Chương III Hóa học đại cương : điện phân và ứng dụng

Giao trinh Hoa hoc Môi trư�ng HH 79 Phương trình Nernst tính thế điện cực ở 25oC (2 10a) n n o n Me Me Me Me 0, 059 lgMe n + + +ϕ = ϕ +  n o 1 1Me Me 0, 059 lg C n +ϕ = ϕ + và n o 2 2Me Me 0, 059 lg C n +ϕ = ϕ + Do 1 2 1 2 1 ( ) 2 ( ) C àC v+ −>  ϕ > ϕ ⇔ ϕ = ϕ ϕ = ϕ , nên n n o o 1 pin ( ) ( ) 1 2Me Me Me Me 2 0, 059 0, 059 0, 059 C E lg C lg C lg n n n C + ++ −= ϕ − ϕ = ϕ + − ϕ + = 3 3 ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIỆN PHÂN 3 3 1 Hiện tượng điện phân Khái niệm hiện tượng điện.

Phương trình Nernst tính thế điện cực ở 25C (2.10a):

0, 059 lg[Me ] n

o

0, 059

lg C n +

o

0, 059

lg C n +

DoC1>C2ϕ > ϕ ⇔ ϕ = ϕ1 2 1 ( )+ vàϕ = ϕ2 ( )− , nên:

2

3.3 ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIỆN PHÂN

3.3.1 Hiện tượng điện phân

Khái niệm hiện tượng điện phân có thể được làm rõ qua một vài thí nghiệm cụ thể sau:

3.3.1.1 Ví dụ 1 – Xét quá trình thí nghiệm với muối NaCl nóng chảy

Nhúng hai điện cực trơ bằng Platin (Pt) vào trong thiết bị chứa muối NaCl nóng chảy hai Hai điện cực Platin được nối với các cực dương và âm của nguồn điện một chiều như được mô tả trong hình 3.4 dưới đây Để tránh hiện tượng sản phẩm của thí nghiệm phản ứng với nhau, hai điện cực Pt được phân cách với nhau bởi màng ngăn xốp

1 Thiết bị chứa muối NaCl nóng chảy (bình điện phân);

2 Catot trơ (Platin);

3 Anot trơ (Platin);

4 Nguồn điện một chiều có điện áp

đủ lớn;

5 Khóa K

6 Màng ngăn xốp;

7 Không gian Catot;

8 Không gian Anot

Hình 3.4 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm điện phân nóng chảy muối NaCl

với điện cực trơ (Pt) và có màng ngăn xốp

Khi khóa K chưa đóng, trong thiết bị chứa NaCl ở trạng thái nóng chảy Trong khối NaCl dạng lỏng, do NaCl là hợp chất liên kết ion, nên NaCl điện ly theo phản ứng sau:

tonc

Khi khóa K được đóng, dưới tác dụng của lực điện trường, các ion chuyển dịch về phía các điện cực trái dấu Tại cực âm của nguồn điện, các ion Na+ tiến về Do Pt là kim loại trơ, nên tại điện cực âm

Pt xảy ra quá trình phóng điện của Na+ theo phản ứng khử sau: Na+ + 1e → Na và bám vào

80 * HH

bề mặt tấm Pt

Tại cực dương của nguồn điện, các ion Cl− tiến về Do Pt là kim loại trơ, nên tại điện cực âm Pt xảy ra quá trình phóng điện của Cl− theo phản ứng oxi hóa sau:

Các nguyên tử Clo (Cl) tạo thành phân tử Clo (Cl2), theo phản ứng:

2

Phân tử Cl2 hấp phụ trên bề mặt Pt, rồi kết hợp tạo thành các bọt khí lớn và thoát ra khỏi điện cực

Vậy, từ nguyên liệu ban đầu là muối NaCl nóng chảy trong thiết bị, dưới tác dụng của dòng điện

