Nghiên cứu cải tiến quá trình tổng hợp điện cực pbo2 trên nền carbon graphit và khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực pbo2

Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế phát triển với tốc độ rất nhanh, tồn tại song song với nó là
lượng chất thải hóa học cũng tăng theo, đặc biệt là các chất thải hữu cơ bền, độc hại như:
benzen, toluen, xylen, phenol… Đây là mối lo ngại cho toàn xã hội, vì vậy việc xử lý nó
là một vấn đề rất cấp bách và quan trọng.
Phương pháp điện phân, ngoài những ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
điện hóa thì nó còn có khả năng xử lý các chất thải hữu cơ trên, bằng cách sử dụng các
điện cực anode tiêu biểu như Au, Pt…để oxi hóa phân hủy chúng nhưng giá thành tương
đối cao nên không đem lại hiệu quả về kinh tế. Trong khi đó, điện cực anode PbO2 là
một điện cực rẻ tiền nhưng lại có thể thay thế những điện cực đắt tiền trên.
Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp điện cực anode PbO2 như: phương pháp ép
bột, phương pháp oxi hóa ion Pb2+ trên các vật liệu nền trong môi trường giàu oxi. Song,
các phương pháp này chỉ thu được màng PbO2 xốp, độ bền cơ học thấp và độ dẫn điện
kém. Ngược lại, bằng phương pháp điện hóa sử dụng dòng điện nhằm oxi hóa điện kết
tinh tạo màng PbO2 trên nền các vật liệu như: Fe, Ti [3, 4], carbon graphit [1, 2]….thì
lại thu được màng PbO2 đáp ứng được yêu cầu của một điện cực anode trong các quá
trình điện hóa. Các vật liệu nền sử dụng để tổng hợp anode PbO2 tương đối rẻ, đặc biệt
là carbon graphit, đây là loại vật liệu rẻ nhất trong số các vật liệu thường sử dụng và là
chất thải của ngành công nghiệp sản xuất Pin [15]. Vì vậy, hiện nay các nghiên cứu về
quy trình tổng hợp điện cực PbO2 trên nền carbon graphit đang rất được quan tâm bởi
tính kinh tế mà nó có thể đem lại và còn làm giảm thiểu các nguyên nhân gây ô nhiễm
môi trường.
Các nghiên cứu gần đây đều cho thấy kết quả khả quan của việc nghiên cứu quy
trình tổng hợp điện cực PbO2 trên nền carbon graphit [2, 6]. Bằng việc sử dụng các hóa
chất có độ tinh khiết cao, sử dụng điện cực catode lưới làm bằng kim loại Pt, một số nhà
nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng hợp thành công điện cực PbO2 có độ bền cơ hóa
cao, có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại như phenol [1].…rất tốt. Việc nghiên

cứu đã thành công, nhưng với việc sử dụng hóa chất tinh khiết mắc tiền và điện cực lưới
Pt là một kim loại có giá thành rất cao là một trở ngại lớn cho việc phát triển nghiên cứu
và sản xuất với quy mô công nghiệp.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

i


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Chính vì những vấn đề trên, nhằm thúc đẩy quá trình nghiên cứu về điện cực PbO2
ngày càng phát triển hơn, nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cải tiến quá trình tổng hợp
điện cực PbO2 trên nền carbon graphit và khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện
cực PbO2”. Nội dung đề tài này sẽ tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
oxi hóa điện kết tinh tạo màng PbO2 trên nền vật liệu anode nền carbon graphit với việc
sử dụng điện cực lưới làm bằng thép không gỉ 304 thay thế cho lưới Pt và sử dụng các
hóa chất có độ tinh khiết tương đối thay vì sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao trong
điều kiện phòng thí nghiệm của trường (trường ĐHBRVT). Với mục đích của đề tài,
nhằm tạo ra được điện cực PbO2 có chất lượng tương đương với các điện cực PbO2 của
các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, nhưng giá thành rẻ hơn gấp nhiều lần. Để tổng
hợp nên điện cực PbO2 tôi đã lần lượt tiến hành giai đoạn các thí nghiệm sau:
-

Giai đoạn 1: Khảo sát 5 thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh tạo màng
PbO2: nồng độ ion Pb2+, H+, Cu2+, chất hoạt động bề mặt gelatin và mật độ dòng

điện phân.

-

Giai đoạn 2: Khảo sát khả năng oxy hóa chuyển hóa phenol và khả năng khoáng
hóa (COD) của điện cực sau khi tổng hợp tại điều kiện tối ưu.

