Điện phân- Đặc điểm và ứng dụng

Điện phân- Đặc điểm và ứng dụng

Hi vọng với đề tài ĐIỆN PHÂN- ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG, chúng ta sẽ có cái

nhìn tổng quát hơn về điện phân, hiểu được quá trình xảy ra, những yếu tố tác động lên điệnphân và thấy được sự ứng dụng rộng rãi của điện phân trong cuộc sống để có hướng pháttriển trong tương lai

2 Mục đích nghiên cứu:

- Phát huy tính tích cực trong học tập của bản thân và tích lũy kinh nghiệm để có khảnăng thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp

- Tổng quan lý thuyết

- Ứng dụng của điện phân trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống

- Nêu lên ưu, nhược điểm của phương pháp điện phân so với việc sử dụng cácphương pháp khác

3 Đối tượng nghiên cứu:

Điện phân và ứng dụng của điện phân trong hóa học và cuộc sống

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu, phân tích, so sánh, đối chiếu, tổng hợp các nguồn tài liệu từ giáo trình,các sách có liên quan, khóa luận tốt nghiệp, thông tin từ mạng internet và liên hệ thực tiễn

Sự điện phân là quá trình oxi hóa- khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện ly.

II Các hiện tượng xảy ra trong quá trình điện phân.

Giả sử có một nguyên tố điện hóa hai cực Zn và Cu được nhúng vào dung dịch muốicủa nó, nhưng không nối hai cực Zn và Cu với nhau bằng dây dẫn mà nối hai cực Zn và Cuvới một nguồn điện một chiều: catot (Zn) nối với cực âm (-), anot (Cu) nối với cực dương(+) thì trên hai cực cũng xảy ra quá trình điện cực, nhưng ngược với quá trình hoạt độngtrong pin Gavani

Trong trường hợp này, ở cực Zn (-), xảy ra quá trình khử chất oxi hóa: các chất oxihóa sẽ nhận e từ điện cực và trở thành dạng khử liên hợp Trong trường hợp cụ thể này cácion Zn2+ từ trong lòng dung dịch đi đến catot nhận electron từ điện cực, bị khử về dạng khửliên hợp (kim loại Zn) bám vào catot

Ở cực Cu (+), xảy ra quá trình oxi hóa chất khử; chất khử nhường electron cho điệncực và trở thành dạng oxi hóa liên hợp Trong trường hợp này, kim loại đồng bị tan ra vàcác ion Cu2+ khuếch tán từ bề mặt điện cực vào trong lòng dung dịch

Catot: Zn2+ + 2e → ZnAnot: Cu → Cu2+ + 2eThế cân bằng ở các cực trong các trường hợp này cũng bị thay đổi

Trong điện phân, quá trình xảy ra ở các điện cực là rất phức tạp (gồm nhiều quá trìnhthành phần xảy ra trên bề mặt các cực và trong dung dịch xung quanh nó) Quá trình nàygọi là quá trình điện cực Thường chia quá trình điện cực thành 3 giai đoạn sau:

1 Sự chuyển các chất điện hoạt đến bề mặt điện cực.

2 Phản ứng điện cực.

Là quá trình trao đổi electron giữa các phần tử của chất điện hoạt với điện cực Phảnứng diễn ra với tốc độ xác định Có thể có một số giai đoạn trung gian và phản ứng phụcùng xảy ra với phản ứng chính.

3 Sự chuyển các sản phẩm của phản ứng ra khỏi điện cực.

Thông thường có 2 giai đoạn chính trong quá trình điện phân là vận chuyển chất điệnhoạt đến điện cực và trao đổi electron với điện cực Ngoài 2 quá trình này còn có thể có cácphản ứng hóa học xảy ra trước hoặc sau sự trao đổi electron Trong một số trường hợp, quátrình điện cực còn phức tạp hơn nhiều do có các quá trình khác xảy ra đồng thời

