Trả lời nhanh
NaCl tạo ra NaOH khi điện phân dung dịch NaCl bão hoà, có màng ngăn xốp giữa hai điện cực: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2↑ + H2↑. Khí Cl2 thoát ra ở anot, khí H2 và dung dịch NaOH tạo thành ở catot. Màng ngăn giúp Cl2 không phản ứng với NaOH.
Phương trình điện phân dung dịch NaCl
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2↑ + H2↑ (điều kiện: điện phân dung dịch, có màng ngăn)
| Chất | Vai trò | Trạng thái sau phản ứng |
|---|---|---|
| NaCl | Chất điện li, cung cấp Cl− | Bị tiêu hao dần |
| H2O | Bị khử ở catot | Tạo H2 và OH− |
| NaOH | Sản phẩm | Tan trong dung dịch quanh catot |
| Cl2 | Sản phẩm | Khí vàng lục, thoát ra ở anot |
| H2 | Sản phẩm | Khí không màu, thoát ra ở catot |
Điều kiện và hiện tượng
- Điều kiện: dòng điện một chiều; dung dịch NaCl bão hoà; điện cực trơ (than chì hoặc titan); có màng ngăn xốp giữa hai điện cực.
- Ở anot (+): có khí màu vàng lục, mùi xốc thoát ra (Cl2).
- Ở catot (−): có khí không màu, không mùi thoát ra (H2). Nhỏ phenolphtalein vào dung dịch gần catot thấy chuyển màu hồng vì có NaOH.
Vì sao điện phân NaCl lại ra NaOH?
Trong dung dịch có các ion Na+, Cl− và phân tử H2O. Hai điện cực chọn “ai nhường, ai nhận electron dễ hơn”.
- Catot (−): Na+ là ion kim loại mạnh, không bị khử trong dung dịch nước. Nước bị khử thay thế: 2H2O + 2e → H2 + 2OH−. Chính ion OH− kết hợp với Na+ cho NaOH.
- Anot (+): ion Cl− bị oxi hoá dễ hơn nước: 2Cl− → Cl2 + 2e.
Cộng hai nửa phản ứng (mỗi bên 2 electron) và thêm 2Na+ vào hai vế, ta được phương trình tổng ở trên.
Màng ngăn để làm gì?
Nếu không có màng ngăn, Cl2 sinh ra ở anot trộn với NaOH ở catot và phản ứng ngay ở nhiệt độ thường:
Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
Sản phẩm là nước Gia-ven (NaCl, NaClO), không còn thu được NaOH tinh khiết. Phương trình điện phân tổng quát khi đó: NaCl + H2O → NaClO + H2 (điện phân, không màng ngăn). Vì vậy muốn “NaCl ra NaOH” bắt buộc phải có màng ngăn.
Phân biệt với điện phân NaCl nóng chảy
| Tiêu chí | Dung dịch NaCl (có màng ngăn) | NaCl nóng chảy |
|---|---|---|
| Catot | H2O bị khử → H2 + OH− | Na+ + e → Na |
| Anot | 2Cl− → Cl2 + 2e | 2Cl− → Cl2 + 2e |
| Phương trình | 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2 | 2NaCl → 2Na + Cl2 |
| Mục đích | Sản xuất NaOH, Cl2, H2 | Điều chế kim loại Na |
Mẹo nhớ: có nước thì catot “khử nước”, không có nước mới thu được kim loại kiềm.
Ứng dụng trong công nghiệp
Đây là công nghiệp clo – kiềm. NaOH dùng sản xuất xà phòng, giấy, tơ nhân tạo, xử lí nước; Cl2 dùng sản xuất nước Gia-ven, clorua vôi, HCl, chất khử trùng; H2 dùng tổng hợp NH3, HCl hoặc làm nhiên liệu.
Lỗi sai thường gặp
- Viết sản phẩm là Na và Cl2 khi đề cho dung dịch NaCl – sai, đó là trường hợp nóng chảy.
- Quên cân bằng hệ số 2 trước NaCl, H2O và NaOH.
- Quên ghi điều kiện “có màng ngăn” nên không phân biệt được với nước Gia-ven.
- Khi điện phân kéo dài đến hết Cl−, anot bắt đầu oxi hoá H2O sinh O2, không còn Cl2.
Bài tập vận dụng
Bài 1. Điện phân hoàn toàn dung dịch chứa 58,5 g NaCl (có màng ngăn). Tính khối lượng NaOH và thể tích mỗi khí ở đktc.
Giải: n(NaCl) = 58,5 : 58,5 = 1 mol. Theo phương trình: n(NaOH) = 1 mol → m = 40 g; n(Cl2) = n(H2) = 0,5 mol → mỗi khí 0,5 × 22,4 = 11,2 lít.
Bài 2. Điện phân 2 lít dung dịch chứa 0,3 mol NaCl (có màng ngăn, điện cực trơ) với dòng điện 2 A trong 9650 giây. Coi thể tích không đổi. Tính pH dung dịch sau điện phân (Faraday F = 96500 C/mol).
Giải: ne = (2 × 9650) : 96500 = 0,2 mol. Ở anot cần 0,2 mol Cl− (còn dư 0,1 mol, chưa hết nên chỉ sinh Cl2). Ở catot sinh 0,2 mol OH−. [OH−] = 0,2 : 2 = 0,1 M → pOH = 1 → pH = 13.
Bài 3. Vì sao dùng thùng điện phân không có màng ngăn thì sản phẩm thu được là nước Gia-ven?
Đáp án: Cl2 ở anot tiếp xúc với NaOH ở catot, phản ứng Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O tạo hỗn hợp NaCl, NaClO là thành phần của nước Gia-ven.
Câu hỏi thường gặp
NaCl ra NaOH bằng cách nào?
Điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn xốp, điện cực trơ: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2. NaOH hình thành ở khu vực catot.
Điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn thu được gì?
Thu được nước Gia-ven (NaCl và NaClO), vì Cl2 phản ứng với NaOH: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O.
Vì sao ở catot không tạo ra kim loại Na?
Trong dung dịch nước, Na+ có tính oxi hoá yếu hơn H2O nên H2O bị khử thành H2 và OH-. Chỉ khi điện phân NaCl nóng chảy mới thu được Na.
Điện phân NaCl có màng ngăn thì khí nào ở anot, khí nào ở catot?
Anot (+) thoát khí Cl2 màu vàng lục; catot (−) thoát khí H2 không màu.