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 điện cực 25oC (2.10a): ϕMen+ /Me = ϕoMen+ /Me + ϕ1 = ϕoMen+ /Me + 0,059 lg[Me n + ] n 0, 059 0, 059 lg C1 ϕ2 = ϕoMen+ /Me + lg C n n Do C1 > C ϕ1 > ϕ2 ⇔ ϕ1 = ϕ( + ) ϕ2 = ϕ( − ) , nên: o E pin = ϕ( + ) − ϕ( − ) = ϕMe + n+ /Me 0,059 0,059 0,059 C1 lg C1 − ϕoMen+ /Me + lg C2 = lg n n n C2 3.3 ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIỆN PHÂN 3.3.1 Hiện tượng điện phân Khái niệm tượng điện phân làm rõ qua vài thí nghiệm cụ thể sau: 3.3.1.1 Ví dụ – Xét q trình thí nghiệm với muối NaCl nóng chảy Nhúng hai điện cực trơ Platin (Pt) vào thiết bị chứa muối NaCl nóng chảy hai Hai điện cực Platin nối với cực dương âm nguồn điện chiều mơ tả hình 3.4 Để tránh tượng sản phẩm thí nghiệm phản ứng với nhau, hai điện cực Pt phân cách với màng ngăn xốp Thiết bị chứa muối NaCl nóng chảy (bình điện phân); Catot trơ (Platin); Anot trơ (Platin); Nguồn điện chiều có điện áp đủ lớn; Khóa K Màng ngăn xốp; Khơng gian Catot; Khơng gian Anot Hình 3.4 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm điện phân nóng chảy muối NaCl với điện cực trơ (Pt) có màng ngăn xốp Khi khóa K chưa đóng, thiết bị chứa NaCl trạng thái nóng chảy Trong khối NaCl dạng lỏng, NaCl hợp chất liên kết ion, nên NaCl điện ly theo phản ứng sau: NaCl o t nc → Na + + Cl− Khi khóa K đóng, tác dụng lực điện trường, ion chuyển dịch phía điện cực trái dấu Tại cực âm nguồn điện, ion Na+ tiến Do Pt kim loại trơ, nên điện cực âm Pt xảy q trình phóng điện Na+ theo phản ứng khử sau: Na + + 1e → Na bám vào HH * 79 bề mặt Pt Tại cực dương nguồn điện, ion Cl− tiến Do Pt kim loại trơ, nên điện cực âm Pt xảy q trình phóng điện 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 bề mặt Pt, kết hợp tạo thành bọt khí lớn thoát khỏi điện cực Vậy, từ nguyên liệu ban đầu muối NaCl nóng chảy thiết bị, tác dụng dịng điện chiều có điện áp đủ lớn (với điện cực trơ Pt) xảy phản ứng khử (tại cực âm nguồn điện – gọi Catot) phản ứng oxi hóa (tại cực dương nguồn điện – gọi Anot) để tạo thành sản phẩm Natri kim loại khí Clo Q trình gọi q trình điện phân nóng chảy NaCl với điện cực trơ có màng ngăn1) Phản ứng tổng cộng q trình điện phân mơ tả sau: 2NaCl đpnc → đ /c Pt; mnx 2Na ( − ) + Cl 2( + ) 3.3.1.2 Ví dụ – Xét q trình thí nghiệm với dung dịch NaCl nước Nhúng hai điện cực trơ Platin (Pt) vào thiết bị chứa dung dịch NaCl nước Hai điện cực Pt nối với cực dương âm nguồn điện chiều mơ tả hình 3.5 Để tránh tượng sản phẩm thí nghiệm phản ứng với nhau, hai điện cực Pt phân cách với màng ngăn xốp Thiết bị chứa muối dung dịch NaCl nước (bình điện phân); Catot trơ (Platin); Anot trơ (Platin); Nguồn điện chiều có điện áp đủ lớn; Khóa K Màng ngăn xốp; Không gian Catot; Không gian Anot Hình 3.5 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm điện phân dung dịch NaCl nước với điện cực trơ (Pt) có màng ngăn xốp 1) Màng ngăn xốp có tác dụng ngăn bình điện phân thành hai không gian riêng biệt (Catot Anot), không