Với mục tiêu nhằm:
 Xác định được các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 nhằm tạo ra
được điện cực tốt nhất.
 Đánh giá được khả năng oxi hóa của điện cực sau khi tổng hợp trong điều kiện tối
ưu nhất thông qua xác định độ chuyển hóa phenol và độ chuyển hóa COD của điện
cực.
 Đánh giá chất lượng của điện cực sau khi thực hiện quá trình oxy hóa xử lý phenol.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

ii


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu, dưới sự giúp đỡ tận tình của giáo viên
hướng dẫn và được phía nhà trường tạo điều kiện thuận lợi tôi đã có một quá trình nghiên
cứu, tìm hiểu và học tập nghiêm túc để hoàn thành đề tài. Kết quả thu được không chỉ

do nỗ lực của cá nhân tôi mà còn có sự giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn
-

Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
đã quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài.

-

Thầy Diệp Khanh: Thầy đã hướng dẫn và hỗ trợ tôi hoàn thành tốt đề tài về phương
pháp, lý luận và nội dung trong suốt thời gian thực hiện.

-

Các thầy Nguyễn Chí Thuần, Nguyễn Văn Toàn, cô Tống Thị Minh Thu đã giúp
đỡ tôi rất nhiều về những kiến thức liên quan đến đề tài.

-

Gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi.

-

Các bạn đã giúp đỡ, trao đổi thông tin, kiến thức về đề tài trong suốt quá trình
nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện và trình bày không thể tránh khỏi những sai sót và hạn

chế, do vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét phê bình của quý thầy cô và các
bạn.
Kính chúc quý thầy cô và các bạn sức khỏe!

Vũng tàu, ngày 12 tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Kiên

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

iii


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, tôi đã tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp điện
cực PbO2, đồng thời đã tổng hợp thành công điện cực PbO2 trên nền anode carbon
graphit kết hợp với catode làm bằng thép không gỉ 304 và khảo sát khả năng oxi hóa
điện hóa phenol của điện cực PbO2 trong điều kiện mật độ dòng không đổi.
Các phương pháp phân tích hóa lý được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để định dạng pha tinh thể của PbO2;
phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC) được sử dụng để xác định độ chuyển hóa của
phenol sau khi xử lý; phương pháp COD được dùng để xác định mức độ khoáng hóa (sự
chuyển hóa thành CO2, H2O) của phản ứng oxi hóa phenol.
Kết quả, điều kiện tối ưu để thu được màng PbO2 có bề mặt láng mịn, độ bám dính
tốt, độ bền cơ hóa cao là mật độ dòng i = 40 mA/cm2; HNO3 20 ml/l; Pb(NO3)2 0,6M;
Cu(NO3)2 0,4M; gelatin 1 g/l; nhiệt độ 250C - 300C và kết quả oxi hóa điện hóa phenol
của điện cực đã nghiên cứu cho thấy, độ chuyển hóa phenol đạt 99%, khả năng khoáng

hóa thành CO2, H2O đạt trên 79% khi tiến hành điện phân trong dung dịch điện li Na2SO4
0,15M; pH = 8,0; nồng độ NaCl 7,5 g/l; mật độ dòng i = 75 mA/cm2; nồng độ phenol
1000 mg/l [2].

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

iv


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

MỤC LỤC

Trang
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii
TÓM TẮT ..................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU ................................................ ix
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về điện cực............................................................................................1
1.1.1.

Điện cực Hg ...............................................................................................2

1.1.2.

Điện cực Pb ...............................................................................................2

1.1.3.

Điện cực carbon graphit ............................................................................2

1.1.4.

Điện cực oxyt ............................................................................................2

1.1.5.

Điện cực bán dẫn .......................................................................................3

1.2. Tổng quan điện cực PbO2 ......................................................................................3
1.2.1.

Một số phương pháp điều chế PbO2 ..........................................................7

1.3. Tổng quan về phenol ..............................................................................................8
1.3.1.

Tính chất hóa học ......................................................................................9

1.3.2.

Ứng dụng .................................................................................................10

1.3.3.

Tác hại của Phenol ..................................................................................10

1.3.4.

Một số phương pháp xử lý phenol ..........................................................10

1.4. Giới thiệu về phương pháp điện phân ...............................................................10
1.4.1.

Định nghĩa ...............................................................................................10

1.4.2.

Một số khái niệm .....................................................................................11

1.4.3.

Sự điện phân chất điện li nóng chảy .......................................................12

1.4.4.

Sự điện phân dung dịch điện li ................................................................12

1.4.5.