Ví dụ: Phản ứng hóa học của các chất có trong dung dịch, trong đó có chất điện hoạt tham

gia Các chất điện hoạt hoặc sản phẩm của phản ứng điện cực hấp thụ lên bề mặt điện cực,ngoài ra còn có các phản ứng xúc tác khác Người ta có thể giải thích được quá trình điệnhóa và sự phân cực khi đã biết được giai đoạn điện hóa chậm nhất

Ví dụ: Điện phân dung dịch Cu(NO3)2 bằng điện cực platin, có các quá trình sau xảy ra:

- Vận chuyển Cu đến bề mặt điện cực

- Sự trao đổi e của các ion đồng với điện cực: Cu2+ + 2e → Cu

- Sự khuếch tán của các nguyên tử đồng vào mạng lưới tinh thể

Ví dụ: Điện phân dung dịch chứa ion phức Ag(CN)2-bằng điện cực bạc kim loại Sự kếttủa bạc trên catot bạc được chia thành 3 giai đoạn:

- Vận chuyển các ion phức tới sát bề mặt điện cực

- Sự phóng điện của ion phức Sự phóng điện này xảy ra rất phức tạp, giả thiết có thểmột trong 3 cơ chế sau có thể xảy ra:

(1) Sự phóng điện trực tiếp của ion phức:  -

-2Ag(CN) + e Ag + 2CN

(2) Trước khi phóng điện, ion phức phân ly một phần bằng phản ứng hóa học thuần túy:  -   -

2Ag(CN)  Ag(CN) + CN

Sau đó phóng điện: Ag(CN) + e  Ag + 2CN

-(3) Trước khi phóng điện ion phức phân ly hoàn toàn:  - +

-2Ag(CN)  Ag + 2CN

II.1 Các quá trình vận chuyển chất điện hoạt đến điện cực.

Các quá trình chuyển chất điện hoạt đến bề mặt điện cực và đưa sản phẩm phản ứngđiện cực ra khỏi lớp bề mặt điện cực xảy ra rất nhanh, nhanh hơn rất nhiều so với tốc độphản phản ứng điện cực

Trong trường hợp này, nồng độ ở bề mặt cực và trong lòng dung dịch là đồng nhất(vì quá trình vận chuyển chất là vô hạn và có thể so sánh được với tốc độ của phản ứng điệncực, thì nồng độ của chất điện hoạt ở bề mặt điện cực sẽ thay đổi so với nồng độ của nótrong lòng dung dịch) và vì không thể đo được nồng độ ở bề mặt điện cực, nên phải tính từnồng độ trong lòng dung dịch đã biết dựa vào các định luật của sự chuyển chất

Chất được chuyển từ trong lòng dung dịch đến điện cực bằng các con đường sau:

- Bằng sự điện chuyển.

- Bằng sự đối lưu.

- Bằng sự khuếch tán.

II.1.1 Sự điện chuyển.

Trong quá trình điện phân có sự di chuyển chất xảy ra là do có lực hút tĩnh điện củacác điện cực với các phần tử tích điện có trong dung dịch Hay nói cách khác, các phần tửtích điện chuyển động dưới tác dụng của điện trường

Sự xuất hiện điện chuyển gây cản trở cho quá trình điện phân Không thể loại trừđược hết mà chỉ có thể hạn chế nó đến mức nhỏ nhất bằng cách trước khi điện phân người

ta cho thêm vào dung dịch nghiên cứu một lượng dư chất điện ly trơ

II.1.2 Sự đối lưu.

Có sự chuyển chất bằng đối lưu khi điện phân là do có các phản ứng điện hóa xảy ra

ở điện cực làm giảm nồng độ chất điện hoạt dẫn đến các vị trí trong dung dịch điện phân có:

- Sự khác nhau về tỉ trọng của các chất điện hoạt ở các vị trí khác nhau trong dung dịch

- Chênh lệch về nhiệt độ Chuyển động đối lưu không xảy ra ở sát điện cực mà cách một khoảng cách rất nhỏ.