cho sản phẩm trình điện phân phản ứng trở lại với nhau, cho ion chuyển động phía cực trái dấu 80 * HH Trong thiết bị chứa dung dịch NaCl, xảy trình điện ly sau: NaCl → Na + H2O ⇌ H+ + + Cl− OH − Khi khóa K đóng, tác dụng lực điện trường, ion chuyển dịch phía điện cực trái dấu Tại cực âm nguồn điện, có ion Na+ H+ tiến Do Pt kim loại trơ, đồng thời, tính oxi hóa H+ (của H2O) mạnh Na+ nên điện cực âm Pt xảy q trình phóng điện H+ theo phản ứng khử sau: H+ + 1e → H Các nguyên tử H phản ứng với tạo thành phân tử khí H2 hấp phụ vào bề mặt Pt, chúng kết hợp với tạo thành bọt khí Hiđro Tại cực dương nguồn điện, ion Cl− OH− (của H2O) tiến Do Pt kim loại trơ, đồng thời tính khử Cl− mạnh OH− nên điện cực âm Pt xảy q trình phóng điện 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 bề mặt Pt, kết hợp tạo thành bọt khí lớn thoát khỏi điện cực Vậy, từ nguyên liệu ban đầu dung dịch muối NaCl nước, tác dụng dịng điện chiều có điện áp đủ lớn (với điện cực trơ Pt) xảy phản ứng khử H+ phản ứng oxi hóa Cl− để tạo thành sản phẩm khí Hiđro khí Clo Q trình gọi q trình điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ có màng ngăn1) Phản ứng tổng cộng trình điện phân mơ tả sau: 2NaCl + 2H O đpdd → đ /c Pt; mnx H 2( − ) + Cl2( + ) + 2NaOH 3.3.1.3 Khái niệm tượng điện phân Qua hai ví dụ, thấy rằng: Điện phân tượng xảy phản ứng oxi hóa khử bề mặt điện cực có dịng điện chiều qua chất điện ly nóng chảy dung dịch chất điện ly (gọi chung dung dịch điện phân) 3.3.2 Định luật Faraday điện phân 3.3.2.1 Định luật I Khi nghiên cứu trình điện phân với chất điện phân, nhà hóa học vật lý học người Anh - Michael Faraday (1791 – 1867), nhận thấy có mối quan hệ khối lượng chất biến đổi điện cực với cường độ dòng điện điện phân thời gian điện phân Nhận xét phát biểu thành định luật Faraday I phát biểu sau: Khối lượng chất biến đổi điện cực tỷ lệ với lượng điện qua chất điện ly thời gian 1) Màng ngăn xốp có tác dụng ngăn bình điện phân thành hai không gian riêng biệt (Catot Anot), không cho sản phẩm trình điện phân phản ứng trở lại với nhau, cho ion chuyển động phía cực trái dấu HH * 81 điện phân m = k ⋅q = k ⋅I⋅t Biểu thức: (3.4) Trong đó, m: Khối lượng chất sinh điện cực, gọi khối lượng chất biến đổi (đơn vị: gam – g); q: Lượng điện qua chất điện ly (đơn vị: Coulomb – C); I: Cường độ dòng điện dòng điện phân (đơn vị: Ampe – A); t: Thời gian điện phân (đơn vị: giây – s); k: Hệ số tỷ lệ (sau chứng minh đặt đương lượng điện hóa) Vận dụng với ví dụ ví dụ trên, thấy: Khối lượng Natri kim loại lượng khí Hiđro sinh Catot; lượng khí Clo sinh Anot; tăng theo lượng điện qua bình đựng NaCl nóng chảy bình đựng dung dịch NaCl 3.3.2.2 Định luật II Khi nghiên cứu trình điện phân chất điện phân khác với lượng điện, Faraday nhận thấy khối lượng chất biến đổi điện cực tỷ lệ với đương lượng hóa học chất Nghĩa là, hệ số tỷ lệ k hồn tồn xác định phụ thuộc vào chất chất điện phân Định luật II Faraday đời phát biểu sau: Khi có lượng