1 chiều có điện áp đủ lớn (với điện cực trơ là Pt) đã xảy ra các phản ứng khử (tại cực âm của nguồn điện – được gọi là Catot) và phản ứng oxi hóa (tại cực dương của nguồn điện – được gọi là Anot) để tạo thành các sản phẩm là Natri kim loại và khí Clo Quá trình này được gọi là quá trình điện phân nóng chảy NaCl với điện cực trơ và có màng ngăn1)

Phản ứng tổng cộng của quá trình điện phân này được mô tả như sau:

đpnc

3.3.1.2 Ví dụ 2 – Xét quá trình thí nghiệm với dung dịch NaCl trong nước

Nhúng hai điện cực trơ bằng Platin (Pt) vào trong thiết bị chứa dung dịch NaCl trong nước Hai điện cực Pt được nối với các cực dương và âm của nguồn điện một chiều như được mô tả trong hình 3.5 dưới đây Để tránh hiện tượng sản phẩm của thí nghiệm phản ứng với nhau, hai điện cực Pt được phân cách với nhau bởi màng ngăn xốp

1 Thiết bị chứa muối dung dịch NaCl trong nước (bình điện phân);

2 Catot trơ (Platin);

3 Anot trơ (Platin);

4 Nguồn điện một chiều có điện áp

đủ lớn;

5 Khóa K

6 Màng ngăn xốp;

7 Không gian Catot;

8 Không gian Anot

Hình 3.5 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch NaCl trong nước

với điện cực trơ (Pt) và có màng ngăn xốp

1) Màng ngăn xốp có tác dụng ngăn bình điện phân thành hai không gian riêng biệt (Catot và Anot), không cho sản phẩm quá trình điện phân phản ứng trở lại với nhau, nhưng vẫn cho các ion chuyển động về phía các cực trái dấu

Trong thiết bị chứa dung dịch NaCl, xảy ra các quá trình điện ly sau:

2

+

⇌

Khi khóa K được đóng, dưới tác dụng của lực điện trường, các ion chuyển dịch về phía các điện cực trái dấu Tại cực âm của nguồn điện, có các ion Na+ và H+ tiến về Do Pt là kim loại trơ, đồng thời, tính oxi hóa của H+ (của H2O) mạnh hơn Na+ nên tại điện cực âm Pt xảy ra quá trình phóng điện của

H+ theo phản ứng khử sau: H+ + 1e → H

Các nguyên tử H sẽ phản ứng với nhau tạo thành phân tử khí H2 và hấp phụ vào bề mặt tấm Pt, chúng kết hợp với nhau tạo thành bọt khí Hiđro

Tại cực dương của nguồn điện, các ion Cl− và OH− (của H2O) tiến về Do Pt là kim loại trơ, đồng thời tính khử của Cl− mạnh hơn của OH− nên tại điện cực âm Pt xảy ra quá trình phóng điện của Cl− theo phản ứng oxi hóa sau: Cl− − 1e → Cl

Các nguyên tử Clo (Cl) tạo thành phân tử Clo (Cl2), theo phản ứng: Cl + Cl → Cl2 Phân tử Cl2 hấp phụ trên bề mặt Pt, rồi kết hợp tạo thành các bọt khí lớn và thoát ra khỏi điện cực

Vậy, từ nguyên liệu ban đầu là dung dịch muối NaCl trong nước, dưới tác dụng của dòng điện 1 chiều có điện áp đủ lớn (với điện cực trơ là Pt) đã xảy ra các phản ứng khử H+ và phản ứng oxi hóa Cl−

để tạo thành các sản phẩm là khí Hiđro và khí Clo Quá trình này được gọi là quá trình điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ và có màng ngăn1)

Phản ứng tổng cộng của quá trình điện phân này được mô tả như sau:

đp đ/c Pt;

dd

3.3.1.3 Khái niệm hiện tượng điện phân

Qua hai ví dụ, có thể thấy rằng: Điện phân là hiện tượng xảy ra các phản ứng oxi hóa và khử trên

bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện ly nóng chảy hoặc dung dịch chất điện ly (gọi chung là dung dịch điện phân)

