Phản ứng điện hóa

Mạ Kim

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi. Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron e^- trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e^- trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ.
Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện môi SO_{4^2-, tại cực dương:}

Cu → Cu²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ + SO_{4^2- → CuSO₄}

CuSO_{4 dễ tan trong dung dịch, tại cực âm}

CuSO_{4 → Cu²⁺ + SO_4^2-}

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được dùng trong việc sản xuất đồ trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ,...

Điều kiện tạo thành lớp mạ điện

Mạ điện là một công nghệ điện phân. Quá trình tổng quát là: -Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot:

M – ne → Mⁿ⁺

-Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ:

Mⁿ⁺ + ne → M

Ion hay Điện Tích là một nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị mất hay thu nhận thêm được một hay nhiều điện tử. Một ion mang điện tích âm,khi nó thu được một hay nhiều điện tử, được gọi là anion hay Điện Tích Âm, và một ion mang điện tích dương khi nó mất một hay nhiều điện tử, được gọi là cation hay Điện Tích Dương. Quá trình tạo ra các ion hay Điện Tích gọi là ion hóa.

Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị ion hóa được biểu diễn dưới dạng các số viết nhỏ lên trên, bên phải ký hiệu của nguyên tử hay nhóm nguyên tử, thể hiện số lượng điện tử mà nó thu được hay mất đi (nếu lớn hơn 1) và dấu + hay − tùy theo nó mất hay thu được (các) điện tử. Trong trường hợp mất hay thu được chỉ một điện tử thì không cần ghi giá trị số. Ví dụ H⁺ hay Cl⁻.

Các kim loại có xu hướng tạo ra các cation (mất đi điện tử) trong khi các phi kim loại có xu hướng tạo ra anion, ví dụ natri tạo ra cation Na⁺ trong khi clo tạo ra các anion Cl^-.

Điện Hóa

Chất khử (hay tác nhân khử) là một nguyên tố hóa học hay một hợp chất trong các phản ứng ôxi hóa khử có khả năng khử một chất khác. Để thực hiện điều đó nó trở thành chất bị ôxi hóa, và vì thế nó là chất cho điện tử trong phản ứng ôxi hóa khử. Ví dụ, trong phản ứng dưới đây:

2Mg(rắn) + O₂ → 2Mg²⁺(rắn) + 2O^2-

Chất khử trong phản ứng này là magiê. Magiê cho hai điện tử hóa trị và trở thành một ion, điều này cho phép nó cũng như ôxy trở nên bền vững.

Các chất khử như vậy cần phải được bảo vệ tốt trong không khí do chúng phản ứng với ôxy tương tự như phản ứng trên.

Độ mạnh yếu

Một chất khử mạnh rất dễ dàng mất (hay cho) các điện tử. Hạt nhân của nguyên tử thu hút các điện tử quỹ đạo của nó. Đối với các nguyên tố mà nguyên tử của nó có bán kính nguyên tử tương đối lớn thì khoảng cách từ hạt nhân tới các điện tử là lớn hơn và lực thu hút (hấp dẫn) của nó là yếu hơn; do vậy, các nguyên tố này có xu hướng thể hiện tính khử cao hơn. Ngoài ra, các nguyên tố có độ âm điện thấp, thì khả năng của nguyên tử hay phân tử của nó trong việc thu hút các điện tử liên kết là yếu hơn và năng lượng ion hóa tương đối thấp của chúng cũng là lý do để chúng là các tác nhân khử mạnh hơn. Tiêu chuẩn đánh giá một chất trong việc dễ hay khó bị ôxi hóa/mất điện tử được gọi là thế ôxi hóa. Bảng dưới đây chỉ ra một số thế khử, có thể dễ dàng hoán chuyển thành thế ôxi hóa bằng cách đơn giản là đổi dấu trong giá trị của nó. Các chất khử có thể dễ dàng xếp hạng theo sự tăng lên (giảm xuống) trong thế ôxi hóa của chúng. Một chất khử là mạnh hơn khi nó có thế ôxi hóa có trị số lớn hơn và sẽ là chất khử yếu khi nó có thế ôxi hóa có trị số nhỏ hơn. Bảng dưới đây chỉ ra thế khử của một số chất khử ở điều kiện 25 °C. Ngoài ra cũng cần ghi nhớ là quá trình ôxi hóa là mất đi điện tử còn quá trình khử là thu điện tử.

