ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI I. Nguyên tắc điều chế kim loại Thực

ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

I. Nguyên tắc điều chế kim loại

Thực hiện quá trình khử ion kim loại:  ${{M}^{n+}}+ne\to M$

II. Phương pháp điều chế kim loại

III. Lí thuyết trọng tâm về điện phân

- Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot).

- Tại catot xảy ra quá trình khử cation (${{M}^{n+}}~+\text{ }ne\text{ }\to \text{ }M$) còn tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (${{X}^{n-}}~\to X\text{ }+\text{ }ne$). 

Các bước xác định quá trình điện phân

B₁: Xác định các cation và anion ứng với mỗi điện cực (ion dương chuyển về cực (-) là catot, ion âm chuyển về cực (+) là anot ).

B₂: Viết quá trình cho – nhận e ở mỗi điện cực.

B₃: Áp dụng phương pháp cân bằng electron để viết PT điện phân.

1. Điện phân nóng chảy

Ví dụ: Điện phân $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~$nóng chảy pha thêm criolit ($N{{a}_{3}}Al{{F}_{6}}$) có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Phương trình điện phân là: $2A{{l}_{2}}{{O}_{3}}~\to ~4Al\text{ }+\text{ }3{{O}_{2}}$

2. Điện phân dung dịch

a) Quá trình điện phân ở catot: khử cation (sau Al):  ${{M}^{n+}}~+\text{ }ne\to M~$

- Nếu điện phân dung dịch có các cation${{K}^{+}}$, $N{{a}^{+}}$, $C{{a}^{2+}}$, $B{{a}^{2+}}$, $M{{g}^{2+}}$, $A{{l}^{3+}}$thì ${{H}_{2}}O$sẽ tham gia điện phân theo PT: $2{{H}_{2}}O\text{ }+\text{ }2e\to {{H}_{2}}~+\text{ }2O{{H}^{-}}~$

- Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị điện phân trước (tuân theo dãy điện hoá).

Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot chứa các cation sau: $N{{a}^{+}}$, $F{{e}^{2+}}$, $C{{u}^{2+}}$,${{H}^{+}}$. Thứ tự điện phân:

  $\begin{array}{*{20}{l}}{C{u^{2 + }}\; + {\rm{ }}2e \to Cu\;}\\{2{H^ + } + {\rm{ }}2e \to {H_2}\;}\\{F{e^{2 + }}\; + {\rm{ }}2e \to Fe}\\{{H_2}O{\rm{ }} + {\rm{ }}2e \to {H_2} + \;O{H^ - }\;}\end{array}$

$N{{a}^{+}}$không bị điện phân

b) Quá trình điện phân ở anot: oxi hóa anion:  ${{X}^{n-}}~\to X\text{ }+\text{ }ne~~$

* Gốc axit không chứa oxi $\mathbf{C}{{\mathbf{l}}^{-}},{{\mathbf{S}}^{\mathbf{2}-}}$... hoặc ion $\mathbf{O}{{\mathbf{H}}^{-}}$của bazơ kiềm hoặc nước thì tham gia điện phân.

 - Thứ tự anion bị oxi hóa: ${{S}^{2-}}>{{I}^{-}}>B{{r}^{-}}>C{{l}^{-}}>RCO{{O}^{-}}>O{{H}^{-}}>{{H}_{2}}O$

* Gốc axit có chứa $\mathbf{N}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{3}}}^{-},\text{ }\mathbf{S}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{\mathbf{2}},\text{- }\mathbf{P}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{\mathbf{3-}},\text{ }\mathbf{C}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{3}}}^{\mathbf{2-}},\text{ }\mathbf{Cl}{{\mathbf{O}}_{\mathbf{4}}}^{-}\ldots $ thì nước tham gia điện phân.

              $2{{H}_{2}}O\to {{O}_{2}}~+\text{ }4{{H}^{+}}~+\text{ }4e~$

c) Ví dụ về điện phân dung dịch

- Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Phương trình điện phân: $2NaCl\text{ }+\text{ }2{{H}_{2}}O~\to ~2NaOH\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}~+\text{ }C{{l}_{2}}~$

Nếu không có màng ngăn thì: $C{{l}_{2}}~+\text{ }2NaOH\to ~NaCl\text{ }+\text{ }NaClO\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O$

=> phương trình điện phân: $NaCl\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O\to ~NaClO\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}~$

3. Định luật Faraday

Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất:  $m=\frac{A.I.t}{n.F}$

Trong đó: 

+ m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam) 

+ A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực 

+ n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận 

+ I: cường độ dòng điện (A) 

+ t: thời gian điện phân (s) 

+ F: hằng số Faraday (F = 1,602.10^-19.6,022.10²³ ≈ 96500 C.mol^-1) 

Biểu thức liên hệ:

  $n=\frac{I.t}{F}$

4. Ứng dụng điện phân

- Điều chế kim loại.

- Điều chế một số phi kim: ${{H}_{2}},\text{ }{{O}_{2}},\text{ }{{F}_{2}},\text{ }C{{l}_{2}}.$

- Điều chế một số hợp chất: NaOH, Ja-ven.

- Tinh chế kim loại: Cu, Pb, Zn, Fe, Ag, Au.

- Mạ điện: Cu, Ag, Au, Cr, Ni.