3.3.2 Định luật Faraday về điện phân

3.3.2.1 Định luật I

Khi nghiên cứu về quá trình điện phân với cùng một chất điện phân, nhà hóa học và vật lý học người Anh - Michael Faraday (1791 – 1867), nhận thấy có mối quan hệ giữa khối lượng chất biến đổi

ở điện cực với cường độ dòng điện khi điện phân và thời gian điện phân Nhận xét này được phát biểu thành định luật Faraday I và được phát biểu như sau:

Khối lượng chất biến đổi ở điện cực tỷ lệ với lượng điện qua chất điện ly trong thời gian

1) Màng ngăn xốp có tác dụng ngăn bình điện phân thành hai không gian riêng biệt (Catot và Anot), không cho sản phẩm quá trình điện phân phản ứng trở lại với nhau, nhưng vẫn cho các ion chuyển động về phía các cực trái dấu

82 * HH

điện phân

Biểu thức: m= ⋅ = ⋅ ⋅k q k I t (3.4)

Trong đó, m: Khối lượng chất sinh ra hoặc mất đi ở điện cực, còn gọi là khối lượng chất

biến đổi (đơn vị: gam – g);

q: Lượng điện đi qua chất điện ly (đơn vị: Coulomb – C);

I: Cường độ dòng điện của dòng điện phân (đơn vị: Ampe – A);

t: Thời gian điện phân (đơn vị: giây – s);

k: Hệ số tỷ lệ (sau này được chứng minh và đặt là đương lượng điện hóa)

Vận dụng với ví dụ 1 và ví dụ 2 ở trên, có thể thấy: Khối lượng của Natri kim loại cũng như lượng khí Hiđro được sinh ra ở Catot; hoặc lượng khí Clo được sinh ra ở Anot; tăng theo lượng điện đi qua bình đựng NaCl nóng chảy cũng như bình đựng dung dịch NaCl

3.3.2.2 Định luật II

Khi nghiên cứu các quá trình điện phân của các chất điện phân khác nhau với cùng một lượng điện, Faraday nhận thấy khối lượng chất được biến đổi ở điện cực tỷ lệ với đương lượng hóa học của chất Nghĩa là, hệ số tỷ lệ k hoàn toàn xác định được và nó phụ thuộc vào bản chất của chất điện phân Định luật II Faraday được ra đời và được phát biểu như sau:

Khi có cùng một lượng điện đi qua các chất điện phân khác nhau, thì thu được các chất khác nhau biến đổi ở điện cực Khối lượng các chất biến đổi ở điện cực tỷ lệ với đương lương hóa học của chất

Biểu thức: k m C A

= = ⋅ (3.5)

Trong đó, C: Hằng số;

A :

n Đương lượng hóa học của chất, có thể thay bằng

M : n A: Khối lượng mol nguyên tử (đơn vị: gam/mol – g/mol);

M: Khối lượng mol phân tử (đơn vị: gam/mol – g/mol) n: Số mol electron mà một nguyên tử hoặc một phân tử chất trao đổi (đơn vị: mol);

Hằng số C 1

F

= , với F ≈ 96500 C được gọi là hằng số Faraday Do vậy, biểu thức 3.5 còn được

viết dưới dạng: k m 1 A

= = ⋅ (3.5a)

Vận dụng với ví dụ 1 và ví dụ 2 ở trên, có thể thấy: Khi có cùng một lượng điện đi qua NaCl nóng chảy và qua dung dịch NaCl, sẽ thu được các chất khác nhau biến đổi ở Catot: Natri kim loại (trong ví dụ 1) và khí Hiđro (trong ví dụ 2) Khối lượng của Natri kim loại sẽ tỷ lệ với đương lượng hóa học của Natri, còn khối lượng của khí Hiđro sẽ tỷ lệ với đương lượng hóa học của Hiđro

3.3.2.3 Công thức Faraday

Kết hợp các biểu thức 3.4 và 3.5a, thu được: m A I t

n F

⋅ ⋅

=

⋅ (3.6)

