Giải đáp: Dòng điện trong chất điện phân là gì?

Tìm hiểu chất điện phân là gì?

Chất điện phân là những hợp chất hóa học có khả năng dẫn điện khi ở trạng thái lỏng hoặc ở dạng dung dịch nhờ sự hiện diện của các ion mang điện tích. Các chất điện phân phổ biến bao gồm axit, bazơ, muối và một số hợp chất vô cơ khác. Khi hòa tan trong dung môi phân cực như nước, các phân tử của chất điện phân sẽ bị phân li (phân ly ion) thành các ion mang điện tích dương (cation) và điện tích âm (anion) có khả năng di chuyển tự do.

Sự di chuyển có hướng của các cation và anion dưới tác dụng của điện trường chính là nguyên nhân gây ra dòng điện trong chất điện phân. Mức độ phân ly ion phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, nồng độ dung dịch và bản chất của chất tan. Hiện tượng điện phân đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng công nghệ và khoa học.

Tìm hiểu về chất điện phân

Giải đáp về dòng điện trong chất điện phân

Dựa trên thuyết điện li, trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazơ và muối bị phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tích điện gọi là các ion. Các ion này có thể chuyển động tự do trong dung dịch điện phân và trở thành hạt tải điện.

Cụ thể, dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau. Ion dương di chuyển về phía catot nên  gọi là cation. Ngược lại, ion âm chạy về phía anot nên gọi là anion.

Khác với dòng điện trong kim loại chỉ tải điện lượng, dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất (nghĩa hẹp) đi theo. Khi đến điện cực, chỉ có electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất sẽ đọng lại ở điện cực gây ra hiện tượng điện phân.

Mặc dù vậy, khả năng dẫn điện của chất điện phân vẫn kém hơn so với kim loại do sự di chuyển của ion chậm hơn so với electron tự do trong kim loại.

Dòng điện trong chất điện phân

Các hiện tượng diễn ra trong quá trình điện phân dung dịch

Để hiểu rõ hơn quá trình điện phân, chúng ta cùng xét ví dụ cụ thể của bình điện phân dung dịch CuSO₄ có điện cực bằng đồng – loại đơn giản nhất, vì chất tan là muối của kim loại dùng để làm điện cực (trường hợp này là đồng).

Khi dòng điện chạy qua, cation Cu²⁺ sẽ chạy về catot để nhận electron từ nguồn điện đi tới, tạo thành nguyên tử đồng theo phương trình:

Ở catot: Cu²⁺ + 2e- → Cu

Đồng thời, ở anot diễn ra phản ứng ngược lại, đồng tan vào dung dịch dưới dạng ion theo phương trình:

Ở anot: Cu → Cu²⁺ + 2e-

Ngoài việc tạo ra dòng điện, khi anion (SO₄)^2- chạy về anot, nó còn kéo ion Cu²⁺ từ anot tan vào dung dịch. Đây chính là hiện tượng dương cực tan – hiện tượng xảy ra khi có các anion đi tới anot kéo các ion kim loại của điện cực vào  dung dịch điện phân.

Nói tóm lại, trong hiện tượng điện phân, các ion di chuyển về các điện cực có thể tác động với chất làm điện cực hay dung môi tạo nên các phản ứng hóa học gọi là phản ứng phụ.

Một số ứng dụng của chất điện phân

Với tính chất dẫn điện đặc biệt từ sự di chuyển của các ion, chất điện phân có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Trong luyện kim và sản xuất kim loại: Phương pháp điện phân được sử dụng rộng rãi để tách và tinh chế các kim loại quý như đồng, nhôm, magiê, vàng từ quặng. Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng dương cực tan, khi đó các ion kim loại trong dung dịch muối sẽ đi về cực âm, nhận electron và đông tụ thành kim loại nguyên chất.
• Trong công nghiệp hóa chất: Điện phân đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nhiều hóa chất công nghiệp như clo, hiđro, xút, các chất tẩy rửa, chất khử trùng. Các sản phẩm này được tạo ra từ phản ứng tách khử oxy từ nước hay muối ứng dụng điện phân.
• Mạ điện: Phương pháp mạ điện sử dụng nguyên lý của điện phân để phủ một lớp kim loại lên bề mặt vật thể bằng kim loại khác. Các kim loại thường được mạ như crôm, niken, vàng, bạc với mục đích tăng tính thẩm mỹ, chống ăn mòn.
• Xử lý nước: Điện phân đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước cứng bằng cách tách các ion vô cơ gây cứng ra khỏi nước. Nước cũng được điện phân để tách thành oxy và hiđro cho mục đích sản xuất nhiên liệu hay trong y tế.
• Công nghiệp dược phẩm và sinh học: Điện phân được ứng dụng trong việc sản xuất, tổng hợp và tách chiết các hợp chất hữu cơ, protein, enzym với ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm và sinh học.

Sản xuất đồng bằng phương pháp điện phân

Nhìn chung, với đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt, hiện tượng điện phân đã mở ra nhiều ứng dụng quan trọng để khai thác, tách chiết và chế biến các nguyên liệu hóa học phục vụ các ngành công nghiệp khác nhau.

Với vai trò quan trọng và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, hiện tượng điện phân và các chất điện phân đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều công nghệ hiện đại.