Muốn cho chuyển chất điện hoạt đến điện cực nhanh, phải khuấy trộn dung dịch điệnphân hoặc quay cực

độ cho nên có sự chuyển dời các phân tử của chất điện hoạt, có nghĩa là có sự khuếch tán từtrong lòng dung dịch đến bề mặt điện cực Như vậy, quá trình chuyển chất là do sự chênhlệch về nồng độ Hoặc sự chuyển dời các phần tử mang điện hay không mang điện dưới tácdụng của gradien hoạt hóa Sự khuếch tán có lợi cho quá trình điện phân.

II.2 Phản ứng điện cực (phản ứng chuyển điện tích).

Các phần tử của chất điện hoạt chuyển đến catot và anot sẽ tham gia phản ứng với điện cực:

Ở catot: Ox1 + ne  Kh1

Ở anot: Kh2  Ox2 + ne

II.3 Sự chuyển sản phẩm hòa tan của phản ứng điện cực ra khỏi lớp sát cực.

Nếu sử dụng điện cực rắn thì sản phẩm sẽ được kết tủa trên bề mặt điện cực rắn làkim loại có mạng lưới tinh thể hoàn chỉnh Còn nếu sử dụng điện cực giọt thủy ngân thì kimloại được kết tủa trên bề mặt giọt thủy ngân dẫn đến tạo thành sản phẩm là hỗn hống

III Các định luật về điện phân.

Theo lý thuyết của Faraday, điện lượng đi qua dung dịch điện phân được xác định bằng công thức:

t

0Q= I dt  Q = I t

Trong đó Q là điện lượng; t là thời gian điện phân; It là cường độ dòng

Trong quá trình điện phân, nồng độ chất điện hoạt giảm dần, dẫn đến cường độ dòng giảm

Trong phân tích khối lượng, điện phân thường được sử dụng để tách từng chất cótrong hỗn hợp dung dịch bằng cách giữ thế không đổi thì cường độ dòng giảm theo thờigian Cường độ dòng giảm theo biểu thức của định luật: -At

Ci: nồng độ chất cần tách bằng điện phân (mol/l) V: thể tích dung dịch đem điện phân

σ: bề dày của lớp khuếch tán

a: đại lượng không đổi nằm trong khoảng 0 < a < 1

Quá trình điện phân được xem là kết thúc khi cường độ dòng cuối:

-2 cuoi bd

Định luật Faraday thứ hai:

Nếu có cùng một điện lượng đi qua các bình điện phân chứa các dung dịch chất điện ly khác nhau thì các lượng chất bị chuyển hóa sẽ tỉ lệ với đương lượng hóa học của chúng.

M.I.t

m =n.F

m: số gam chất giải phóng ở điện cực

M: khối lượng mol nguyên tử

n: số e trao đổi bởi 1 phân tử, nguyên tử, ion, chất điện phân

I: cường độ dòng điện

t: thời gian điện phân

Hình 1 Michael Faraday (1791- 1867).

IV Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân.

IV.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến dạng kết tủa của quá trình điện phân.

Trong phân tích điện phân, phải tách được hoàn toàn kim loại ra ở điện cực và kếttủa kim loại tách ra không được mất mát trong quá trình xử lý Kim loại tách ra có thể ởtrạng thái kết tủa to hạt, bột, tinh thể nhỏ hạt Dạng kết tủa tách ra phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, trong đó quan trọng là mật độ dòng Nếu điện phân ở mật độ dòng lớn và có khí H2 thoát

ra đồng thời thì kết tủa kim loại tách ra ở dạng bột hoặc xốp Bọt khí H2 thoát ra sẽ phủ lấymột phần bề mặt điện cực, nên kim loại tách ra chỉ sẽ tập trung ở các phần bề mặt còn tự do

và do sự tách kết tủa không đều lúc đầu như vậy mà kết tủa sẽ tiếp tục phát triển mạnh ởcác chỗ nhô lên và từ đó có khuynh hướng tạo được kết tủa hình que không dính chặt được

Để có kim loại tách ra mịn, bám chặt vào điện cực, người ta thường tiến hành điệnphân trong các dung dịch phức chất

IV.2 Các quá trình phụ gây cản trở cho quá trình điện phân.

IV.2.1 Quá trình phụ xảy ra trên điện cực chính.

