Điện phân là quá trình sử dụng dòng điện một chiều để thực hiện phản ứng oxi hóa – khử không tự xảy ra. Kiến thức này vừa giải thích cách điều chế kim loại, mạ điện, tinh luyện đồng, vừa xuất hiện trong nhiều bài toán về khối lượng chất bám ở điện cực, thể tích khí và thời gian điện phân.

Muốn giải bài chính xác, học sinh cần xác định đúng quá trình ở cathode, anode và quy đổi cường độ dòng điện thành số mol electron bằng định luật Faraday. Bài viết dưới đây hệ thống lý thuyết, công thức và quy trình giải các dạng thường gặp.

Điện phân là gì?

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

Trong bình điện phân:

• Cathode là điện cực âm, nơi xảy ra quá trình khử.
• Anode là điện cực dương, nơi xảy ra quá trình oxi hóa.
• Cation chuyển về cathode.
• Anion chuyển về anode.

Điểm này khác với pin điện hóa về dấu của điện cực, nhưng bản chất phản ứng không đổi: khử luôn xảy ra ở cathode và oxi hóa luôn xảy ra ở anode.

Học sinh có thể kết hợp chuyên đề với bảng tổng hợp công thức Hóa học 12 để ôn lại số mol, bảo toàn electron và dãy điện hóa.

Điện phân nóng chảy

Trong chất điện li nóng chảy chỉ có các ion của hợp chất, không có nước cạnh tranh tại điện cực. Vì vậy:

• Cation nhận electron ở cathode, thường tạo kim loại.
• Anion nhường electron ở anode, tạo phi kim hoặc sản phẩm oxi hóa tương ứng.

Ví dụ điện phân NaCl nóng chảy:

Cathode:

Na⁺ + e → Na

Anode:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

Phương trình tổng quát:

2NaCl → 2Na + Cl₂

Điện phân nóng chảy được dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ và aluminum vì ion của chúng khó bị khử trong dung dịch nước.

Điện phân dung dịch

Trong dung dịch, ngoài ion của chất điện li còn có nước. Vì thế phải xét khả năng phóng điện cạnh tranh của các tiểu phân.

Quá trình ở cathode

Tại cathode xảy ra sự khử. Các ion K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ và Al³⁺ thường không bị khử trong dung dịch; nước tạo H₂. Ion H⁺ và nhiều ion kim loại đứng sau Al có thể nhận electron. Nếu có nhiều cation, ion có tính oxi hóa mạnh hơn thường được ưu tiên trong điều kiện tương đương.

Phản ứng khử nước:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Phản ứng khử ion kim loại:

Mⁿ⁺ + ne → M

Quá trình ở anode trơ

Cl⁻, Br⁻ và I⁻ thường bị oxi hóa tạo halogen. NO₃⁻, SO₄²⁻ và F⁻ thường không phóng điện trong bài toán phổ thông; nước hoặc OH⁻ tạo O₂.

Ví dụ:

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e

4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e

Hoặc:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Anode tan

Nếu anode làm bằng kim loại có khả năng bị oxi hóa, chính điện cực có thể tan:

M → Mⁿ⁺ + ne

Hiện tượng này được ứng dụng trong tinh luyện kim loại và mạ điện. Do đó, trước khi viết bán phản ứng ở anode, phải kiểm tra điện cực là trơ hay hoạt động.

Định luật Faraday trong điện phân

Điện lượng đi qua bình điện phân:

Q = It

Trong đó:

• Q là điện lượng, đơn vị coulomb (C).
• I là cường độ dòng điện, đơn vị ampere (A).
• t là thời gian, đơn vị giây (s).

Số mol electron trao đổi:

ne = Q/F = It/F

Trong đó F là hằng số Faraday:

F ≈ 96.500 C/mol

Khối lượng chất tạo thành hoặc tiêu hao ở điện cực:

m = AIt/(nF)

Trong đó:

• m là khối lượng chất, đơn vị gam.
• A là khối lượng mol của chất.
• n là số electron trao đổi để tạo một mol chất.

Ví dụ, Cu²⁺ + 2e → Cu nên n = 2; Ag⁺ + e → Ag nên n = 1.

Xem thêm: 100 bài tập Hóa vô cơ và phương pháp giải

Quy trình giải bài tập điện phân và công thức Faraday

Bảng công thức điện phân cần nhớ

Điện phân dung dịch CuSO₄

Với điện cực trơ, cathode xảy ra Cu²⁺ + 2e → Cu; anode xảy ra 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e. Copper bám ở cathode, O₂ thoát ở anode và dung dịch acid hơn. Nếu anode bằng copper, anode tan theo Cu → Cu²⁺ + 2e; cathode tăng khối lượng, anode giảm và lượng Cu²⁺ gần như không đổi nếu chưa có phản ứng phụ.

Điện phân dung dịch NaCl

Với dung dịch NaCl đậm đặc và điện cực trơ, cathode tạo H₂ và OH⁻, còn anode tạo Cl₂. Khi các sản phẩm được ngăn cách, dung dịch phía cathode chứa NaOH. Kết quả thực tế còn phụ thuộc nồng độ, điện cực và điều kiện vận hành.

