(aq) -> Cl2(g) + 2 e^{-}} \quad E_{\text {anode}}^{\circ}=+1.35827\,\text{V} \tag{i} \]
hoặc là
\[\ce{2 H2O(l) -> O2(g) + 4 H^{+}(aq) + 4 e^{-}} \quad E_{\text {anode }}^{\circ}=+1.229\,\text{V} \tag{ii} \]
Điện thế điện cực tiêu chuẩn (khử) của hai nửa phản ứng này cho thấy nước có thể bị oxy hóa ở điện thế ít âm/dương hơn (—1,229 V) so với ion clorua (—1,358 V). Do đó, nhiệt động lực học dự đoán rằng nước sẽ dễ bị oxy hóa hơn, mặc dù trong thực tế, người ta quan sát thấy rằng cả nước và ion clorua đều bị oxy hóa trong các điều kiện điển hình, tạo ra hỗn hợp oxy và khí clo.
Chuyển sự chú ý đến cực âm, khả năng giảm là:
\[\ce{2 H^{+}(aq) +2 e^{-} -> H2(g)} \quad E_{\text {anode}}^{\circ}=0\,\text{V} \tag{iii} \]
hoặc là
\[\ce{2 H2O(l) +2 e^{-} -> H2(g) + 4 OH^{-}(aq)} \quad E_{\text {anode }}^{\circ}=-0.8277\,\text{V} \tag{iv} \]
hoặc là
\[\ce{Na^{+}(aq) + e^{-} -> Na(s)} \quad E_{\text {anode }}^{\circ}=-2.71\,\text{V} \tag{v} \]
So sánh các thế nửa phản ứng tiêu chuẩn này cho thấy sự khử ion hydro được ưu tiên về mặt nhiệt động lực học. Tuy nhiên, trong dung dịch natri clorua trung tính, nồng độ ion hydro thấp hơn nhiều so với giá trị trạng thái chuẩn là 1 M (xấp xỉ 10 -7 M), và do đó phản ứng catốt quan sát được thực sự là khử nước. Phản ứng tế bào ròng trong trường hợp này là
\[\ce{ 2 H2O(l) + 2 Cl^{-}(aq) -> H2(g) + Cl2(g) +2 OH^{-}(aq)} \quad E_{\text {cell }}^{\circ}=-2.186\,\text{V} \nonumber \]
Phản ứng điện phân này là một phần của quá trình clo-kiềm được sử dụng bởi ngành công nghiệp để sản xuất clo và natri hydroxit (dung dịch kiềm).
Một công dụng quan trọng cho các tế bào điện phân là trong mạ điện. Mạ điện dẫn đến một lớp phủ mỏng của một kim loại trên bề mặt dẫn điện. Lý do mạ điện bao gồm làm cho vật thể chống ăn mòn hơn, tăng cường bề mặt, tạo ra lớp hoàn thiện hấp dẫn hơn hoặc để làm sạch kim loại. Các kim loại thường được sử dụng trong mạ điện bao gồm cadmium, crom, đồng, vàng, niken, bạc và thiếc. Các sản phẩm tiêu dùng phổ biến bao gồm bộ đồ ăn mạ bạc hoặc mạ vàng, phụ tùng ô tô mạ crôm và đồ trang sức. Việc mạ bạc của dụng cụ ăn uống được sử dụng ở đây để minh họa quá trình. (Hình\(\PageIndex{3}\)).
Trong hình, cực dương bao gồm một điện cực bạc, hiển thị ở bên trái. Cực âm nằm ở bên phải và là cái muỗng, được làm từ kim loại rẻ tiền. Cả hai điện cực được ngâm trong dung dịch bạc nitrat. Áp dụng một tiềm năng đủ dẫn đến quá trình oxy hóa cực dương bạc
\[\ce{Ag(s) -> Ag^{+}(aq) + e^{-}} \tag{anode} \]
và khử ion bạc ở cực âm (muỗng):
\[\ce{Ag^{+}(aq) + e^{-} -> Ag(s)} \tag{cathode} \]
Kết quả ròng là việc chuyển kim loại bạc từ cực dương sang cực âm. Một số yếu tố thí nghiệm phải được kiểm soát cẩn thận để có được lớp phủ bạc chất lượng cao, bao gồm thành phần chính xác của dung dịch điện phân, điện áp tế bào được áp dụng và tốc độ phản ứng điện phân (dòng điện).
Các khía cạnh định lượng của điện phân
Dòng điện được định nghĩa là tốc độ dòng chảy của bất kỳ loài tích điện nào. Liên quan nhất đến cuộc thảo luận này là dòng electron. Dòng điện được đo bằng một đơn vị tổng hợp gọi là ampe, được định nghĩa là một coulomb mỗi giây (A = 1 C/s). Điện tích được truyền, Q, bằng cách truyền một dòng điện không đổi, I, trong một khoảng thời gian xác định, t, sau đó được cho bởi tích toán học đơn giản
\[Q=I t \nonumber \]
Khi các điện tử được chuyển trong quá trình oxy hóa khử, phép đo phân vị của phản ứng có thể được sử dụng để tính tổng lượng điện tích (điện tử) liên quan. Ví dụ, quy trình giảm chung
\[\ce{M^{n+}(aq) + n\,e^{-} -> M(s)} \nonumber \]
liên quan đến việc chuyển số \(n\) mol electron. Do đó, tổng số phí được chuyển là
\[Q=n F \nonumber \]
Hằng số Faraday ở đâu\(F\), điện tích tính bằng coulombs cho một mol electron. Nếu phản ứng diễn ra trong một tế bào điện hóa, dòng điện được đo thuận tiện và nó có thể được sử dụng để hỗ trợ tính toán phân tích liên quan đến phản ứng tế bào.