Quá trình phụ xảy ra trên điện cực chính (tức là điện cực, tại đó có sản phẩm cần

tách điện phân) Ví dụ: Khi điện phân các ion kim loại có H2 thoát ra

IV.2.2 Quá trình trình phụ xảy ra trên điện cực phụ.

Quá trình xảy ra trên điện cực phụ có thể ảnh hưởng đến việc tách sản phẩm trênđiện cực chính Ví dụ: khi làm kết tủa điện phân Cu từ dung dịch CuCl2 thì có thể có khí clothoát ra trên anot platin, sẽ ăn mòn anot tạo thành axit cloroplatinic H2PtCl6, ion PtCl62-

chuyển vào trong dung dịch và sẽ bị khử lại ở anot tạo thành kim loại Pt và làm sai lệch kếtquả tách Cu ở anot

Trong một số trường hợp, các ion kim loại bị khử từng nấc ở catot, sản phẩm trunggian tạo thành lại bị oxi hóa lại ở anot và quá trình oxi hóa khử tuần hoàn như vậy sẽ tiêuthụ điện năng vô ích và còn ngăn cản việc tách kim loại ở điện cực Ví dụ: khi điện phândung dịch chứa các ion kim loại Fe3+ và Cu2+ thì ion Fe3+ bị khử trước ở catot tạo thành ion

Fe2+, ion này lại bị oxi hóa lại ở anot và quá trình ngày sẽ ngăn cản việc tách Cu ở catot

Để tránh ảnh hưởng của các phản ứng phụ, người ta thường sử dụng một trong cácbiện pháp sau:

- Điện phân có màng ngăn để tránh ảnh hưởng có hại gây ra do phản ứng trên điện cực phụ.

- Thay đổi một số điều kiện hóa học trong dung dịch chất điện phân.

- Sử dụng điện cực phụ thích hợp để tránh xảy ra phản ứng phụ có hại.

- Thêm các chất phụ để ngăn cản phản ứng phụ

IV.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ khuấy trộn.

Việc tăng nhiệt độ và tốc độ khuấy trộn sẽ làm tăng tốc độ khuếch tán của chất tớiđiện cực và do đó làm tăng tốc điện phân

IV.4 Ảnh hưởng của chất tạo phức.

Sự tạo thành phức làm giảm nồng độ ion kim loại dẫn đến giảm thế cân bằng Nóicách khác, chất tạo phức làm chuyển dịch thế cân bằng theo chiều âm Sự chuyển dịch nàykhác nhau tùy theo quan hệ giữa độ bền của phức kim loại với phối tử Vì vậy, có thể sửdụng các chất tạo phức để tách điện phân các kim loại trong các hỗn hợp

Ngoài ra, tốc độ trao đổi các electron của ion kim loại và ion phức có thể khác nhau

và trong một số trường hợp việc tách kim loại ở dạng phức lại thuận lợi hơn việc tách kim

loại ở dạng hidrat hóa Ví dụ: khi điện phân bạc từ dung dịch AgNO3, sẽ thu được bạc ởdạng tinh thể to hạt và nếu điện phân ở mật độ dòng bé thì kết tủa có dạng hình que hoặchình gậy, có thể thấy dễ dàng từng tinh thể một Nhưng nếu điện phân từ dung dịch phứcAg(CN)2- thì kết tủa thu được rất mịn, sáng trắng dính chặt

V Ưu, nhược điểm.

Phương pháp điện phân có giá trị lớn trong các ngành công nghiệp hóa chất, cơ khí,điện tử,… do tính chất ưu việt của nó:

- Công nghệ đơn giản, dễ dàng tự động hóa và sản xuất liên tục.

- Nguyên liệu phong phú.

- Tạo được nhiều sản phẩm có giá trị, áp dụng cho nhiều kim loại, có thể sản xuất phi kim.

Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của điện phân là tiêu tốn nhiều năng lượng, do đó chi phí năng lượng chiếm một tỉ lệ tương đối cao trong giá thành sản phẩm.

B ĐIỆN PHÂN VÀ ỨNG DỤNG

I Xử lý nước thải.

