Ứng dụng của điện phân - Hoá 12

- Ở trạng thái nóng chảy, các tinh thể chất điện phân bị phá vỡ thành các ion chuyển động hỗn loạn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua:

+ Ion dương chạy về cathode (cực âm) nhận electron (bị khử).

+ Ion âm chạy về anode (cực dương) và nhường electron (bị oxi hoá).

Ví dụ 1: Điện phân sodium chloride (NaCl) nóng chảy điều chế Na.

* Ở cực dương (anode): sự oxi hoá ion Cl^- thành Cl₂: \({\rm{C}}{{\rm{l}}^ - } \to \frac{1}{2}{\rm{C}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{ +  e}}\)

* Ở cực âm (cathode): sự khử ion Na⁺ thành Na:  \({\rm{N}}{{\rm{a}}^{\rm{ + }}}{\rm{ + 1e}} \to {\rm{Na}}\)

* Phương trình điện phân:  

- Điện phân dung dịch (đpdd)  => sản xuất kim loại trung bình và yếu.

Ví dụ: hơn 50% sản lượng kẽm trên thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân:

- Điện phân nóng chảy (đpnc) => sản xuất kim loại mạnh từ Al trở về trước: Na, K, Mg, Ca, Al.

Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất từ quặng bauxite theo hai giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Tinh chế quặng bauxite

Quặng bauxite (thành phần chính Al₂O₃.2H₂O) thường lẫn tạp chất. Sau khi loại bỏ tạp chất bằng phương pháp hoá học thu được Al₂O₃.

Giai đoạn 2: Điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Do Al₂O₃ có nhiệt độ nóng chảy rất cao (2050°C) nên Al₂O₃ được trộn cùng với cryolite (Na₃AlF₆) để

- Tạo thành hỗn hợp nóng chảy ở gần 1000°C. Giải pháp này giúp tiết kiệm nhiều năng lượng.

- Tạo chất lỏng vừa có tính dẫn điện tốt vừa nổi lên trên Al lỏng để ngăn cách Al lỏng không bị oxi hoá bởi không khí.

* Ở cực dương (anode) sự oxi hoá ion O^2- thành O₂ : \({\rm{2}}{{\rm{O}}^{2 - }} \to {{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{  +  4e}}\)

* Ở cực âm (cathode) sự khử ion Al³⁺ thành Al:  :      \({\rm{A}}{{\rm{l}}^{{\rm{3 + }}}}{\rm{ +  3e}} \to {\rm{Al}}\)

* Phương trình điện phân:                      

Khí O₂ tạo thành ở nhiệt độ cao, đốt cháy dần điện cực anode than chì thành CO và CO₂. Do vậy, trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần các điện cực anode vào thùng điện phân.

Sơ đồ thùng điện phân Al₂O₃ nóng chảy

Từ nguồn kim loại thô (kim loại phế liệu hoặc sau quá trình nhiệt luyện, thuỷ luyện), các kim loại như Zn, Ni, Co, Cu, Ag, Au, ... được tinh chế bằng phương pháp điện phân.

Quá trình tinh chế được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch chất tan (muối hoặc phức chất) của kim loại đó với anode làm bằng kim loại thô tương ứng.

Ví dụ: Trong công nghiệp, đồng phế liệu hoặc đồng thô được tinh chế bằng phương pháp điện phân.

Bình điện phân tinh chế đồng chứa dung dịch muối CuSO₄ trong dung dịch H₂SO₄, anode bằng đồng thô và cathode là đồng tinh khiết.

Tại anode: Cu bị oxi hoá thành ion Cu²⁺ đi vào dung dịch: Cu → Cu²⁺ + 2e

  =>Do vậy, anode dần bị hoà tan.

Tại cathode: Cu²⁺ bị khử thành Cu bám trên cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Quá trình điện phân này được coi như là sự chuyển dời kim loại Cu từ anode (ở dạng đồng thô) về cathode (ở dạng đồng tinh khiết).

Kết thúc quá trình điện phân thu được đồng tinh khiết ở cathode.

Phương pháp điện phân được sử dụng trong mạ điện, trong đó ion kim loại bị khử, tạo thành lớp kim loại rắn bao phủ trên bề mặt kim loại cần mạ nhằm trang trí bề mặt hoặc chống sự ăn mòn.

Trong kĩ thuật mạ điện, các kim loại mạ thường là chromium, nickel, đồng, vàng, bạc, platinum, ...

Bình mạ điện chứa dung dịch muối của kim loại mạ, vật cần mạ và thanh kim loại mạ.