Định luật Faraday ....................................................................................14

CHƯƠNG II. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 15
Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

v


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

2.1. Thiết bị và hóa chất ..............................................................................................15
2.1.1.

Thiết bị ....................................................................................................15

2.1.2.

Hóa chất ...................................................................................................15

2.2. Chuẩn bị vật liệu nền............................................................................................16
2.2.1.

Đánh bóng ...............................................................................................16

2.2.2.

Tẩy dầu mỡ ..............................................................................................16

2.3. Chuẩn bị catode làm việc .....................................................................................17
2.3.1.

Xử lý catode trong dung dịch kiềm bằng điện phân ...............................17

2.4. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 ..............18
2.4.1.

Ảnh hưởng của mật độ dòng ...................................................................18

2.4.2.

Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ ...............................................................18

2.4.3.

Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ ............................................................18

2.4.4.

Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+............................................................19

2.4.5.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin ..............................................................19

2.5. Khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2.....................................19
2.5.1.

Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2 ..........19

2.5.2.

Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2....................................20

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 21
3.1. Kết quả khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2.21
3.1.1.

Ảnh hưởng của mật độ dòng ...................................................................21

3.1.2.

Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ ...............................................................22

3.1.3.

Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ ............................................................24

3.1.4.

Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+............................................................25

3.1.5.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin ..............................................................26

3.2. Kết quả khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2 .......................28
3.2.1.

Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2 ..........28

3.2.2.

Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2....................................28

CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 30
4.1. Kết luận .................................................................................................................30
4.2. Kiến nghị ...............................................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 31
PHỤ LỤC

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

vi


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Một số tính chất hóa lý của 2 dạng PbO2 ........................................................4
Bảng 1.2. Điện trở của các dang dioxyt chì và một vài kim loại ....................................5
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng đến lượng PbO2 kết tinh .................................21
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ đến lượng PbO2 kết tinh.............................23
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb+ đến lượng PbO2 kết tinh ...........................24

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cu2+ đến lượng PbO2 kết tinh ................................25
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến lượng PbO2 kết tinh ............................27
Bảng 3.6. Độ chuyển hóa COD của dung dịch điên phân theo thời gian ......................28

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

vii


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Sơ đồ mô tả quá trình điện phân cơ bản ........................................................11
Hình 3.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thực nghiệm .................................................16
Hình 3.2. Catode làm việc ............................................................................................17
Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng tới lượng PbO2 kết tinh ...................................21
Hình 3.2. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát mật độ dòng.......................................22
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ tới khối lượng PbO2 kết tinh ......................23
Hình 3.4. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát nồng độ ion H+ ..................................24
Hình 4.6. Ion Cu2+ bị khử thành Cu bám lên catode trong quá trình điện phân ............26
Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 tổng hợp ở điều kiện tối ưu. .............27
Hình 3.8. Kết quả sắc ký lỏng cao áp của mẫu dung dịch chứa Phenol trước và sau
điện phân. ......................................................................................................28
Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ chuyển hóa của phenol sau điện phân theo thời gian ......29
Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 sau khi oxi hóa phenol....................29

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

viii


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt
COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxi hóa học

HPLC

High Performance Liquid Chromatography Sắc kí lỏng cao áp

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

NSX

Nhà sản xuất

CNMT

Công nghệ môi trường

EDTA

Ethylendiamin Tetraacetic Acid

2. Các ký hiệu
Ф

Đường kính

V

Thể tích

Δm

Hiệu số của khối lượng trước trừ khối lượng sau

CODt

Giá trị COD mẫu trước khi điện phân

CODs

Giá trị COD mẫu sau khi điện phân

St

Diện tích pic phenol trước khi điện phân

Ss

Diện tích pic phenol sau khi điện phân

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

ix


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về điện cực [1]
Trong điện hóa, tính chất của các vật liệu sử dụng làm điện cực thường được thể
hiện bởi quá thế của điện cực, đó là đại lượng đặc trưng biểu thị sự thích hợp của điện
cực với chất tham gia phản ứng trên điện cực. Quá thế hydro của điện cực là một yếu tố
quan trọng đối với quá trình khử trong các dung môi proton, vì nó xác định giá trị thế
âm của điện cực trước khi phản ứng khử của môi trường xảy ra để cạnh tranh với phản
ứng.
Nhìn chung, điện cực có quá thế hydro càng cao sẽ cho sản phẩm của quá trình
điện phân cao nhất. Trong dung dịch và trong các dung môi proton, proton có thể bị khử
và hydro thoát ra. Vì lý do này, khoảng thế của điện cực trong vùng catode được đưa ra
bởi thế của điện cực H+/H2 và quá thế hydro của nó.
Mặt khác tính chất xúc tác của vật liệu điện cực cũng có ảnh hưởng đến chiều
hướng của phản ứng, đặc biệt đối với các phản ứng khử trên các kim loại có quá thế
hydro thấp.
Bề mặt điện cực có thể ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của điện cực và sự hấp phụ
của chất phản ứng. Ví dụ trong quá trình khử của hợp chất nitro ở điện cực thiếc, bề mặt
của nó bị thay đổi trong quá trình phản ứng khi kim loại bị hòa tan và hình thành trở lại
trên bề mặt điện cực.
Tính chất không tinh khiết của vật liệu điện cực cũng có thể làm biến đổi tính chất