I.1 Định nghĩa.

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và bị thay

đổi tính chất ban đầu của chúng

Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất gây ô nhiễm có trong nước, làm sạch nước

và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa vào tái sử dụng.

I.2 Phân loại.

Nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh Theo cách phân loại này, có cácloại nước thải sau đây:

- Nước thải sinh hoạt: là nước thải ra từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại,

công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác

- Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh

hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu

Hình 2 Nước thải từ khu dân cư- xả trực tiếp xuống kênh Nhiêu Lộc- Thị Nghè ( TP Hồ Chí Minh).

- Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua

các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga hay hố người

- Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên Ở những thành phố hiện

đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát riêng

- Nước thải đô thị: nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống

thoát của một thành phố Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên

I.3 Vai trò của việc xử lý nước thải.

Nền văn minh của nhân loại càng phát triển, các đô thị mọc lên và được mở rộngmột cách nhanh chóng Vì vậy, nước thải sinh hoạt và chất thải công nghiệp từ các thànhphố gây ra sự ô nhiễm nặng nề đối với môi trường nước và ngày càng trở thành vấn đề cấpbách mang tính chất xã hội và chính trị của cộng đồng Bản thân nước thải chứa nhiều tạpchất khác nhau, trong đó có rất nhiều các virut, vi khuẩn gây bệnh như tả, lị, thương hàn…chất độc gây chết nhiều sinh vật, nếu đi vào cơ thể con người, sẽ tích tụ lại trong cơ thể vàgây bệnh Nhiều công ty, xí nghiệp không xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường đãphải chịu sự trừng phạt của pháp luật

Vì vậy, xử lý nước thải sẽ góp phần phát triển kinh tế, tiết kiệm nguồn nước sạch màhơn hết nó góp phần bảo vệ sức khỏe cho con người, giữ cho môi trường thêm sạch đẹp

Hình 3 Sông Thị Vải bị ô nhiễm bởi nước thải chưa qua xử lý

từ công ty Vedan.

Hình 4 Nước mưa gây ngập úng ở các đô thị.

Các phương pháp xử lý nước thải bao gồm: Cơ

I.4 Xử lý nước thải bằng điện phân.

Sử dụng các quá trình oxi hóa anot và khử của catot để làm nước thải khỏi các tạp

chất hòa tan và phân tán Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng

điện một chiều đi qua nước thải Phương pháp này có sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản,

tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học nhưng lại tiêu hao điện năng lớn.

Phương pháp này có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục

I.4.1 Oxi hóa anot và khử của catot.

Xét sơ đồ bể điện phân sau:

Các quá trình đã được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất xyanua,ancol sunfo xyanua, các amin, andehit, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm azo, sunfit…Trong quátrình oxi hóa, các chất trong nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và H2O tạothành các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách ra bằng phương pháp khác

Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tính chất điệnphân như graphit, macnetit (Fe3O4), PbO2…Catot được làm bằng molipden, hợp kim củavonfram với sắt hay niken; từ than chì, thép không gỉ và các kim loại khác được phủ lớpmolipden, vonfram hay hợp chất của chúng

Quá trình được tiến hành trong bể điện phân có hoặc không có màng

Hình 5 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.

Hình 6 Sơ đồ bể điện phân

1 Thân bể

2 Anot

3 Catot

4 Màng

I.4.1.1.Khử độc xyanua.

I.4.1.1.1 Oxi hóa của anot.

Nước thải của các nhà máy chế tạo máy, chế tạo dụng cụ, luyện kim đen và luyệnkim màu, công nghiệp hóa chất…ngoài chứa các xyanua đơn giản (KCN, NaCN) còn cócác xyanua phức của kẽm, đồng, sắt và các kim loại khác

Oxi hóa anot của xyanua: - +

2CNO + 4OH -6e  N  + 2CO  + 2H O

Phương pháp này có hiệu quả xử lý gần 100%

I.4.1.1.2 Kỹ thuật oxi hóa bằng NaOCl mới sinh.

