Câu hỏi mở đầu trang 78

Đề bài: Trong pin điện hoá, hoá năng được chuyển thành điện năng của dòng điện một chiều thông qua phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra. Ngược lại, trong bình điện phân, điện năng của dòng điện một chiều được sử dụng để thực hiện phản ứng oxi hoá – khử không tự xảy ra. Vậy, quá trình điện phân tuân theo nguyên tắc nào và có ứng dụng gì trong sản xuất?

Lời giải:

• Nguyên tắc điện phân: dùng dòng điện một chiều với hiệu điện thế đủ lớn đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li, gây ra phản ứng oxi hoá – khử tại các điện cực. Tại cathode xảy ra quá trình khử, tại anode xảy ra quá trình oxi hoá.
• Ứng dụng: sản xuất kim loại (Al, Na, Mg, Zn,…), tinh chế kim loại (Cu, Ag,…), mạ điện (mạ vàng, bạc, chromium,…), sản xuất nước Javel.

I. Hiện tượng điện phân

1. Khái niệm

Hoạt động trang 78 – Điện phân NaCl nóng chảy

Đề bài: Quá trình điện phân NaCl nóng chảy được tiến hành theo 2 bước:

• Bước 1: Nung NaCl đến nóng chảy.
• Bước 2: Nhúng hai điện cực than chì vào bình đựng NaCl nóng chảy rồi nối chúng với hai cực của nguồn điện một chiều. Ở điện cực dương có khí $\text{Cl}_2$ thoát ra, ở điện cực âm có Na được tạo thành.

1. Viết phương trình phân li của NaCl ở bước 1.

2. Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực.

3. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân.

Lời giải:

1. Phương trình phân li:

$$\text{NaCl} \longrightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$$

2. Quá trình xảy ra ở mỗi điện cực:

• Anode (cực dương): ion $\text{Cl}^-$ bị oxi hoá (nhường electron):

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}$$

• Cathode (cực âm): ion $\text{Na}^+$ bị khử (nhận electron):

$$\text{Na}^+ + 1\text{e} \longrightarrow \text{Na}$$

3. Phương trình điện phân:

$$2\text{NaCl} \xrightarrow{\text{đpnc}} 2\text{Na} + \text{Cl}_2\uparrow$$

Câu 1 trang 79

Đề bài: Xét thí nghiệm điện phân dung dịch (đpdd) $\text{CuCl}_2$ với điện cực trơ (than chì). Anode (+) có $\text{Cl}^-$; Cathode (–) có $\text{Cu}^{2+}$. Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cực và viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân.

Lời giải:

• Anode (+): ion $\text{Cl}^-$ bị oxi hoá:

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}$$

• Cathode (–): ion $\text{Cu}^{2+}$ bị khử thành Cu bám trên điện cực:

$$\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$$

• Phương trình điện phân:

$$\text{CuCl}_2 \xrightarrow{\text{đpdd}} \text{Cu} + \text{Cl}_2\uparrow$$

2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

Thí nghiệm trang 80 – Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$

Đề bài: Điện phân dung dịch $\text{CuSO}_4$ 0,5 M với điện cực than chì. Quan sát hiện tượng và giải thích.

Lời giải:

Hiện tượng:

• Ở anode (+): có khí không màu thoát ra ($\text{O}_2$).
• Ở cathode (–): có lớp kim loại màu đỏ bám vào điện cực (Cu).

Giải thích:

• Trong dung dịch có các ion $\text{Cu}^{2+}$, $\text{SO}_4^{2-}$ và $\text{H}_2\text{O}$.
• Tại anode: $\text{H}_2\text{O}$ dễ bị oxi hoá hơn $\text{SO}_4^{2-}$ nên $\text{H}_2\text{O}$ bị oxi hoá trước, tạo ra khí $\text{O}_2$:

$$2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{O}_2\uparrow + 4\text{H}^+ + 4\text{e}$$

• Tại cathode: ion $\text{Cu}^{2+}$ dễ bị khử hơn $\text{H}_2\text{O}$ nên $\text{Cu}^{2+}$ bị khử trước, tạo Cu bám trên cathode:

$$\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$$

Hoạt động trang 80 – Điện phân dung dịch NaCl

Đề bài: Điện phân dung dịch NaCl bão hoà với điện cực trơ (graphite). Anode (+) có $\text{Cl}^-$, $\text{H}_2\text{O}$; Cathode (–) có $\text{Na}^+$, $\text{H}_2\text{O}$.

a) Viết quá trình oxi hoá, quá trình khử ở mỗi điện cực, biết sản phẩm của quá trình điện phân có khí $\text{Cl}_2$ và $\text{H}_2$.

b) Viết phương trình hoá học của phản ứng điện phân.

c) Trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau sẽ xảy ra phản ứng hoá học nào?

