Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
Electrolysis of molten compounds
What electrolysis is
Electrolysis is the breakdown of an ionic compound, when molten or in aqueous solution, by the passage of electricity.
The words "molten or in aqueous solution" are part of the definition, not decoration: a solid ionic compound has its ions locked in place, so nothing can move and nothing happens.
The two electrodes
| electrode | charge | attracts | process |
| cathode | negative | positive ions (cations) | gain of electrons — reduction |
| anode | positive | negative ions (anions) | loss of electrons — oxidation |
The whole table follows from one idea: opposite charges attract. If you can remember that the cathode is negative, everything else can be worked out rather than memorised.
Half-equations
At the cathode, positive ions gain electrons; write the electrons on the left:
$$\ce{Pb^2+ + 2e^- -> Pb}$$At the anode, negative ions lose electrons; write the electrons on the right:
$$\ce{2Br^- -> Br2 + 2e^-}$$Check both ways: the atoms must balance, and the charges must balance. On the left of the bromide equation the total charge is $2\times(-1)=-2$; on the right it is $0+2\times(-1)=-2$ ✓.
Molten compounds are the simple case
A molten compound contains only one kind of positive ion and one kind of negative ion, so there is no choice: the metal is always produced at the cathode and the non-metal at the anode. Molten lead(II) bromide gives lead at the cathode and bromine at the anode, every time.
Điện phân là gì. Điện phân là sự phân huỷ một hợp chất ion, khi nó ở trạng thái nóng chảy hoặc trong dung dịch nước, bằng dòng điện chạy qua.
Cụm “nóng chảy hoặc trong dung dịch nước” là một phần của định nghĩa, không phải chi tiết thừa: hợp chất ion ở thể rắn có ion bị khoá tại chỗ, nên không có gì di chuyển được và không có gì xảy ra.
Hai điện cực.
- Catot — mang điện âm, hút ion dương, ở đó ion nhận electron; đây là quá trình khử;
- Anot — mang điện dương, hút ion âm, ở đó ion nhường electron; đây là quá trình oxi hoá.
Toàn bộ bảng trên suy ra từ một ý duy nhất: trái dấu thì hút nhau. Nhớ được rằng catot mang điện âm là suy ra được mọi thứ còn lại, không cần học thuộc bốn dòng rời rạc.
Phương trình nửa phản ứng. Ở catot, ion dương nhận electron; viết electron ở vế trái:
$$\ce{Pb^2+ + 2e^- -> Pb}$$Ở anot, ion âm nhường electron; viết electron ở vế phải:
$$\ce{2Br^- -> Br2 + 2e^-}$$Kiểm theo hai chiều: nguyên tử phải cân bằng, và điện tích cũng phải cân bằng. Ở vế trái của phương trình bromua, tổng điện tích là $2\times(-1)=-2$; vế phải là $0+2\times(-1)=-2$ ✓.
Chất nóng chảy là trường hợp đơn giản. Chất nóng chảy chỉ chứa một loại ion dương và một loại ion âm, nên không có gì để chọn: kim loại luôn thoát ra ở catot và phi kim ở anot. Chì(II) bromua nóng chảy cho chì ở catot và brom ở anot, không có ngoại lệ.
Điện phân nhôm oxit $\ce{Al2O3}$ nóng chảy. (a) Nêu sản phẩm ở mỗi điện cực. (b) Viết phương trình nửa phản ứng ở catot và ở anot. (c) Kiểm rằng mỗi phương trình cân bằng cả về nguyên tử lẫn điện tích.
(a) Nhôm oxit nóng chảy chứa ion $\ce{Al^3+}$ và ion $\ce{O^2-}$.
Ion $\ce{Al^3+}$ mang điện dương nên đi về catot — sản phẩm là nhôm. Ion $\ce{O^2-}$ mang điện âm nên đi về anot — sản phẩm là oxy.
(b) Ở catot, ion dương nhận electron, viết electron ở vế trái:
$$\ce{Al^3+ + 3e^- -> Al}$$Ở anot, ion âm nhường electron, viết electron ở vế phải:
$$\ce{2O^2- -> O2 + 4e^-}$$(c) Kiểm phương trình catot.
Nguyên tử: một nhôm ở mỗi vế ✓.
Điện tích: vế trái $(+3)+3\times(-1)=0$; vế phải $0$ ✓.
Kiểm phương trình anot.
Nguyên tử: hai oxy ở mỗi vế ✓.
Điện tích: vế trái $2\times(-2)=-4$; vế phải $0+4\times(-1)=-4$ ✓.
Vì sao phải kiểm cả hai chiều. Một phương trình có thể cân bằng nguyên tử nhưng lệch điện tích — chẳng hạn viết $\ce{2O^2- -> O2 + 2e^-}$ thì nguyên tử vẫn đúng nhưng điện tích lệch $-4$ so với $-2$. Chỉ kiểm nguyên tử là bỏ qua đúng nửa số lỗi.
Một học sinh nối hai điện cực vào một khối natri clorua rắn và bật nguồn điện. Không có gì xảy ra. Sau đó khối muối được đun cho nóng chảy và thí nghiệm lặp lại — lần này có sản phẩm ở cả hai điện cực. Giải thích.
Với muối rắn. Natri clorua rắn có ion, và ion có mang điện. Nhưng trong mạng tinh thể, mỗi ion bị các ion trái dấu xung quanh giữ chặt ở vị trí cố định. Chúng chỉ dao động tại chỗ.
Điện phân đòi hỏi ion phải di chuyển tới điện cực. Không có chuyển động thì không có ion nào tới được điện cực nào, nên không có phản ứng nào xảy ra và không có dòng điện.
Với muối nóng chảy. Nhiệt đã phá vỡ mạng tinh thể, và các ion chuyển động tự do được.
Ion $\ce{Na+}$ đi về catot âm và nhận electron thành natri kim loại; ion $\ce{Cl-}$ đi về anot dương và nhường electron thành khí clo. Dòng điện chạy qua chất lỏng chính là dòng ion di chuyển.
Điểm cần diễn đạt đúng. Câu trả lời “vì muối rắn không có ion” là sai sự thật — nó có đủ ion. Phải nói ion không chuyển động tự do được.
Cùng lý do đó giải thích vì sao hoà tan muối vào nước cũng cho điện phân được: nước tách các ion ra khỏi mạng tinh thể và cho chúng chuyển động tự do, dù nhiệt độ chỉ là nhiệt độ phòng.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Electrochemistry gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.