Trong kỹ thuật này, NaOCl mới sinh do quá trình điện phân dung dịch NaCl không cómàng ngăn sẽ oxi hóa CN- theo phản ứng:

CN + ClO CNO + Cl2CNO + 3ClO + 2H O 2CO + 3Cl + 2OH





Phương pháp này có ưu điểm là không cần thêm hóa chất từ bên ngoài nên nước sau khi xử

lý nên có thể quay lại quá trình sản xuất từ ban đầu

I.4.1.2 Khử kim loại nặng.

Các quá trình khử của catot được ứng dụng để loại các ion kim loại ra khỏi nước thảivới sự tạo thành cặn, nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành các hợp chất ít độc hơnhoặc về dạng dễ tách ra khỏi nước như cặn, khí Quá trình này có thể được sử dụng để làmsạch nước thải ra khỏi các ion kim loại nặng như Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+, As3+ và Cr6+ Quátrình khử của catot đối với ion kim loại xảy ra như sau: Men+ + ne  Men Ở đây, các kimloại lắng lên catot và có thể thu hồi chúng

Ví dụ: Quá trình khử hợp chất crom đã đạt đến mức độ làm sạch cao: nồng độ của

chúng từ 1000 tới còn 1g/ml Năng lượng tiêu tốn cho làm sạch vào khoảng 0,12 kWh/m3.Trong điện phân nước thải chứa H2Cr2O7, giá trị tối ưu pH vào khoảng 2 Phản ứng khử xảy

ra theo phương trình sau: 2- +

Cr O + 14H + 12e 2Cr + 7 H O

Để xử lý nước thải chứa một số kim loại nặng, người ta tiến hành quá trình làm sạchnước thải ra khỏi các ion Hg2+, Pb2+, Cd2+, Cu2+ bằng quá trình khử trên catot được làm từ

hỗn hợp C và S Các ion này lắng trên cực ở dạng sunfua hoặc bisunfua và được tách rabằng phương pháp cơ học.

Cũng có thể sử dụng các phản ứng khử tách chất gây ô nhiễm bằng cách chuyểnchúng sang pha khí Ví dụ: Khử NH4NO3 trên điện cực than chì, quá trình xảy ra như sau:

NH4NO3 + 2H+ + 2e  NH4NO2 + H2O

NH4NO2  N2↑+ 2H2O

I.4.2 Tuyển nổi bằng điện.

Tuyển nổi: là phương pháp được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng Trong một số trường hợp, quá trình

này cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt

Trong xử lý nước thải, về nguyên tắc, tuyển nổi thường được sử dụng để khử các

chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là có thể khử được hoàn toàn vác hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm, trong một thời gian ngắn Khi các hạt đã

nổi lên trên bề mặt, chúng có thể được thu gòm bằng bộ phận vớt bọt

Trong quá trình làm sạch nước thải bằng phương pháp này, việc tách hạt lơ lửng lànhờ các bọt khí được tạo thành trong điện phân nước Ở cực anot là các bóng khí oxi, trêncatot là hidro Khi các bóng khí này nổi lên gặp và kéo theo các hạt lơ lửng cùng nổi lên bềmặt nước Khi sử dụng các điện cực hòa tan, xảy ra đồng thời việc tạo thành các bông đông

tụ và các bọt xảy ra mãnh liệt hơn

Hình 7 Sơ đồ hệ thống thiết

bị tuyển nổi một điện ngăn

1 Thân thiết bị

2 Điện cực

II Điện phân sản xuất.

II.1 Sản xuất các chất vô cơ.

II.1.1 Điện phân nóng chảy.