của điện cực theo hai chiều hướng thuận lợi và bất lợi. Chiều hướng thuận lợi được áp
dụng khi sử dụng các điện cực hợp kim, nhằm tăng độ cứng cơ học, hoạt tính xúc tác
cũng như tăng khả năng chống ăn mòn của điện cực. Song trong một số trường hợp, sự
có mặt các tạp chất trong điện cực đã làm tăng lượng sản phẩm phụ trong phản ứng điện
hóa.
Một số kim loại thường được sử dụng trong các quá trình điện hóa như Hg, Pb, Zn,
Sn, Cu, Fe, Al, Ni, Pt…

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

1


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

1.1.1. Điện cực Hg
Thủy ngân là điện cực có quá thế hydro và độ tinh khiết rất cao. Việc khuấy điện
cực Hg làm cho bề mặt điện cực luôn sạch và có tính lặp lại. Tuy nhiên trạng thái lỏng
của thủy ngân cũng có một số hạn chế trong việc thiết kế bình phản ứng. Vì vậy trong
một số trường hợp người ta sử dụng các điện cực hỗn hống của Hg: Cu/Hg, Pb/Hg,
Zn/Hg… Điện cực Hg không được sử dụng làm anode vì nó bị tấn công ngay ở anode
thấp, bởi vì nó dễ bị hòa tan.
1.1.2. Điện cực Pb
Chì đã được sử dụng làm điện cực catode ngay từ buổi đầu của điện hóa hữu cơ,
Pb có quá thế hydro cao và dễ làm việc về mặt cơ học. Trong nhiều quá trình khử, catode
Pb cho sản phẩm tương tự như Hg, và trong một số trường hợp sự hấp phụ đặc biệt của

chất phản ứng ở điện cực có thể loại trừ một phần phản ứng phóng điện của ion H+, do
đó làm tăng việc chuyển electron đến chất phản ứng.
Chì cũng có thể được sử dụng làm anode dưới dạng nguyên chất hoặc hợp kim
trong dung dịch axit sunfuric, sự có mặt của 1% Ag, 0,3% Sn và một lượng nhỏ Co sẽ
tăng khả năng chống ăn mòn của anode Pb. Trong nhiều trường hợp bề mặt của anode
Pb bị oxi hóa thành PbO2 trở thành vật liệu anode.
Các điện cực kim loại khác như: Zn, Sn, Al, Fe, Cu, Pt, Ni, Au… cũng được sử
dụng làm điện cực trong một số quá trình khử và oxi hóa. Điện cực Sn được sử dụng
rộng rãi trong phản ứng khử hợp chất nitro. Pt và Ni rất thích hợp trong phản ứng hydro
hóa xúc tác.
Việc lựa chọn vật liệu anode thường bị hạn chế, vì hầu hết các kim loại bị ăn mòn
trong phản ứng anode. Trong trường hợp này Pt, Au thường được sử dụng.
1.1.3. Điện cực carbon graphit
Điện cực carbon graphit được sử dụng trong cả phản ứng khử và oxi hóa. Điện cực
carbon graphit rất có hiệu quả khi làm vật liệu anode nhờ có tính dẫn điện cao, chống
ăn mòn hóa học tốt, độ bền cơ học đáng kể và giá rẻ.
1.1.4. Điện cực oxyt
Một số oxyt kim loại như TiO2, MnO2, PbO2, RuO2 được sử dụng làm điện cực
trong quá trình điện hóa, đặc biệt là quá trình oxi hóa nhờ có tính dẫn điện cao, chống
ăn mòn và quá thế oxi hóa lớn.
Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

