Điện phân: điện phân nóng chảy, điện phân dung dịch, thứ tự điện phân tại cathode, anode và bài tập có đáp án

Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch. Điện phân nóng chảy NaCl, Al2O3, điện phân dung dịch CuCl2, NaCl, CuSO4, thứ tự điện phân ở cathode và anode, ví dụ và bài tập có đáp án Hóa 12.

Điện phân là gì?

Điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Ở điện phân, cathode là cực âm (nối với cực âm nguồn) xảy ra sự khử cation; anode là cực dương xảy ra sự oxi hóa anion.

Điện phân nóng chảy

Điện phân $\ce{NaCl}$ nóng chảy: $\ce{2NaCl ->[dpnc] 2Na + Cl2}$. Cathode: $\ce{Na+ + e -> Na}$; anode: $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e}$.
Điện phân $\ce{Al2O3}$ nóng chảy (hòa tan trong criolit $\ce{Na3AlF6}$): $\ce{2Al2O3 ->[dpnc] 4Al + 3O2}$.
Dùng để điều chế kim loại hoạt động mạnh: Na, K, Ca, Mg, Al.

Điện phân dung dịch

Điện cực	Thứ tự điện phân	Ghi chú
Cathode (khử cation)	Cation có $E^\circ$ lớn khử trước: $\ce{Ag+} > \ce{Fe^{3+}} > \ce{Cu^{2+}} > \ce{H+}$ (acid) $> \ce{Fe^{2+}} > \ce{Zn^{2+}}$ ...	$\ce{Na+}$, $\ce{K+}$, $\ce{Ca^{2+}}$, $\ce{Mg^{2+}}$, $\ce{Al^{3+}}$ không bị khử, nước bị khử: $\ce{2H2O + 2e -> H2 + 2OH-}$
Anode trơ (oxi hóa anion)	$\ce{S^{2-}} > \ce{I-} > \ce{Br-} > \ce{Cl-} > \ce{H2O}$	$\ce{SO4^{2-}}$, $\ce{NO3-}$, $\ce{F-}$ không bị oxi hóa, nước bị oxi hóa: $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e}$

Ví dụ 1: Điện phân dung dịch $\ce{CuCl2}$ (điện cực trơ)

Cathode: $\ce{Cu^{2+} + 2e -> Cu}$; anode: $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e}$.

Phương trình: $\ce{CuCl2 ->[dpdd] Cu + Cl2}$.

Ví dụ 2: Điện phân dung dịch $\ce{NaCl}$ có màng ngăn

Cathode: $\ce{2H2O + 2e -> H2 + 2OH-}$; anode: $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e}$.

$\ce{2NaCl + 2H2O ->[dpdd, mn] 2NaOH + H2 + Cl2}$.

Ví dụ 3: Điện phân dung dịch $\ce{CuSO4}$

Cathode: $\ce{Cu^{2+} + 2e -> Cu}$; anode: $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e}$.

$\ce{2CuSO4 + 2H2O ->[dpdd] 2Cu + O2 + 2H2SO4}$; dung dịch chuyển acid.

Ví dụ 4: Điện phân dung dịch $\ce{Na2SO4}$

Thực chất là điện phân nước.

$\ce{2H2O ->[dpdd] 2H2 + O2}$.

Xem bài: Pin Galvani và nguồn điện hóa học

Xem bài: Thế điện cực chuẩn và sức điện động của pin

So sánh pin và điện phân

Đặc điểm	Pin Galvani	Điện phân
Năng lượng	Hóa năng $\to$ điện năng	Điện năng $\to$ hóa năng
Phản ứng	Tự xảy ra	Cần cung cấp dòng điện
Cathode	Cực dương	Cực âm
Anode	Cực âm	Cực dương

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Viết phương trình điện phân nóng chảy $\ce{MgCl2}$.
Viết phương trình điện phân dung dịch $\ce{AgNO3}$ (điện cực trơ).
Điện phân dung dịch $\ce{KCl}$ có màng ngăn tạo những sản phẩm nào?
Điện phân dung dịch hỗn hợp $\ce{CuSO4}$ và $\ce{NaCl}$: ở cathode ion nào bị khử trước?
Vì sao không điện phân dung dịch để điều chế Al?

Đáp án

$\ce{MgCl2 ->[dpnc] Mg + Cl2}$.
$\ce{4AgNO3 + 2H2O ->[dpdd] 4Ag + O2 + 4HNO3}$.
$\ce{KOH}$, $\ce{H2}$ (cathode) và $\ce{Cl2}$ (anode).
$\ce{Cu^{2+}}$ bị khử trước.
Vì $\ce{Al^{3+}}$ không bị khử trong dung dịch, nước bị khử thay thế nên phải điện phân $\ce{Al2O3}$ nóng chảy.