- Phương pháp điện phân nóng chảy được dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh như: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al,…

+ Nhôm được điều chế bằng phương pháp điện phân nóng chảy Al2O3 nguyên chất ở

2000oC với criolit (criolit, một mặt tăng tính dẫn điện của chất lỏng điện phân, tiết kiệmnăng lượng, mặt khác, nó có khối lượng riêng nhỏ hơn nhôm, nổi lên trên và ngăn cảnnhôm bị oxi hóa trong không khí)

Catot: 2Al + 6e3+  2Al0

+ Các kim loại kiềm được điều chế bằng cách điện phân nóng chảy hidroxit hoặc muối

clorua của chúng trong điều kiện không cho sản phẩm tiếp xúc với không khí Riêng kimloại kiềm thổ, thực tế chỉ điện phân muối clorua

2MOH dpnc

  2M +1/2 O2↑ + H2O↑ (M = Na, K,…)2MClx dpnc

2

Hay: Al2O3   criolitdpnc 4Al + 3O2↑

Hình 8 Sơ đồ thùng điện phân Al2O3 nóng chảy.

Hay: 2 2

12NaOH 2Na + O + H O

II.1.2 Điện phân dung dịch.

Dùng để điều chế các kim loại hoạt động trung bình và yếu: Fe, Cu, Ag,… và nước

trong dung dịch đóng vai trò để các cation và anion di chuyển về các điện cực, đôi khi thamgia vào phản ứng điện cực Tuy nhiên, thực tế người ta ít dùng điện phân, thay vào đó lànhiệt luyện

- Một lượng lớn xút, khí clo, khí oxi, khí hidro, các hợp chất chứa oxi của clo(hypoclorit, clorat) được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch

+ Xút và khí clo được sản xuất từ nguyên liệu vô cùng rẻ là muối ăn

Hay: 2NaCl + 2H2O     comang ngandpdd Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH

Hình 9 Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn.

Với điện phân có màng ngăn, hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH là Cl2 và

H2 Với điện phân không có màng ngăn, sản phẩm tạo thành là nước Gia- ven có ý nghĩatrong đời sống sinh hoạt và công nghiệp giấy, vải,…

Ưu điểm:

- Công nghệ đơn giản.

- Sử dụng nguyên liệu và năng lượng toàn diện hơn.

- Tạo được sản phẩm có giá trị và độ sạch cao.

Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều năng lượng.

+ Bên cạnh phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng được dùng rất phổbiến, oxi cùng với hidro có thể điều chế bằng cách điện phân nước Về bản chất, nướcnguyên chất không bị điện phân do điện trở quá lớn Do vậy, muốn điện phân nước cần chovào thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh,…

2H2O dp

  2H2↑ + O2↑+ Phương pháp điện phân còn được dùng để điều chế nước oxi già, các hợp chấtferoxit, pemanganat, mangan đioxit,…

Hình 11 Nước oxi già.

Hình 10 Nước Gia- ven.

Điện phân dung dịch H2SO4 50% hoặc dung dịch (NH4)2SO4 trong H2SO4 với mặtcủa dòng điện lớn và điện cực platin ở nhiệt độ 5- 10oC Tuy cơ chế chi tiết của quá trìnhđiện phân vẫn chưa biết rõ hoàn toàn, nhưng cơ chế chung như sau:

Chưng cất hỗn hợp thu được ở áp suất thấp sẽ thu được dung dịch H2O2 loãng

Nhược điểm: nguyên liệu đắt và tốn nhiều điện năng.

II.2 Tổng hợp các chất hữu cơ.

Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện phân là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã có rất nhiều công trình công bố

II.2.2 Điện phân theo phương pháp Kolbe.

Điện phân Kolbe hay phản ứng Kolbe là một phương pháp tổng hợp chất hữu cơ- đầu tiênbằng phương pháp điện phân và được đặt tên theo Adolph Wilhelm Hermann Kolbe

Phân li trong dung dịch: RCOONa → RCOO- + Na+

Hình 12 Adolph Wilhelm Hermann Kolbe

( 1818- 1884.)

Phản ứng điện cực:

II.2.3 Các hợp chất hữu cơ khác.

Ngày nay, người ta đã tiến hành tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điệnphân, trên catot khử các hợp chất có liên kết đôi hoặc liên kết ba để tạo ra các hợp chất cópolime hoặc là no hóa các hidrocacbua không no; khử hóa các hợp chất nitro…Trên anottiến hành các phản ứng oxi hóa, phản ứng thế, phản ứng kết hợp Phản ứng flo hóa:

C2H6 + 12F  → C2F6 + 6HF + 12eTuy nhiên cho đến nay, phương pháp điện phân dùng để tổng hợp chất hữu cơ vẫnchưa được sử dụng rộng rãi

III Tinh luyện kim loại bằng điện phân.