điện qua chất điện phân khác nhau, thu chất khác biến đổi điện cực Khối lượng chất biến đổi điện cực tỷ lệ với đương lương hóa học chất k= Biểu thức: m A = C⋅ q n (3.5) Trong đó, C: Hằng số; A : n Đương lượng hóa học chất, thay 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 nguyên tử phân tử chất trao đổi (đơn vị: mol); Hằng số C = viết dạng: , với F ≈ 96500 C gọi số Faraday Do vậy, biểu thức 3.5 F m A (3.5a) k= = ⋅ q F n Vận dụng với ví dụ ví dụ trên, thấy: Khi có lượng điện qua NaCl nóng chảy qua dung dịch NaCl, thu chất khác biến đổi Catot: Natri kim loại (trong ví dụ 1) khí Hiđro (trong ví dụ 2) Khối lượng Natri kim loại tỷ lệ với đương lượng hóa học Natri, cịn khối lượng khí Hiđro tỷ lệ với đương lượng hóa học Hiđro 82 * HH 3.3.2.3 Công thức Faraday Kết hợp biểu thức 3.4 3.5a, thu được: m= A⋅I⋅t n⋅F (3.6) (3.6) gọi công thức Faraday 3.3.3 Thứ tự điện phân Khi điện phân xảy q trình khử q trình oxi hóa chất dung dịch điện phân bề mặt điện cực Tại bề mặt tiếp xúc chất điện phân với điện cực nối với cực âm nguồn điện chiều xảy trình nhận electron chất (q trình khử), đó, điện cực gọi Catot Ngược lại, bề mặt tiếp xúc chất điện phân với điện cực nối với cực dương nguồn điện chiều xảy trình cho electron chất (quá trình oxi hóa), điện cực gọi Anot Tùy vào khả oxi hóa khử chất (bao gồm điện cực) mà sản phẩm thu điện cực khác 3.3.3.1 Thứ tự khử Catot Catot (cực âm) nơi ion dương tiến về, đó, xảy q trình chất buộc phải nhận electron (bị khử), nghĩa là, thể tính oxi hóa Chất có tính oxi hóa mạnh bị khử trước Catot Khả xảy q trình khử dạng oxi hóa đặc trưng khử Thế khử lớn tính oxi hóa dạng Oxi hóa mạnh, tính khử dạng Khử liên hợp yếu ngược lại Do đó, phát biểu quy luật khử chung Catot sau: Khi có nhiều dạng Oxi hóa Catot, dạng Oxi hóa cặp Oxi hóa / Khử có điện lớn bị khử trước Catot ngược lại Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi nước, với điện cực trơ thơng thường (như: Cgr, Pt…), thứ tự điện phân thường sau1): − Các cation kim loại kim loại đứng sau Al dãy điện thế; − Ion H+ H2O; − Các cation kim loại kim loại từ Al trở đầu dãy điện thế, thực tế không bị điện phân dung dịch 3.3.3.2 Thứ tự oxi hóa Anot Anot (cực dương) nơi ion âm tiến về, đó, xảy q trình chất (có thể bao gồm vật liệu làm điện cực) buộc phải cho electron (bị oxi hóa), nghĩa là, thể tính khử Chất có tính khử mạnh bị oxi hóa trước Anot Do đó, phát biểu quy luật oxi hóa chung Anot sau: Khi có nhiều dạng Khử Anot, dạng Khử cặp Oxi hóa / Khử có điện thấp bị oxi hóa trước Anot ngược lại Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi nước, với điện cực trơ thông thường 1) Do dung dịch với dung môi nước, nồng độ H+ nhỏ, đồng thời tượng Hiđro điện cực, nên vị trí cặp H+/H2 dãy điện chuyển phía âm (đứng sau cặp Al3+/Al) HH * 83 (như: Cgr, Pt…), thứ tự điện phân thường sau1): − Các anion đơn giản (thí dụ: S2−, I−, Br−, Cl−); − Anion OH− H2O; − Các anion phức tạp chứa oxi, thực tế anion SO 24− , NO3− không bị