Mục lục bài họcĐang ở d04-b2
Aqueous solutions and applications
Water changes everything
In an aqueous solution the water itself supplies $\ce{H+}$ and $\ce{OH-}$ ions. So at each electrode there are now two candidates, and only one of them is discharged. This is why the products of electrolysing a solution are often not what the salt's formula suggests.
At the cathode: the less reactive one wins
The competition is between the metal ion and $\ce{H+}$.
- if the metal is more reactive than hydrogen (sodium, potassium, calcium, magnesium, aluminium), hydrogen is produced;
- if the metal is less reactive than hydrogen (copper, silver), the metal is produced.
Sodium is far more reactive than hydrogen, so electrolysing aqueous sodium chloride gives hydrogen at the cathode, not sodium. Electrolysing copper(II) sulfate gives copper.
At the anode: halide beats oxygen when concentrated
The competition is between the non-metal ion and $\ce{OH-}$.
- if a halide ion ($\ce{Cl-}$, $\ce{Br-}$, $\ce{I-}$) is present in reasonable concentration, the halogen is produced;
- otherwise oxygen is produced, from the $\ce{OH-}$ ions.
So concentrated aqueous sodium chloride gives chlorine at the anode, while dilute sulfuric acid gives oxygen.
Two applications worth knowing
Electroplating. The object to be plated is made the cathode, because metal ions are positive and must be attracted to it. The plating metal is the anode, and the electrolyte contains ions of that metal. Used to make a cheap metal look better or resist corrosion.
Purifying copper. The impure copper is the anode and dissolves; pure copper is deposited on the cathode. The impurities fall to the bottom as a sludge. The anode gets thinner and the cathode gets thicker — a detail exam questions ask about directly.
Nước làm đổi mọi thứ. Trong dung dịch nước, chính nước cung cấp thêm ion $\ce{H+}$ và $\ce{OH-}$. Vì thế ở mỗi điện cực nay có hai ứng viên, và chỉ một trong hai được phóng điện.
Đó là lý do sản phẩm điện phân dung dịch thường không phải thứ mà công thức muối gợi ý — và đó cũng là toàn bộ chỗ khó của phần này.
Ở catot: chất kém hoạt động hơn thắng. Cuộc cạnh tranh là giữa ion kim loại và ion $\ce{H+}$.
- nếu kim loại hoạt động mạnh hơn hiđro (natri, kali, canxi, magie, nhôm) → thoát ra hiđro;
- nếu kim loại kém hoạt động hơn hiđro (đồng, bạc) → thoát ra kim loại.
Natri hoạt động mạnh hơn hiđro rất nhiều, nên điện phân dung dịch natri clorua cho hiđro ở catot, không cho natri. Điện phân dung dịch đồng(II) sunfat thì cho đồng.
Ở anot: ion halogenua thắng oxy khi dung dịch đặc. Cuộc cạnh tranh là giữa ion phi kim và ion $\ce{OH-}$.
- nếu có ion halogenua ($\ce{Cl-}$, $\ce{Br-}$, $\ce{I-}$) ở nồng độ đáng kể → thoát ra halogen;
- nếu không → thoát ra oxy, sinh từ ion $\ce{OH-}$.
Vậy dung dịch natri clorua đặc cho clo ở anot, còn dung dịch axit sunfuric loãng cho oxy.
Hai ứng dụng nên thuộc.
Mạ điện. Vật cần mạ được nối làm catot, vì ion kim loại mang điện dương và phải bị điện cực âm hút về. Kim loại dùng để mạ làm anot, và dung dịch điện phân chứa ion của chính kim loại đó. Dùng để làm vật rẻ tiền trông đẹp hơn hoặc chống ăn mòn.
Tinh chế đồng. Đồng thô làm anot và tan dần ra; đồng tinh khiết bám vào catot. Tạp chất rơi xuống đáy thành bùn. Anot mỏng đi, catot dày lên — chi tiết mà đề thi hỏi thẳng.
Điện phân dung dịch natri clorua đặc bằng điện cực trơ. (a) Nêu sản phẩm ở mỗi điện cực. (b) Giải thích vì sao không thu được natri. (c) So sánh với sản phẩm khi điện phân natri clorua nóng chảy.
(a) Ở catot: khí hiđro. Ở anot: khí clo. (Dung dịch còn lại chứa natri hiđroxit.)
(b) Ở catot có hai ion dương cạnh tranh: $\ce{Na+}$ từ muối và $\ce{H+}$ từ nước.
Quy tắc: ion của nguyên tố kém hoạt động hơn sẽ được phóng điện. Natri nằm rất cao trong dãy hoạt động, cao hơn hiđro nhiều, nên ion $\ce{Na+}$ giữ chặt vị trí ion của nó và không nhận electron.
Ion $\ce{H+}$ nhận electron dễ hơn nhiều:
$$\ce{2H+ + 2e^- -> H2}$$Vậy khí thoát ra ở catot là hiđro, và các ion $\ce{Na+}$ ở lại trong dung dịch.
(c) Với natri clorua nóng chảy thì hoàn toàn khác. Không có nước, nên không có ion $\ce{H+}$ nào để cạnh tranh. Ion $\ce{Na+}$ là ion dương duy nhất có mặt, nên nó buộc phải nhận electron:
$$\ce{Na+ + e^- -> Na}$$Sản phẩm ở catot là natri kim loại.
Ý cần rút ra. Cùng một muối, hai trạng thái, hai sản phẩm khác hẳn — và điều quyết định là có nước hay không. Đây cũng là lý do công nghiệp phải điện phân nhôm oxit nóng chảy ở nhiệt độ rất cao thay vì điện phân dung dịch: nhôm hoạt động mạnh hơn hiđro nên dung dịch chỉ cho ra khí hiđro.
(a) Mô tả cách mạ một chiếc thìa thép bằng bạc, nêu rõ vật nào làm điện cực nào và vì sao. (b) Trong quá trình tinh chế đồng bằng điện phân, khối lượng của mỗi điện cực thay đổi thế nào?
(a) Mạ bạc cho thìa thép.
- chiếc thìa làm catot (điện cực âm);
- một thanh bạc nguyên chất làm anot;
- dung dịch điện phân là một muối bạc tan, chẳng hạn bạc nitrat.
Vì sao thìa phải là catot. Ion bạc $\ce{Ag+}$ mang điện dương, nên nó chỉ bị hút về điện cực âm. Tại đó nó nhận electron và bám lên bề mặt thìa thành lớp bạc:
$$\ce{Ag+ + e^- -> Ag}$$Nối ngược lại thì thìa sẽ tan ra thay vì được mạ.
Anot bạc tan dần theo phản ứng $\ce{Ag -> Ag+ + e^-}$, bổ sung ion bạc cho dung dịch nên nồng độ dung dịch không đổi trong suốt quá trình.
(b) Tinh chế đồng.
Anot là khối đồng thô. Nó tan dần nên khối lượng giảm:
$$\ce{Cu -> Cu^2+ + 2e^-}$$Catot là một lá đồng tinh khiết. Ion $\ce{Cu^2+}$ trong dung dịch bám vào đó nên khối lượng tăng:
$$\ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu}$$Tạp chất trong đồng thô — thường là bạc, vàng và platin — không tan ra mà rơi xuống đáy thành lớp bùn anot. Lớp bùn này có giá trị đủ lớn để việc thu hồi nó bù được một phần chi phí điện.
Nói gọn: anot mỏng đi, catot dày lên, và tổng lượng đồng gần như không đổi — chỉ chuyển chỗ và bỏ lại tạp chất.
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.