(3.6) được gọi là công thức Faraday

3.3.3 Thứ tự điện phân

Khi điện phân sẽ xảy ra các quá trình khử và quá trình oxi hóa các chất trong dung dịch điện phân trên bề mặt các điện cực Tại bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân với điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều sẽ xảy ra quá trình nhận electron của các chất (quá trình khử), do đó, điện cực này được gọi là Catot Ngược lại, trên bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân với điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều sẽ xảy ra quá trình cho electron của các chất (quá trình oxi hóa), điện cực này được gọi là Anot Tùy vào khả năng oxi hóa và khử của các chất (bao gồm cả điện cực) mà sản phẩm thu được tại các điện cực là khác nhau

3.3.3.1 Thứ tự khử ở Catot

Catot (cực âm) là nơi các ion dương tiến về, tại đó, xảy ra quá trình các chất buộc phải nhận electron (bị khử), nghĩa là, thể hiện tính oxi hóa Chất nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước ở Catot

Khả năng xảy ra quá trình khử dạng oxi hóa được đặc trưng bởi thế khử Thế khử càng lớn thì tính oxi hóa của dạng Oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng Khử liên hợp càng yếu và ngược lại Do

đó, có thể phát biểu quy luật khử chung ở Catot như sau:

Khi có nhiều dạng Oxi hóa cùng ở Catot, thì dạng Oxi hóa của cặp Oxi hóa / Khử nào có điện thế lớn hơn sẽ bị khử trước ở Catot và ngược lại

Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi là nước, với điện cực trơ thông thường (như: Cgr, Pt…), thì thứ tự điện phân thường như sau1):

− Các cation kim loại của kim loại đứng sau Al trong dãy điện thế;

− Ion H+ của H2O;

− Các cation kim loại của kim loại từ Al trở về đầu dãy điện thế, thực tế không bị điện phân trong dung dịch

3.3.3.2 Thứ tự oxi hóa ở Anot

Anot (cực dương) là nơi các ion âm tiến về, tại đó, xảy ra quá trình các chất (có thể bao gồm cả vật liệu làm điện cực) buộc phải cho electron (bị oxi hóa), nghĩa là, thể hiện tính khử

Chất nào có tính khử mạnh hơn sẽ bị oxi hóa trước ở Anot Do đó, có thể phát biểu quy luật oxi

hóa chung ở Anot như sau: Khi có nhiều dạng Khử cùng ở Anot, thì dạng Khử của cặp Oxi hóa /

Khử nào có điện thế thấp hơn sẽ bị oxi hóa trước ở Anot và ngược lại

Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi là nước, với điện cực trơ thông thường

1) Do trong dung dịch với dung môi là nước, nồng độ của H + rất nhỏ, đồng thời do hiện tượng quá thế của Hiđro trên điện cực, nên vị trí của cặp H + /H 2 trong dãy điện thế chuyển về phía âm hơn (đứng sau cặp Al 3+ /Al)

84 * HH

(như: Cgr, Pt…), thì thứ tự điện phân thường như sau1):

− Các anion đơn giản (thí dụ: S2 −, I−, Br−, Cl−);

− Anion OH− của H2O;

− Các anion phức tạp chứa oxi, thực tế các anion 2

SO , NO − − không bị điện phân trong dung dịch

Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi là nước, với điện cực không trơ (điện cực bằng các kim loại như: Cr, Ni, Zn, Cu…), thì các kim loại được làm điện cực sẽ bị oxi hóa trước, do tính khử của kim loại mạnh hơn cả tính khử của các anion đơn giản kể trên (điện thế rất âm, xem phụ lục 3) Các kim loại làm điện cực bị oxi hóa tạo thành cation kim loại và tan vào dung dịch Hiện tượng này được gọi là hiện tượng dương cực tan Nó được ứng dụng trong công nghệ mạ điện phân để đảm bảo nồng độ của dung dịch chất điện phân được ổn định