điện phân dung dịch Trong trường hợp điện phân dung dịch với dung môi nước, với điện cực không trơ (điện cực kim loại như: Cr, Ni, Zn, Cu…), kim loại làm điện cực bị oxi hóa trước, tính khử kim loại mạnh tính khử anion đơn giản kể (điện âm, xem phụ lục 3) Các kim loại làm điện cực bị oxi hóa tạo thành cation kim loại tan vào dung dịch Hiện tượng gọi tượng dương cực tan Nó ứng dụng công nghệ mạ điện phân để đảm bảo nồng độ dung dịch chất điện phân ổn định Có thể xét ví dụ điện phân dung dịch CuSO4 nước trường hợp: với điện cực trơ Graphit với điện cực dương Đồng kim loại để thấy thứ tự phóng điện điện phân sau: a) Điện phân dung dịch CuSO4 nước với điện cực Graphit • Khi chưa có dịng điện: dung dịch CuSO4 tồn trình điện ly CuSO4 H2O, tạo thành ion chuyển động dung dịch, theo phương trình phản ứng sau: • CuSO → Cu + + SO 24− H O ⇌ H+ + OH − Khi có dịng điện chiều chạy qua dung dịch: tác dụng lực điện trường, cation chuyển dịch phía cực âm (Catot – CGr), anion chuyển dịch phía cực dương (Anot – CGr): Điện cực: Chất điện cực: Phóng điện: Anot – Graphit (+) Catot – Graphit (–) OH − SO 24 − Cu 2+ H + 2OH − − 2e → Phản ứng điện phân: O2 + H 2O Cu + + 2e → Cu đpdd CuSO + H O → O 2( + ) + Cu ( − ) + H 2SO đ /c CGr b) Điện phân dung dịch CuSO4 nước với điện cực âm Graphit cực dương Cu • Khi chưa có dịng điện: dung dịch CuSO4 tồn trình điện ly CuSO4 H2O, tạo thành ion chuyển động dung dịch, theo phương trình phản ứng sau: • CuSO → Cu + + SO 24− H O ⇌ H + + OH − Khi có dịng điện chiều chạy qua dung dịch: tác dụng lực điện trường, cation chuyển dịch phía cực âm (Catot – CGr), anion chuyển dịch phía cực dương (Anot – Cu): Do dung dịch với dung môi nước, nồng độ OH− nhỏ, đồng thời tượng Oxi điện cực, nên điện cặp O2/OH− trở nên dương so với giá trị điện chuẩn 1) 84 * HH Điện cực: Anot – Cu (+) Catot – Graphit (–) Chất điện cực: Cu , OH − SO 24 − Cu 2+ H + Phóng điện: Cu − 2e → Cu 2+ Cu + + 2e → Cu Phản ứng điện phân: đpdd CuSO + Cu ( + ) → Cu (2++) + Cu ( − ) + SO 24 − đ /c CGr Với trường hợp này, thấy, lượng Cu sinh cực âm lượng Cu bị tan cực dương, đó, nồng độ Cu2+ dung dịch chất điện phân không thay đổi 3.3.4 Sự phân cực điện phân 3.3.4.1 Thế phân hủy, phân cực Trong phần trên, trình xảy ranh giới pha vật liệu làm điện cực dung dịch khảo sát trình thuận nghịch (ứng với trường hợp khơng có lưu thơng dịng điện) Tuy nhiên, q trình điện phân, hệ có lưu thơng dịng điện với cường độ xác định Hai điện cực nhúng vào dung dịch điện phân nối với nguồn điện bên ngồi để gây phản ứng điện hóa (chỉ xảy chiều) Nghĩa là, hệ hóa điện cực làm việc điều kiện không cân (khơng thuận nghịch) Bên cạnh đó, q trình điện phân tạo thành sản phẩm trình oxi hóa khử điện cực trình phóng điện Các sản phẩm tạo bám tạm thời bám vào điện cực làm cho điện điện cực bị thay đổi Bảng 4.1 Thế phân hủy điện phân số hợp chất với nồng độ M nước 25oC, với hai điện cực Platin Chất điện phân Eph (V) Chất điện phân Eph (V) H2SO4 1,67 AgNO3 