Lý thuyết Sự điện phân, Sự ăn mòn (hay, chi tiết nhất)

Bài viết Lý thuyết Sự điện phân, Sự ăn mòn với phương pháp giải chi tiết giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập
Lý thuyết Sự điện phân, Sự ăn mòn.

Lý thuyết Sự điện phân, Sự ăn mòn (hay, chi tiết nhất)

Bài giảng: Bài 20: Sự ăn mòn kim loại – Cô Nguyễn Thị Thu (Giáo viên VietJack)

A. SỰ ĐIỆN PHÂN

    – Sự 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.

    – Khi đó các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện):

        + Tại catot xảy ra quá trình khử cation (Mⁿ⁺ + ne → M)

        + Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion (X^n- → X + ne)

1. Điện phân chất điện li nóng chảy

    Nguyên tắc: Khử các ion kim loại bằng dòng điện bằng cách điện phân nóng chảy hợp chất của kim loại.

    Phạm vi áp dụng: Điều chế các kim loại hoạt động hoá học mạnh (nhóm IA, IIA và Al) như K, Na, Ca, Mg, Al.

    Ví dụ 1: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

    Phương trình điện phân là: 2NaCl → 2Na + Cl₂

2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước

    – Điều chế các kim loại trung bình, yếu (sau Al).

Mⁿ⁺ + ne → M

    * Lưu ý:

    – Nếu điện phân dung dịch mà có các ion K⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ thì nước sẽ tham gia điện phân.

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

    – Nếu trong dung dịch có nhiều cation thì cation nào có tính oxi hóa mạnh hơn sẽ bị khử trước.

    Ví dụ: Điện phân dung dịch mà catot có chứa các ion Na⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Ag⁺ và Zn²⁺ thì thứ tự điện phân sẽ là:

Ag⁺ + 1e → Ag

Cu²⁺ + 2e → Cu

Fe²⁺ + 2e → Fe

Zn²⁺ + 2e → Zn

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

    – Các ion H⁺ của axit dễ bị khử hơn các ion H⁺ của nước

3. Quá trình điện phân diễn ra tại anot

    – Tại anot xảy ra quá trình oxi hóa anion

X^n- → X + ne

    a. Anot trơ (điện cực được làm bằng than chì)

    Gốc axit không chứa oxi như halogenua X^–, sunfua S^2- … thì gốc axit tham gia điện phân

    – Thứ tự anion bị oxi hóa: S^2- > I^– > Br^– > Cl^– > RCOO^– > OH^– > H₂O

    Gốc axit có chứa oxi NO₃^–, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2-, ClO₄^– … thì nước tham gia điện phân.

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

    b. Anot tan: Anot tham gia điện phân được ứng dụng để mạ điện

    * Lưu ý:

    – Trong điện phân dung dịch nước giữ một vai trò quan trọng:

       + Là môi trường để các cation và anion di chuyển về 2 cực.

       + Có thể tham gia vào quá trình điện phân:

    Tại catot (-) H₂O bị khử:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

    Tại anot (+) H₂O bị oxi hóa:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

    – Về bản chất nước nguyên chất không bị điện phân do điện ở quá lớn (I = 0). Do vậy muốn điện phân nước cần hoà thêm các chất điện li mạnh như: muối tan, axit mạnh, bazơ mạnh.

    * 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

    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 = 96500 Culong/mol)

B. SỰ ĂN MÒN

    – Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim dưới tác dụng của môi trường xung quanh.

    – Ăn mòn kim loại gồm ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.

1. Ăn mòn hóa học

    a. Nguyên nhân: do kim loại có phản ứng hóa học trực tiếp với các chất ở môi trường xung quanh.

    b. Điều kiện: kim loại được đặt trong môi trường có chứa chất oxi hóa mà kim loại có thể tham gia phản ứng thường là chất khí, hơi nước, dung dịch axit…

    c. Bản chất: là phản ứng oxi hóa – khử trong đó kim loại đóng vai trò chất khử. Electron chuyển trực tiếp từ kim loại vào môi trường.

2. Ăn mòn điện hóa

    a. Khái niệm

    – Ăn mòn điện hóa là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tiếp xúc với dung dịch chất điện li tạo nên dòng điện.

    b. Điều kiện xảy ra sự ăn mòn điện hóa

        + Có 2 điện cực khác nhau về bản chất (kim loại + kim loại; kim loại + phi kim; kim loại + hợp chất).

        + 2 điện cực phải được tiếp xúc điện với nhau.

        + 2 điện cực cùng được tiếp xúc với dung dịch chất điện li (không khí ẩm).

    c. Ăn mòn điện hóa học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm

    Sự ăn mòn điện hóa học các hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm có ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng đối với nền kinh tế của các quốc gia.

    – Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa: Fe → Fe²⁺ + 2e

    – Ở cực dương xảy ra sự khử: O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^–

    Ion Fe²⁺ tan vào dung dịch chất điện li có hòa tan khi oxi. Tại đây, ion Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hóa dưới tác dụng của ion OH^– tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O

    d. Cơ chế của quá trình ăn mòn điện hóa

        + Kim loại mạnh đóng vai trò là cực âm (anot).

        + Kim loại yếu hơn hoặc phi kim đóng vai trò cực dương(catot).

        + Tại cực âm, kim loại mạnh bị ăn mòn (bị oxi hóa).

M → Mⁿ⁺ + ne

        + Tại cực dương, môi trường bị khử:

            Môi trường axit:

2H⁺ + 2e → H₂

            Môi trường trung tính, bazơ:

2H₂O + O₂ + 4e → 4OH^–

(phản ứng phụ): Mⁿ⁺ + nOH^– → M(OH)_n (tạo gỉ)

    e. Bản chất của ăn mòn điện hóa: là sự oxi hóa kim loại ở cực âm và sự khử môi trường ở cực dương. Electron được chuyển từ kim loại mạnh sang kim loại yếu (hoặc phi kim) rồi vào môi trường.

    Để bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn có thể sử dụng các phương pháp sau:

1. Phương pháp bảo vệ bề mặt

    – Cách li kim loại với môi trường: sơn, mạ, tráng, nhúng nhựa…

    – Dùng chất kìm hãm.

    – Tăng khả năng chịu đựng: hợp kim chống gỉ.

2. Phương pháp điện hóa: dùng kim loại mạnh hơn kim loại ở cực âm không tác dụng với nước gắn vào vật bị ăn mòn phần chìm trong dung dịch điện li (anot hi sinh).

    Ví dụ: Để bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép, người ta gắn các lá Zn vào phía ngoài vỏ tàu ở phần chìm trong nước biển (nước biển là dung dịch chất điện li). Phần vỏ tàu bằng thép là cực dương, các lá Zn là cực âm.

    – Ở anot (cực âm): Zn bị oxi hóa Zn → Zn²⁺ + 2e

    – Ở catot (cực dương): O2 bị khử 2H₂O + O₂ + 4e → 4OH^–

    Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là vật hi sinh, nó bị ăn mòn. Nhưng tốc độ ăn mòn điện hóa của kẽm trong điều kiện này tương đối nhỏ và vỏ tàu được bảo vệ trong thời gian dài. Sau một thời gian nhất định, người ta thay những lá Zn bị ăn mòn bằng những lá Zn khác.

Xem thêm các phần Lý thuyết Hóa học lớp 12 ôn thi Tốt nghiệp THPT hay khác: