Ứng dụng của điện phân: mạ điện, tinh chế đồng, điều chế kim loại, định luật Faraday và bài tập có đáp án Hóa 12

Ứng dụng của điện phân gồm mạ điện, tinh chế đồng, điều chế kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm, sản xuất NaOH, Cl2, H2. Định luật Faraday m = A.I.t/(n.F), cách tính khối lượng chất thoát ra, thời gian điện phân, ví dụ và bài tập có đáp án Hóa 12.

Ứng dụng của điện phân là gì?

Ứng dụng của điện phân rất rộng trong công nghiệp: mạ điện để bảo vệ và trang trí kim loại, tinh chế đồng, điều chế các kim loại hoạt động như Na, K, Ca, Mg, Al, và sản xuất hóa chất như NaOH, $\ce{Cl2}$, $\ce{H2}$. Lượng chất sinh ra ở điện cực được tính theo định luật Faraday.

Định luật Faraday

Khối lượng chất thoát ra ở điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua và khối lượng đương lượng của chất:

$$m = \frac{A \cdot I \cdot t}{n \cdot F} \qquad n_e = \frac{I \cdot t}{F}$$

Trong đó $A$ là khối lượng mol, $I$ là cường độ dòng điện (A), $t$ là thời gian (s), $n$ là số electron trao đổi cho một ion, $F = 96\,485$ C/mol (thường làm tròn $96\,500$).

Ví dụ 1

Điện phân dung dịch $\ce{CuSO4}$ với dòng $2$ A trong $1930$ s (điện cực trơ). Tính khối lượng Cu ở cathode.

$n_e = 2 \cdot 1930 : 96500 = 0{,}04$ mol nên $n_{\ce{Cu}} = 0{,}02$ mol, $m = 1{,}28$ g.

Ví dụ 2

Tính thời gian cần điện phân với dòng $5$ A để thu $6{,}4$ g Cu.

$n_{\ce{Cu}} = 0{,}1$ mol nên $n_e = 0{,}2$ mol; $t = 0{,}2 \cdot 96500 : 5 = 3860$ s (khoảng $64{,}3$ phút).

Xem bài: Điện phân

Các ứng dụng chính

Ứng dụng	Nguyên tắc
Mạ điện	Vật cần mạ là cathode, kim loại mạ là anode (tan), dung dịch chứa muối của kim loại mạ
Tinh chế đồng	Anode là đồng thô, cathode là đồng tinh khiết, dung dịch $\ce{CuSO4}$; Ag, Au lắng xuống thành bùn anode
Điều chế kim loại	Điện phân nóng chảy muối chloride hoặc oxide (Na, Mg, Al)
Sản xuất NaOH, $\ce{Cl2}$, $\ce{H2}$	Điện phân dung dịch $\ce{NaCl}$ có màng ngăn

Ví dụ 3

Mạ bạc lên một vật bằng dòng $1$ A trong $9650$ s. Tính khối lượng Ag bám lên.

$n_e = 1 \cdot 9650 : 96500 = 0{,}1$ mol nên $n_{\ce{Ag}} = 0{,}1$ mol, $m = 10{,}8$ g.

Ví dụ 4

Điện phân nóng chảy $\ce{Al2O3}$ để thu $27$ kg Al cần bao nhiêu kmol electron?

$n_{\ce{Al}} = 1$ kmol, mỗi Al nhận $3$ electron nên cần $3$ kmol electron.

Lợi ích và lưu ý

Điện phân tiêu tốn nhiều điện năng (sản xuất Al tốn khoảng $13$–$15$ kWh/kg), nên cần tối ưu năng lượng và tái chế kim loại. Cần xử lí khí thải ($\ce{Cl2}$) và nước thải chứa kim loại nặng trong mạ điện.

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Điện phân dung dịch $\ce{AgNO3}$ bằng dòng $2{,}5$ A trong $1$ giờ. Tính khối lượng Ag (Ag $=108$; $F = 96500$).
Điện phân nóng chảy $\ce{NaCl}$ bằng dòng $10$ A trong $9650$ s. Tính khối lượng Na.
Mô tả cách tinh chế đồng thô.
Mạ niken lên vật sắt: điện cực nào là anode, cathode?
Tính thời gian điện phân $\ce{CuSO4}$ với dòng $3$ A để thu $3{,}2$ g Cu.

Đáp án

$n_e = 2{,}5 \cdot 3600 : 96500 \approx 0{,}0933$ mol, $m \approx 10{,}07$ g.
$n_e = 1$ mol nên $m_{\ce{Na}} = 23$ g.
Anode: đồng thô, cathode: đồng tinh khiết, dung dịch $\ce{CuSO4}$; Cu tan ở anode và bám vào cathode.
Anode là Ni, cathode là vật sắt.
$n_e = 0{,}1$ mol; $t = 0{,}1 \cdot 96500 : 3 \approx 3217$ s.

Tổng kết

Bài học liên quan

Bài trước: Điện phân

Xem tất cả bài học chủ điểm Pin điện và điện phân

Câu hỏi thường gặp

Điện phân có những ứng dụng nào?

Mạ điện, tinh chế kim loại, điều chế kim loại, sản xuất NaOH và $\ce{Cl2}$.

Công thức Faraday là gì?

$m = A I t / (n F)$.

Mạ điện thực hiện thế nào?

Vật cần mạ làm cathode, kim loại mạ làm anode.

Hằng số Faraday bằng bao nhiêu?

Khoảng $96\,485$ C/mol.