0,70 HNO3 1,69 CuSO4 1,49 NaOH 1,69 ZnCl2 2,28 NH4OH 1,74 Pb(NO3)2 1,52 NaNO3 2,15 NiSO4 1,85 Sự làm việc điện cực điều kiện không cân thay đổi chất điện cực dẫn đến: để trình điện phân xảy ra, hiệu U đầu điện cực lớn so với hiệu E hai điện cực trạng thái cân (xem bảng 4.1) Sự chênh lệch U E gọi điện phân U hiệu điện cần thiết để thực trình điện phân, gọi điện phân hủy, sau ký hiệu Eph Hiệu E trạng thái cân khả hệ điện hóa bên trong, chống lại dịng điện bên ngồi, sau gọi phân cực ký hiệu Epc Quan hệ phân hủy phân cực thể công thức: (3.7) E ph = E pc + η HH * 85 Đại lượng η gọi Đây phần lượng cần cung cấp thêm để thắng trở lực, nhằm điều khiển cho trình điện phân xảy với tốc độ định Trở lực trình điện phân tạo nhiều ngun nhân: q trình nhường hay nhận electron bề mặt ranh giới điện cực – dung dịch; q trình khuếch tán ion tới điện cực; chênh lệch nồng độ chất phản ứng điện phân, hấp phụ cản trở sản phẩm điện phân… Trong loại thế, quan trọng Hiđro Oxi, chúng sử dụng nhiều ứng dụng điện phân 3.3.4.2 Quá Hiđro Q trình Hiđro Catot điện phân mơ tả qua bốn giai đoạn sau: − Giai đoạn khuếch tán ion H3O+ từ dung dịch đến bề mặt điện cực, trình xảy tương đối nhanh tác dụng lực điện trường; − Giai đoạn bỏ lớp vỏ hiđrat thành H+: H 3O + → H+ + H 2O − Giai đoạn phóng điện hấp phụ bề mặt điện cực: H+ + 1e → H H → H hp − Giai đoạn hình thành phân tử H2 tạo bọt khí bay lên: 2H hp → H2 ↑ − Gây nên tượng Hiđro q trình Hiđro xảy chậm Đã có nhiều giả thuyết đưa để giải thích tượng Hiđro, có thuyết cho rắng giai đoạn giai đoạn chậm nhất, có thuyết chứng minh giai đoạn lại chậm Tuy nhiên, theo thực nghiệm cho thấy, Hiđro phụ thuộc vào nhiều yếu tố: mật độ dòng điện, vật liệu làm điện cực, thành phần dung dịch điện phân, nồng độ… Bảng kết thực nghiệm thu nghiên cứu Hiđro điện cực khác (ở 25oC) Bảng 3.2 Quá Hiđro số vật liệu điện cực khác giá trị mật độ dòng khác Vật liệu điện cực Quá Hiđro Tại i = 10−2 A/cm2 Tại i = 10−1 A/cm2 Platin phủ muội −0,03 V −0,05 V Platin trơn −0,1 V −0,4 V Sắt −0,56 V −0,64 V Đồng −0,58 V −0,82 V Graphit −0,70 V −0,99 V Chì −1,08 V −1,12 V Thủy ngân −1,04 V −1,21 V 86 * HH Trong đó, phụ thuộc vào chất điện cực tượng điển hình chất khí nói chung 3.3.4.3 Ví dụ vận dụng Ví dụ sau mô tả phần rõ ràng phân hủy, phân cực trình điện phân Xét trình điện phân dung dịch CuSO4 M nước với hai điện cực trơ Platin, phân hủy 25oC Theo số liệu bảng 3.1, điện để điện phân Eph = 1,49 V • Khi chưa có dịng điện: dung dịch CuSO4 xảy trình điện ly CuSO4 H2O, tạo thành ion chuyển động dung dịch, theo phương trình phản ứng sau: CuSO • → Cu + + SO 24− H O ⇌ H + + OH − Khi có dịng điện chiều chạy qua dung dịch: Điện cực: Anot – Pt (+) Catot – Pt (–) Chất điện cực: OH − SO 24 − Cu 2+ H + Phóng điện: 2OH − − 2e → O + H 2O Cu + + 2e → Cu Kết q trình phóng điện, tạo sản phẩm O2 Cu điện cực Tại cực dương, O2 hấp phụ bề mặt Platin mơi trường OH− tạo điện cực khí Oxi Cịn cực âm, Đồng bám vào bề mặt Platin môi trường