Trong một quy trình được sử dụng để mạ điện bạc, dòng điện 10,23 A đã được truyền qua một tế bào điện phân trong đúng 1 giờ. Có bao nhiêu mol electron đi qua tế bào? Khối lượng bạc nào được lắng đọng ở cực âm từ dung dịch bạc nitrat?
Giải pháp
Hằng số Faraday có thể được sử dụng để chuyển đổi điện tích (Q) thành mol electron (n). Điện tích là dòng điện (I) nhân với thời gian
\[n=\frac{Q}{F}=\frac{\frac{10.23 C }{ s } \times 1 hr \times \frac{60 min }{ hr } \times \frac{60 s }{\min }}{96,485 C / mol e^{-}}=\frac{36,830 C }{96,485 C / mol e^{-}}=0.3817 mol \textrm {e }^ { - } \nonumber \]
Từ bài toán, dung dịch chứa AgNO 3, do đó phản ứng ở cực âm liên quan đến 1 mol electron cho mỗi mol bạc
\[\ce{Ag^{+}(aq) + e^{-} -> Ag(s)} \tag{cathode} \]
Khối lượng nguyên tử của bạc là 107,9 g/mol, vì vậy
\[\text{mass}\, Ag =0.3817\,\text{mol e}^{-} \times \dfrac{1\, \text{mol}\,\ce{Ag}}{1\,\text{mol}\,\ce{e}^{-}} \times \frac{107.9\,\text{g}\,\ce{Ag}}{1\,\text{mol}\,\ce{Ag}}=41.19\,\text{g}\,\ce{Ag} \nonumber \]
Kim loại nhôm có thể được làm từ các ion nhôm (III) bằng cách điện phân. Nửa phản ứng ở cực âm là gì? Khối lượng kim loại nhôm nào sẽ được thu hồi nếu dòng điện 25,0 A đi qua dung dịch trong 15,0 phút?
- Câu trả lời
-
\[Al^{3+}(aq) +3 e^{-} \longrightarrow Al (s) \nonumber \]
0,0777 mol Al = 2,10 g Al.
Trong một ứng dụng, một lớp crom 0,010 mm phải được lắng đọng trên một bộ phận có tổng diện tích bề mặt là 3,3 m 2 từ dung dịch chứa các ion crom (III). Sẽ mất bao lâu để lắng đọng lớp crom nếu dòng điện là 33,46 A? Mật độ của crom (kim loại) là 7,19 g/cm3.
Giải pháp
Đầu tiên, tính khối lượng crom phải được sản xuất (bằng tích của diện tích bề mặt và độ dày):
\[\text { volume }=\left(0.010 mm \times \frac{1 cm }{10 mm }\right) \times\left(3.3 m^2 \times\left(\frac{10,000 cm^2}{1 m^2}\right)\right)=33 cm^3 \nonumber \]
Sử dụng thể tích tính toán và mật độ được cung cấp để tính lượng mol crom cần thiết:
\[\text { mass }=\text { volume } \times \text { density }=33 cm^3 \times \frac{7.19 g }{ cm^3}=237 g Cr \nonumber \]
\[mol Cr =237 g Cr \times \frac{1 mol Cr }{52.00 g Cr }=4.56 mol Cr \nonumber \]
Phép đo phân vị của quá trình khử crom (III) yêu cầu ba mol electron cho mỗi mol crom (0) được tạo ra, và do đó tổng điện tích cần thiết là:
\[Q=4.56 mol Cr \times \frac{3 mol e^{-}}{1 mol Cr } \times \frac{96485 C }{ mol e^{-}}=1.32 \times 10^6 C \nonumber \]
Cuối cùng, nếu khoản phí này được chuyển với tốc độ 33,46 C/s, thời gian cần thiết là:
\[t=\frac{Q}{I}=\frac{1.32 \times 10^6 C }{33.46 C / s }=3.95 \times 10^4 s =11.0 hr \nonumber \]
Khối lượng kẽm cần thiết để mạ kẽm trên cùng của một tấm sắt 3,00 m 5,50 m đến độ dày 0,100 mm kẽm? Nếu kẽm đến từ dung dịch Zn (NO 3) 2 và dòng điện là 25,5 A, thì sẽ mất bao lâu để mạ kẽm mặt trên của bàn ủi? Mật độ của kẽm là 7,140 g/cm3.
- Câu trả lời
-
11,8 kg Zn cần 382 giờ.