Tinh luyện một số kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au…

Nguyên tắc: Dùng ngay kim loại cần tinh chế làm anot Khi điện phân kim loại anot

bị hòa tan chuyển vào dung dịch và lại kết tủa trên catot dưới dạng tinh khiết (tạp chất hoặcchất không tan chuyển thành bùn anot, hoặc tan chuyển vào dung dịch nhưng không kết tủa

ở catot)

Luyện kẽm thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO4 Sản phẩm Zn thu được

có thể đạt 99,99% Do quá thế của H2 trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trườngaxit với hiệu suất rất cao Tuy nhiên, ở một số vị trí, quá thế (*) hidro thấp, nên sự có mặtcác tạp chất, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn như: Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảmhiệu suất dòng mà còn ngăn không cho Zn kết tủa Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn là đểtạo ra dung dịch kẽm sunfat không có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng catot

Đồng được sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất Tạp chất ảnhhưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu Phương pháp điện phân tinh luyện sẽ cải thiệntính chất điện của Cu Lý do thứ hai của điện phân tinh luyện là tách các kim loại quý như

Au, Ag, Pt, Pd Các kim loại tạp chất có mặt ở anot đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành

Fe2+ và Zn2+ trong dung dịch song chúng không bị khử ở catot tại thế khử đồng Các kim

loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anot và đọng lại ở đáy bình điệnphân khi anot đồng bị hòa tan Bằng cách này đồng đạt độ tinh khiết là 99,5%.

IV Tách và phân tích các chất trong hỗn hợp.

Phương pháp điện phân là một trong các phương pháp được dùng trong phân tích và

có tầm quan trọng nhất định Bởi phương pháp điện phân cho kết quả chính xác, thời gian phân tích không kéo dài và có khả năng khống chế cho phép tách đơn giản nhiều ion cùng

có mặt.

IV.1 Phương pháp phân tích điện khối lượng.

Trong phân tích điện khối lượng, người ta tiến hành điện phân dung dịch phân tíchtrong các điều kiện thích hợp để thực tế toàn bộ ion chất cần phân tích bị điện phân kết tủađịnh lượng lên bề mặt điện cực làm việc Trước khi điện phân, ta cân điện cực làm việc.Sau khi điện phân, đem rửa, sấy và cân lại điện cực có kết tủa bám vào Dựa vào khối lượngkết tủa sẽ tính hàm lượng chất cần phân tích

Phương pháp điện khối lượng thường được sử dụng để định lượng các ion kim loại

có hoạt tính điện hóa và trong một số trường hợp cần dùng để xác định một số anion có khảnăng kết tủa điện hóa trên bề mặt điện cực làm việc Điện cực làm việc thường có dạnghình trụ lưới bằng platin đôi khi bằng bạc Cực phụ trở thường là một dây thường là mộtdây Pt dạng lò xo hoặc dạng thanh có kích thước nhỏ

IV.2 Tách bằng phương pháp điện phân.

Thủy ngân là điện cực làm việc có rất nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi trong

phân tích điện hóa Ưu điểm: có thể tạo hỗn hống với nhiều kim loại nên việc điện phân các ion kim loại đó dùng catot thủy ngân rất dễ dàng; điện cực Hg dễ được làm sạch, dễ chuẩn

bị, có bề mặt rất đồng nhất nên các phép đo với các loại điện cực này có độ lặp rất cao; hóa thế hidro trên điện cực rất lớn, nên khoảng thế để điện phân các ion kim loại và nhiều chất

vô cơ cũng như hữu cơ là rất rộng Tách trong trường hợp này là tách kim loại đã được hòa

tan trong thủy ngân tạo thành hỗn hống mà không chuyển vào dung dịch nữa Sau đó chothủy ngân bay hơi sẽ thu được các kim loại, nhất là kim loại quý tinh khiết như vàng, bạc…