Phương pháp giải bài tập điện phân

1. Phân biệt điện phân nóng chảy hay dung dịch.
2. Kiểm tra anode trơ hay anode tan.
3. Viết các bán phản ứng theo thứ tự ưu tiên.
4. Đổi thời gian về giây và tính ne = It/F.
5. Phân phối electron cho kim loại hoặc khí; nếu có nhiều giai đoạn, trừ electron của giai đoạn trước.
6. Kiểm tra tổng electron cathode nhận bằng tổng electron anode nhường.

Nền tảng bảo toàn electron cũng được sử dụng rộng rãi trong bài tập Hóa vô cơ, đặc biệt ở phản ứng kim loại và oxi hóa – khử.

Xem thêm: 800 câu hỏi trắc nghiệm Hóa học 12 có đáp án

Các dạng bài tập điện phân thường gặp

Tính khối lượng kim loại bám ở cathode

Điện phân dung dịch CuSO₄ bằng dòng điện 5 A trong 1.930 giây. Giả sử hiệu suất 100% và Cu²⁺ chưa hết.

ne = It/F = 5 × 1.930/96.500 = 0,1 mol

Cu²⁺ + 2e → Cu

nCu = 0,1/2 = 0,05 mol

mCu = 0,05 × 64 = 3,2 g

Tính thời gian điện phân

Muốn thu được 10,8 g Ag với dòng điện 2 A:

nAg = 10,8/108 = 0,1 mol

Ag⁺ + e → Ag nên ne = 0,1 mol.

t = neF/I = 0,1 × 96.500/2 = 4.825 giây

Tính thể tích khí

Nếu 0,2 mol electron được dùng hoàn toàn để tạo O₂:

nO₂ = ne/4 = 0,05 mol

Thể tích khí được tính bằng nO₂ nhân thể tích mol ở điều kiện mà đề bài quy định. Không tự động dùng 22,4 lít/mol nếu đề sử dụng điều kiện khác.

Bài toán điện phân nhiều giai đoạn

Tính electron cần để phản ứng ưu tiên xảy ra hết. Electron dư tiếp tục dùng cho ion kế tiếp hoặc nước; xử lý tương tự ở anode.

Xem thêm: Tổng hợp kiến thức Hóa học 12 học kỳ 1

Những lỗi thường gặp

• Nhầm cathode là cực dương trong bình điện phân.
• Quên đổi phút hoặc giờ sang giây trước khi tính Q = It.
• Dùng sai số electron n trong công thức Faraday.
• Bỏ qua sự cạnh tranh của nước trong điện phân dung dịch.
• Không kiểm tra anode trơ hay anode tan.
• Cho rằng ion kim loại hoạt động mạnh luôn bám ở cathode trong dung dịch.
• Dùng tổng electron cho một sản phẩm dù điện phân đã chuyển giai đoạn.
• Tính thể tích khí bằng 22,4 lít/mol mà không xem điều kiện đề bài.
• Quên nhân hiệu suất dòng điện khi lượng sản phẩm thực tế nhỏ hơn lý thuyết.

Kết luận

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử cưỡng bức: cathode xảy ra khử và anode xảy ra oxi hóa. Công thức Faraday ne = It/F là cầu nối giữa dữ kiện dòng điện với số mol chất tạo thành hoặc tiêu hao tại điện cực.

Khi giải bài, học sinh nên viết bán phản ứng trước, tính tổng electron rồi phân phối theo từng giai đoạn. Việc kiểm tra môi trường nóng chảy hay dung dịch, loại điện cực và thứ tự phóng điện sẽ giúp tránh hầu hết sai lầm.

Câu hỏi thường gặp

Cathode trong bình điện phân là cực âm hay cực dương?

Cathode là cực âm, nhận electron từ nguồn điện và là nơi xảy ra quá trình khử.

Hằng số Faraday có giá trị bao nhiêu?

Trong bài tập phổ thông thường dùng F ≈ 96.500 C/mol electron. Một số đề có thể cho giá trị làm tròn khác và cần sử dụng đúng dữ kiện đề bài.

Vì sao sodium không bám ở cathode khi điện phân dung dịch NaCl?

Trong dung dịch nước, nước bị khử dễ hơn Na⁺ nên tạo H₂ và OH⁻. Muốn điều chế sodium kim loại phải điện phân NaCl nóng chảy.

Khi nào anode bị tan?

Anode kim loại có thể bị oxi hóa thành ion nếu vật liệu điện cực tham gia phản ứng. Với anode trơ, nước hoặc anion trong dung dịch thường bị oxi hóa.

Công thức m = AIt/(nF) áp dụng thế nào khi hiệu suất nhỏ hơn 100%?

Tính khối lượng lý thuyết theo công thức Faraday rồi nhân với hiệu suất dòng điện H/100 để thu được khối lượng thực tế.