Có thể xét ví dụ về điện phân dung dịch CuSO4 trong nước lần lượt trong các trường hợp: với điện cực trơ là Graphit và với điện cực dương bằng Đồng kim loại để thấy được thứ tự phóng điện khi điện phân như sau:

a) Điện phân dung dịch CuSO4 trong nước với điện cực Graphit

• Khi chưa có dòng điện: trong dung dịch CuSO4 tồn tại các quá trình điện ly của CuSO4

và của H2O, tạo thành các ion chuyển động trong dung dịch, theo phương trình phản ứng

• Khi có dòng điện một chiều chạy qua dung dịch: dưới tác dụng của lực điện trường, các cation chuyển dịch về phía cực âm (Catot – CGr), các anion chuyển dịch về phía cực dương (Anot – CGr):

4

và S

Cu + và H+ Phóng điện:

1

2 2e

Phản ứng điện phân:

Gr

đpdd

đ /c

1

b) Điện phân dung dịch CuSO4 trong nước với điện cực âm Graphit và cực dương bằng Cu

• Khi chưa có dòng điện: trong dung dịch CuSO4 tồn tại các quá trình điện ly của CuSO4

và của H2O, tạo thành các ion chuyển động trong dung dịch, theo phương trình phản ứng

• Khi có dòng điện một chiều chạy qua dung dịch: dưới tác dụng của lực điện trường, các cation chuyển dịch về phía cực âm (Catot – CGr), các anion chuyển dịch về phía cực dương (Anot – Cu):

1) Do trong dung dịch với dung môi là nước, nồng độ của OH− rất nhỏ, đồng thời do hiện tượng quá thế của Oxi trên điện cực, nên điện thế của cặp O 2 /OH− trở nên dương hơn so với giá trị điện thế chuẩn

Điện cực: Anot – Cu (+) Catot – Graphit (–)

4

và S

Cu + và H+

2

Cu + + e→Cu

Phản ứng điện phân:

Gr

đpdd đ/c C

CuSO +Cu+ →Cu++ +Cu− +SO− Với trường hợp này, có thể thấy, lượng Cu sinh ra ở cực âm bằng lượng Cu bị tan ra ở cực dương, do đó, nồng độ Cu2+ trong dung dịch chất điện phân không thay đổi

3.3.4 Sự phân cực điện phân

3.3.4.1 Thế phân hủy, thế phân cực và quá thế

Trong phần trên, các quá trình xảy ra ở ranh giới pha giữa vật liệu làm điện cực và dung dịch được khảo sát là quá trình thuận nghịch (ứng với trường hợp không có sự lưu thông dòng điện) Tuy nhiên, trong quá trình điện phân, do trong hệ có sự lưu thông dòng điện với cường độ xác định Hai điện cực được nhúng vào dung dịch điện phân nối với nguồn điện bên ngoài để gây ra các phản ứng điện hóa (chỉ xảy ra một chiều) Nghĩa là, hệ hiện hóa tại các điện cực làm việc trong điều kiện không cân bằng (không thuận nghịch)

Bên cạnh đó, quá trình điện phân sẽ tạo thành các sản phẩm của quá trình oxi hóa và khử tại các điện cực do quá trình phóng điện Các sản phẩm được tạo ra sẽ bám hoặc tạm thời bám vào các điện cực làm cho điện thế của các điện cực bị thay đổi

Bảng 4.1 Thế phân hủy khi điện phân một số hợp chất với nồng độ 1 M

trong nước ở 25 o C, với hai điện cực Platin Chất điện phân E ph (V) Chất điện phân E ph (V)

Sự làm việc của điện cực trong điều kiện không cân bằng và sự thay đổi bản chất điện cực đã dẫn đến: để quá trình điện phân xảy ra, hiệu thế U ở 2 đầu điện cực lớn hơn so với hiệu thế E của hai điện cực ở trạng thái cân bằng (xem bảng 4.1) Sự chênh lệch giữa U và E được gọi là quá thế điện phân

U là hiệu điện thế cần thiết để thực hiện quá trình điện phân, được gọi là điện thế phân hủy, sau này được ký hiệu là Eph