Chất ôxi hóa	Chất khử	Thế khử (v)
Li⁺ + e^- =	Li	-3,04
Na⁺ + e^- =	Na	-2,71
Mg²⁺ + 2e^- =	Mg	-2,38
Al³⁺ + 3e^- =	Al	-1,66
2H₂O_(lỏng) + 2e^- =	H_2(khí) + 2OH ^-	-0,83
Cr⁺³ + 3e^- =	Cr	-0,74
Fe⁺² + 2e^- =	Fe	-0,41
2H⁺ + e^- =	H₂	0,00
Sn⁴⁺ + 2e^- =	Sn²⁺	+0,15
Cu²⁺ + e^- =	Cu	+0,16
Ag⁺ + e^- =	Ag	+0,80
Br₂ + 2e^- =	2Br^-	+1,07
Cl₂ + 2e^- =	2Cl^-	+1,36
MnO₄^2- + 8H+ + 5e^-=	Mn²⁺ + 4H₂O	+1,49

Ví dụ nếu một người liệt kê Cu, Cl^-, Na và Cr theo trật tự giảm dần xuống của tính khử ở điều kiện như đề cập tại bảng trên thì người đó cần phải biết thế ôxi hóa của nó, đổi dấu trị số nhận được để có thế khử và so sánh chúng với nhau. Kết quả nhận được sẽ là Na, Cr, Cu và Cl^-; Na sẽ là chất khử mạnh nhất còn Cl^- là chất khử yếu nhất trong số 4 chất này.

Một số chất khử phổ biến bao gồm các kim loại kiềm và kiềm thổ như kali, canxi, bari, natri hay magiê, cũng như các hợp chất chứa ion H^-, những chất này bao gồm NaH, LiAlH₄ hay CaH₂.

Cần lưu ý rằng, một số nguyên tố và hợp chất có thể là chất khử hay chất ôxi hóa tùy theo điều kiện để chúng tham gia phản ứng. Ví dụ, hiđrô là chất khử khi phản ứng với các nguyên tố không là kim loại nhưng lại là chất ôxi hóa khi phản ứng với một số kim loại. Ví dụ, trong phản ứng

2Li_(rắn) + H₂(khí)+ nhiệt độ cao -->2LiH_(rắn)

thì hiđrô đóng vai trò của chất ôxi hóa do nó nhận điện tử do liti cung cấp, và nó làm cho liti bị ôxi hóa.

Các nửa của phản ứng 2Li_(rắn)⁰ -->2Li_(s)⁺¹ + 2e^-::::: H₂⁰_(khí) + 2e^- --> 2H⁻¹_(khí)

Còn trong phản ứng này

H₂(khí) + F₂(khí) --> 2HF(khí)

thì hiđrô đóng vai trò của chất khử do nó cho đi điện tử duy nhất của mình cho flo, điều này có nghĩa là nó khử flo.

Các nửa của phản ứng H₂⁰_(khí) --> 2H⁺¹_(khí) + 2e^-::::: F₂⁰_(khí) + 2e^- --> 2F⁻¹_(khí)

Tầm quan trọng

Các chất khử và các chất ôxi hóa là các chất có tác dụng ăn mòn điện hóa, là "sự xuống cấp của các kim loại do kết quả của các hoạt động điện hóa". Quá trình này cần có 1 hay nhiều ion đảm nhận vai trò nhận điện tích (ion dương) và 1 hay nhiều ion đảm nhận vai trò cho điện tích (ion âm) để có thể xảy ra. Anôt là nguyên tố mất điện tử (chất khử), vì vậy quá trình ôxi hóa diễn ra tại anôt, còn catôt là nguyên tố thu nhận điện tử (chất ôxi hóa), vì thế quá trình khử luôn luôn diễn ra tại catôt. sự ăn mòn điện hóa diễn ra khi có sự chênh lệch về thế ôxi hóa. Khi điều này xảy ra, anôt kim loại sẽ bắt đầu bị hư hỏng dần đi do ở đó có một mạch điện khép kín thông qua chất điện phân.

Một số chất khử

Ion sắt hóa trị +2
Hiđrua nhôm liti (LiAlH₄)
Hiđrô nguyên tử
Ferrixyanua kali (K₃Fe(CN)₆)
Hỗn hống natri (Hỗn hống natri với thủy ngân hay NaHg₂)
Borohiđrua natri (NaBH₄)
Ion thiếc hóa trị +2
Các hợp chất sulfit (SO₃⁻²)
Hiđrazin (chất khử Wolff-Kishner)
Hỗn hống kẽm (ZnHg) (Chất khử Clemmensen)
hiđrua diisobutyl nhôm (DIBAH)
Xúc tác Lindlar
Axít oxalic (C₂H₂O₄)