Cu2+ tạo điện cực Đồng Hai điện cực có điện khác nhau, tạo thành hệ pin điện hóa Oxi – Đồng, có dịng chống lại dịng điện phân Sức điện động pin hiệu số điện cân bằng, Epc Điện cực: Tạo điện cực mới: Tạo pin phân cực: Anot – Pt (+) Catot – Pt (–) OH − (Pt) O (+) (Pt) O2 Cu Cu 2+ OH − Cu 2+ Cu (−) Coi muối CuSO4 điện ly hoàn toàn pH dung dịch Do trình điện phân bắt đầu xảy ra, nồng độ Cu2+ giảm chưa đáng kể Đồng thời coi áp suất khí O2 atm Sức điện động pin phân cực vừa tạo thành tính sau: • Xét điện cực bên trái: Ký hiệu điện cực: (Pt) O2 Phản ứng điện cực: OH − 10−7 M O + 4e + 2H O ⇌ 4OH − Phương trình Nernst 25oC: ϕO ϕtr = ϕO /OH /OH − − = ϕOo /OH − − 0, 059 lg COH − = +0, 401 − 0, 059 lg10−7 = 0,814 V HH * 87 • Xét điện cực bên phải: Ký hiệu điện cực: Cu Cu 2+ 1M Phản ứng điện cực: Cu 2+ + 2e ⇌ Cu Phương trình Nernst 25oC: ϕCu 2+ /Cu = ϕoCu 2+ /Cu + ϕph = ϕCu 2+ /Cu = +0, 345 − • 0, 059 lg C Cu 2+ 0, 059 lg1 = 0,345 V So sánh thấy: ϕ( + ) = ϕ tr > ϕph = ϕ( − ) E pc = ϕ( + ) − ϕ( − ) = 0,814 − 0,345 = 0, 469 V Quá trình điện phân: η = E ph − E pc = 1, 49 − 0, 469 = 1, 021 V Vậy, điện phân dung dịch CuSO4 M nước 25oC (coi pH = 7) với hai điện cực Platin, cần phải cung cấp thêm lượng 1,021 V so với phân cực để thắng trở lực trình điện phân có sản phẩm O2 Cu điện cực 3.3.5 Ứng dụng điện phân Điện phân ứng dụng rộng rãi thực tế sản xuất công nghiệp bảo vệ kim loại, lý khiến cơng nghệ điện hóa trở thành ngành quan trọng cơng nghệ hóa học nói chung Phần giới thiệu vài hướng ứng dụng điện phân 3.3.5.1 Điều chế hóa chất vơ cơ Phương pháp điện phân phương pháp để điều chế hóa chất khơng thể thiếu công nghiệp Cl2, F2, Br2, KMnO4, MnO2, ClO3− , ClO −4 , IO −4 , S2 O82 − Cũng điện phân nước biết đến phương pháp đơn giản để điều chế H2 O2, nguồn nguyên liệu cho pin nhiên liệu Hiđro – Oxi Một ứng dụng vô quan trọng điện phân công nghiệp hóa chất cơng nghệ điện phân sản xuất Xút – Clo Xút Clo hóa chất bản, thiếu ngành công nghiệp, như: công nghiệp giấy, chất tẩy rửa, xử lý nước, sản phẩm clo hóa Hiện nay, Xút Clo điều chế theo hai công nghệ điện phân khác nhau: điện phân với Catot rắn (Catot Thép) điện phân với Catot lỏng (Catot Thủy ngân) Với công nghệ điện phân Catot rắn, sản phẩm thu khí Clo Anot khí Hiđro Catot, dung dịch sau điện phân dung dịch Xút lỗng có lẫn NaCl Cơ cạn dung dịch sau điện phân NaCl bị kết tinh, thu dung dịch Xút lỗng Với cơng nghệ điện phân Catot Thủy ngân, Hiđro nên Catot thu Natri kim loại, Anot thu khí Clo Natri kim loại tan vào thủy ngân tạo hỗn hống Cho hỗn hống chảy qua nước nguyên chất, thu dung dịch Xút khí Hiđro 88 * HH 3.3.5.2 Điều chế tinh chế kim loại Phương pháp điện phân để điều chế kim loại gọi phương pháp điện kết tủa điện luyện kim Đây hai công nghệ để sản xuất tinh luyện nhiều kim loại quan trọng Điện phân nóng chảy quặng, oxit muối kim loại để sản xuất kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm đất Điện phân dung dịch muối để sản xuất tinh luyện