Hiệu thế E ở trạng thái cân bằng là khả năng của hệ điện hóa bên trong, chống lại dòng điện bên ngoài, sau này được gọi là thế phân cực và được ký hiệu là Epc Quan hệ giữa thế phân hủy và thế phân cực được thể hiện trong công thức: Eph =Epc+ η (3.7)

86 * HH

Đại lượng η được gọi là quá thế Đây là phần năng lượng cần cung cấp thêm để thắng các trở lực, nhằm điều khiển cho quá trình điện phân xảy ra và với một tốc độ nhất định Trở lực của quá trình điện phân được tạo ra do nhiều nguyên nhân: có thể là do quá trình nhường hay nhận electron trên bề mặt ranh giới điện cực – dung dịch; có thể do quá trình khuếch tán của các ion tới các điện cực; có thể

do chênh lệch nồng độ các chất do phản ứng điện phân, có thể do sự hấp phụ và cản trở của các sản phẩm điện phân…

Trong các loại quá thế, quan trọng nhất là quá thế của Hiđro và quá thế của Oxi, bởi chúng được

sử dụng nhiều trong các ứng dụng của điện phân

3.3.4.2 Quá thế của Hiđro

Quá trình thoát Hiđro ở Catot khi điện phân có thể được mô tả qua bốn giai đoạn sau:

− Giai đoạn khuếch tán ion H3O+ từ trong dung dịch đến bề mặt điện cực, quá trình này xảy

ra tương đối nhanh dưới tác dụng của lực điện trường;

− Giai đoạn bỏ lớp vỏ hiđrat thành H+: H O3 + → H+ + H O2

− Giai đoạn phóng điện và hấp phụ trên bề mặt điện cực:

− Giai đoạn hình thành phân tử H2 và tạo bọt khí bay lên:

Gây nên hiện tượng quá thế Hiđro là do quá trình thoát Hiđro xảy ra chậm Đã có nhiều giả thuyết được đưa ra để giải thích hiện tượng quá thế Hiđro, có thuyết đã cho rắng giai đoạn 4 là giai đoạn chậm nhất, cũng có thuyết đã chứng minh giai đoạn 3 lại là chậm nhất Tuy nhiên, theo thực nghiệm cho thấy, quá thế Hiđro phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: mật độ dòng điện, vật liệu làm điện cực, thành phần dung dịch điện phân, nồng độ… Bảng dưới đây là kết quả thực nghiệm thu được khi nghiên cứu về quá thế Hiđro trên các điện cực khác nhau (ở 25oC)

Bảng 3.2 Quá thế Hiđro trên một số vật liệu điện cực khác nhau

ở giá trị mật độ dòng khác nhau

Vật liệu điện cực Quá thế Hiđro

Tại i = 10−2 A/cm 2 Tại i = 10−1 A/cm 2

Trong đó, sự phụ thuộc của quá thế vào bản chất điện cực là hiện tượng điển hình đối với chất khí nói chung

3.3.4.3 Ví dụ vận dụng

Ví dụ sau sẽ mô tả phần nào rõ ràng hơn về thế phân hủy, thế phân cực và quá thế của quá trình điện phân Xét quá trình điện phân dung dịch CuSO4 1 M trong nước với hai điện cực trơ là Platin, thế phân hủy ở 25oC Theo số liệu trong bảng 3.1, điện thế để điện phân được là Eph = 1,49 V

• Khi chưa có dòng điện: trong dung dịch CuSO4 xảy ra các quá trình điện ly của CuSO4 và của H2O, tạo thành các ion chuyển động trong dung dịch, theo phương trình phản ứng sau:

• Khi có dòng điện một chiều chạy qua dung dịch:

4

và S

Phóng điện:

1

2 2e

2

Cu + + e→Cu Kết quả của các quá trình phóng điện, tạo ra các sản phẩm là O2 và Cu tại các điện cực