Lời giải:

a) Quá trình xảy ra ở mỗi điện cực:

• Anode (+) – quá trình oxi hoá: $\text{Cl}^-$ bị oxi hoá trước $\text{H}_2\text{O}$:

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}$$

• Cathode (–) – quá trình khử: $\text{Na}^+$ không bị khử (do $\text{Na}^+$ khó bị khử hơn $\text{H}_2\text{O}$), nên $\text{H}_2\text{O}$ bị khử tạo $\text{H}_2$:

$$2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \longrightarrow \text{H}_2\uparrow + 2\text{OH}^-$$

b) Phương trình điện phân:

$$2\text{NaCl} + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{đpdd}} 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow + \text{Cl}_2\uparrow$$

c) Khi $\text{Cl}_2$ (ở anode) và NaOH (ở cathode) khuếch tán vào nhau, xảy ra phản ứng:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

→ Dung dịch tạo thành chứa NaCl và NaClO chính là nước Javel.

Thí nghiệm trang 81 – Điện phân dung dịch NaCl (tự điều chế nước Javel)

Đề bài: Điện phân dung dịch NaCl bão hoà (khoảng 80 mL) trong khoảng 5 phút. Sau đó cho cánh hoa màu hồng vào 5 mL dung dịch sau điện phân.

1. Giải thích hiện tượng ở mỗi điện cực.

2. Giải thích khả năng tẩy màu của dung dịch sau điện phân.

3. Tại sao nên dùng nắp đậy trong quá trình điện phân?

Lời giải:

1. Hiện tượng ở mỗi điện cực:

• Anode (+): có khí màu vàng lục, mùi hắc thoát ra ($\text{Cl}_2$), do:

$$2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2\uparrow + 2\text{e}$$

• Cathode (–): có khí không màu thoát ra ($\text{H}_2$), do:

$$2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \longrightarrow \text{H}_2\uparrow + 2\text{OH}^-$$

2. Khả năng tẩy màu:

Khí $\text{Cl}_2$ ở anode tác dụng với NaOH (tạo ra ở cathode) sinh ra NaClO – chất có tính oxi hoá mạnh:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

→ NaClO oxi hoá các chất tạo màu trong cánh hoa → cánh hoa bị mất màu.

3. Nên dùng nắp đậy vì:

• Khí $\text{Cl}_2$ rất độc → tránh thoát ra ngoài gây hại cho người và môi trường.
• Giữ $\text{Cl}_2$ trong bình để phản ứng với NaOH tạo ra nước Javel (tăng hiệu quả điện phân).

II. Ứng dụng của phương pháp điện phân

Câu 2 trang 84

Đề bài:

a) Liệt kê một số đồ vật được mạ kim loại và nêu tác dụng của việc mạ đó.

b) Kể tên một số kim loại được sản xuất bằng phương pháp điện phân.

Lời giải:

a) Một số đồ vật được mạ kim loại:

b) Một số kim loại được sản xuất bằng phương pháp điện phân:

• Điện phân nóng chảy (kim loại hoạt động mạnh): Na, K, Mg, Ca, Al.
• Điện phân dung dịch (kim loại trung bình và yếu): Zn, Cu, Ni,…

III. Em có thể

Vận dụng kiến thức điện phân để giải thích các quá trình sản xuất

Lời giải:

1. Sản xuất nhôm (Al):

• Điện phân nóng chảy $\text{Al}_2\text{O}_3$ (trộn với cryolite để hạ nhiệt độ nóng chảy).
• Tại cathode: $\text{Al}^{3+} + 3\text{e} \longrightarrow \text{Al}$ (thu Al lỏng).
• Tại anode: $2\text{O}^{2-} \longrightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}$.

2. Tinh chế đồng (Cu):

• Anode làm bằng đồng thô, cathode là đồng tinh khiết, dung dịch điện phân là $\text{CuSO}_4$.
• Cu ở anode bị hoà tan: $\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}$.
• $\text{Cu}^{2+}$ về cathode bị khử: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$ → thu được đồng tinh khiết bám ở cathode.

3. Mạ điện (ví dụ mạ đồng lên chìa khoá):

• Anode là thanh đồng, cathode là chìa khoá, dung dịch điện phân là $\text{CuSO}_4$.
• Cu ở anode tan ra thành $\text{Cu}^{2+}$, sau đó $\text{Cu}^{2+}$ bị khử tại cathode, tạo lớp Cu bám trên chìa khoá.
• Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thời gian mạ.

Nguyên tắc sản xuất nước Javel bằng phương pháp điện phân

Lời giải:

• Nguyên liệu: dung dịch NaCl bão hoà.
• Cách tiến hành: điện phân dung dịch NaCl bão hoà không có màng ngăn, để sản phẩm ở hai điện cực khuếch tán vào nhau.
• Các quá trình:
  • Anode: $2\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}$.
  • Cathode: $2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e} \longrightarrow \text{H}_2 + 2\text{OH}^-$.
  • $\text{Cl}_2$ tác dụng với NaOH: $\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \longrightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$.
• Sản phẩm thu được: dung dịch chứa NaCl và NaClO – chính là nước Javel, có tính oxi hoá mạnh, dùng để tẩy trắng và sát khuẩn.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