kim loại khác với độ tinh khiết cao Để thu kim loại tinh khiết, kim loại có chứa tạp chất dùng làm Anot điện phân Chúng bị hòa tan Anot kết tủa Catot dạng tinh khiết Bên cạnh đó, cơng nghệ để thu hồi kim loại quý từ phế thải công nghiệp (ắc quy, đồ điện tử ) 3.3.5.3 Tổng hợp điện hóa chế tạo vật liệu Bên cạnh ứng dụng điều chế chất vô cơ kim loại, điện phân cho phép thực q trình tổng hợp hữu với tính chọn lọc cao mà không cần sử dụng chất khử chất oxi hóa, đồng thời loại bỏ sản phẩm phụ Ví dụ, q trình tổng hợp adiponitril prolylen oxit1) tổng hợp điện hóa với quy mơ công nghiệp (từ 1963) cho hiệu suất cao theo phản ứng: 2CH = CH − CN + 2H , 2e → CN − CH − CH − CH − CH − CN (95%) CH − HC = CH H O, − 2e → CH − HC − CH (99%) O Hiện nay, công nghệ dược phẩm, nhiều tinh chất hữu điều chế phương pháp điện phân với tính chọn lọc cao lượng sản phẩm tích hợp quy mơ nhỏ (cỡ kilogram) thiết bị phản ứng điện hóa thông qua loại phản ứng Catot2) phản ứng Anot3) 3.3.5.4 Mạ kim loại hợp kim sơn phủ – chống ăn mịn kim loại Mạ điện hóa công nghệ truyền thống để tạo lớp phủ kim loại hợp kim lên bề mặt chi tiết cần bảo vệ Với công nghệ này, chi tiết cần mạ nối với cực âm nguồn điện (làm Catot), Anot kim loại để tạo lớp phủ Dung dịch điện phân dung dịch muối kim loại tạo lớp phủ Quá trình điện phân thực điện mật độ dòng xác định Bên cạnh đó, cơng nghệ điện phân ứng dụng vào sơn phủ kim loại để chống ăn mòn Việc tạo lớp sơn chổi quét sơn máy phun sơn có nhược điểm tốn nguyên liệu gây nhiễm mơi trường Q trình sơn phủ điện phân khắc phục nhược điểm trên, đồng thời tạo lớp sơn phủ có tính bám dính tốt, tính trang trí cao, bao phủ chi tiết có cấu hình phức tạp đồng 1) Nguồn ngun liệu quan trọng cho ngành công nghiệp chất dẻo sợi nylon tổng hợp phản ứng Catot: hiđrođime hóa (điều chế adipinitril), methoxyl hóa, ankoxyl hóa, cacboxyl hóa (điều chế ibuprofen, naproxen ), mở vòng… 3) phản ứng Anot: fluor hóa, nhân, cộng… 2) HH * 89 thời có chiều dày đồng tất bề mặt chi tiết Sơn kết tủa dạng đặc sệt bề mặt chi tiết cần sơn tác dụng dòng điện chiều với thiết bị tương tự thiết bị mạ điện Quá trình điện phân lại xảy điều kiện đặt vào hai điện cực cao với mật độ dòng nhỏ Tuy nhiên phương pháp có hạn chế phải lựa chọn vật liệu sơn, chi tiết cần sơn phải dẫn điện, đòi hỏi trang thiết bị phức tạp thực lớp sơn bề mặt chi tiết 90 * HH ... tượng điện phân Qua hai ví dụ, thấy rằng: Điện phân tượng xảy phản ứng oxi hóa khử bề mặt điện cực có dịng điện chiều qua chất điện ly nóng chảy dung dịch chất điện ly (gọi chung dung dịch điện phân) ... chất điện phân ổn định Có thể xét ví dụ điện phân dung dịch CuSO4 nước trường hợp: với điện cực trơ Graphit với điện cực dương Đồng kim loại để thấy thứ tự phóng điện điện phân sau: a) Điện phân. .. cực có điện khác nhau, tạo thành hệ pin điện hóa Oxi – Đồng, có dịng chống lại dòng điện phân Sức điện động pin hiệu số điện cân bằng, Epc Điện cực: Tạo điện cực mới: Tạo pin phân cực: Anot –