Tại cực dương, O2 hấp phụ trên bề mặt Platin trong môi trường OH− tạo ra điện cực khí Oxi Còn tại cực âm, Đồng bám vào bề mặt Platin trong môi trường Cu2+ tạo ra điện cực Đồng Hai điện cực này có điện thế khác nhau, tạo thành hệ pin điện hóa Oxi – Đồng, có dòng chống lại dòng điện phân

Sức điện động của pin này chính là hiệu số điện thế cân bằng, Epc

Tạo điện cực mới:

2

Tạo pin phân cực: ( )+ (Pt) O2 OH− Cu2+ Cu ( )−

Coi muối CuSO4 điện ly hoàn toàn và pH của dung dịch bằng 7 Do quá trình điện phân mới bắt đầu xảy ra, nồng độ Cu2+ giảm chưa đáng kể Đồng thời coi áp suất khí O2 bằng 1 atm Sức điện động của pin phân cực vừa tạo thành được tính như sau:

• Xét điện cực bên trái:

2 (Pt) O OH 10 M− −

Phương trình Nernst ở 25oC:

o

O / OH − O / OH − 0, 059 lg COH −



2

7

88 * HH

• Xét điện cực bên phải:

o

0, 059

lg C 2

 ph Cu2 / Cu

0, 059

2 +

• So sánh thấy: ϕ = ϕ > ϕ = ϕ( ) + tr ph ( ) −

 Epc = ϕ − ϕ =( )+ ( )− 0,814 0, 345− =0, 469 V

 Quá thế của quá trình điện phân:

Vậy, khi điện phân dung dịch CuSO4 1 M trong nước ở 25oC (coi pH = 7) với hai điện cực Platin, cần phải cung cấp thêm năng lượng là 1,021 V so với thế phân cực để thắng được các trở lực của quá trình điện phân thì mới có thể có sản phẩm là O2 và Cu tại các điện cực

3.3.5 Ứng dụng cơ bản của điện phân

Điện phân được ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất công nghiệp và bảo vệ kim loại, đây cũng là lý do khiến công nghệ điện hóa trở thành một ngành quan trọng trong công nghệ hóa học nói chung Phần dưới đây sẽ giới thiệu một vài hướng ứng dụng cơ bản của điện phân

3.3.5.1 Điều chế hóa chất vô cơ cơ bản

Phương pháp điện phân hiện nay vẫn là phương pháp duy nhất để điều chế những hóa chất cơ bản không thể thiếu trong công nghiệp như Cl2, F2, Br2, KMnO4, MnO2, ClO3−, ClO4−, IO4−, 2

2 8

S O − Cũng như điện phân nước hiện nay được biết đến vẫn là phương pháp khá đơn giản để điều chế H2 và

O2, một nguồn nguyên liệu cho pin nhiên liệu Hiđro – Oxi

Một trong những ứng dụng vô cùng quan trọng của điện phân trong công nghiệp hóa chất đó là công nghệ điện phân sản xuất Xút – Clo Xút và Clo là những hóa chất cơ bản, không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp, như: công nghiệp giấy, chất tẩy rửa, xử lý nước, các sản phẩm clo hóa Hiện nay, Xút và Clo được điều chế theo hai công nghệ điện phân khác nhau: điện phân với Catot rắn (Catot Thép) và điện phân với Catot lỏng (Catot Thủy ngân)

Với công nghệ điện phân bằng Catot rắn, sản phẩm thu được là khí Clo tại Anot và khí Hiđro tại Catot, dung dịch sau điện phân là dung dịch Xút loãng có lẫn NaCl Cô cạn dung dịch sau điện phân thì NaCl bị kết tinh, thu được dung dịch Xút loãng

Với công nghệ điện phân bằng Catot Thủy ngân, do quá thế của Hiđro nên tại Catot thu được Natri kim loại, tại Anot thu được khí Clo Natri kim loại tan vào thủy ngân tạo hỗn hống Cho hỗn hống chảy qua nước nguyên chất, thu được dung dịch Xút và khí Hiđro