2


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Trong các điện cực oxyt thì PbO2 thường được sử dụng hơn và có khả năng thay
thế các vật liệu anode quý như Pt, Au. Anode PbO2 được sử dụng trong công nghiệp
điện hóa để sản xuất perclorat, periodat, hydroquinone, hydroxylamine, axit
cacbonxylic…
1.1.5. Điện cực bán dẫn
Điện cực bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn, đã được sử dụng rộng rãi trong
nghiên cứu phản ứng chuyển electron. Các phản ứng ở điện cực bán dẫn khác rất nhiều
so với điện cực kim loại. Trên điện cực kim loại tốc độ của các quá trình điện hóa bị
khống chế bởi trường điện tử cao ở bề mặt điện cực, còn trên điện cực bán dẫn tốc độ
quá trình được điều khiển chủ yếu bởi nồng độ vật mang điện tích trong bề mặt. Do đó,
loại vật mang (electron hay các lỗ trống) trong chất bán dẫn có thể ảnh hưởng rất lớn
đến tốc độ phản ứng. Một trong những yếu tố quan trọng cho quá trình trao đổi electron
giữa cặp oxi hóa-khử và chất bán dẫn là thế của cặp oxi hóa-khử và mức năng lượng
cũng như dãy hóa trị của chất bán dẫn.
1.2. Tổng quan điện cực PbO2
Dioxyt chì là một chất rắn, tồn tại ở cả dạng vô định hình và tinh thể. Dạng vô định
hình trong suốt, kém bền, dễ tan trong axit nên ít được chú ý. Dạng tinh thể bao gồm 2
dạng thù hình chủ yếu: α-PbO2 và β-PbO2.
Dạng α-PbO2 có cấu trúc ô mạng kiểu orthorhombic (hệ trục thoi), có thể thu được
bằng phương pháp hóa học khi cho tác dụng axetat chì với persunfat amon trong môi
trường nước amoniac; hoặc bằng cách nấu chảy PbO vàng với hỗn hợp NaClO3 và
NaNO3.
Dạng β-PbO2 có cấu trúc ô mạng kiểu tetragonal (tứ diện), có thể điều chế bằng
phương pháp hóa học khi cho tác dụng Pb(CH3COO)2 với CaOCl2.
Một vài ý kiến khác cho rằng tồn tại một dạng thù hình γ-PbO2 gần giống β-PbO2
(giả tetragonal) khi cho tác dụng Pb3O4 với hỗn hợp axit nitric và axit axetic.
Một số tính chất hóa lý của α-PbO2 và β-PbO2 được đưa ra trong bảng 1.1.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

3


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Bảng 1.1. Một số tính chất hóa lý của 2 dạng PbO2 [1]

STT
1
2

Các thông số
Dạng tinh thể
Hệ số mạng (0A) a
b
c
Rơnghen

3

Dạng α-PbO2
Orthorombic
4,98
35,969
5,486

3,12
(100)
2,73
(70 )
2,63
(70 )
9,75
40,3
4,0.10-3
1,4.1021
10
0,48
-265,95
-217,46
1,698

Dạng β-PbO2
Tetragonal
4,945
4,955
3,377
3,50 (100)
2,80 (100)
1,86 (100)
9,56
41,7
1,0.10-3
0,7.1021
100
0,63

-276,83
-219,14
1,690

4
5
6
7
8
9
10
11
12

Tỷ trọng (g/cm3)
Thể tích nguyên tử (0A)3
Điện trở (Ωcm-1)
Mật độ điện tử (e/cm3)
Độ linh động electron (cm2/S.V)
Nồng độ oxy (%)
ΔHs (KJ/mol)
ΔG (KJ//mol)
U0H(axit) (V)

13

( ) 𝑃 (mV/0C) trong H2SO4 4,62M

-0,36

-0,20

Uq = O (V)
(Điện thế điểm không tích điện)
Hệ số b (Phương trình Tafel)(V)
i0 trong H2SO4 và 31,80C(μA/cm2)

1,06 ± 0,01
0,05 ÷ 0,07
2

1,15 ± 0,01
0,12 ÷ 0,14
6

14
15
16

𝑑𝑈
𝑑𝑇

Về bản chất dẫn điện của PbO2 cho đến nay vẫn chưa thống nhất. Có ý kiến cho
rằng PbO2 dẫn điện kiểu điện tử vì hệ số Hall [17] có giá trị âm. Nhưng cũng có ý kiến
cho rằng PbO2 dẫn điện kiểu ô trống (bán dẫn kiểu P). Song, các công trình đều khẳng
định rằng, nguyên nhân của độ dẫn điện tốt nhất là do khuyết tật trong cấu trúc ô mạng
tinh thể PbO2 (sự thiếu hụt hàm lượng oxy so với tỉ lệ hợp thức).
Vì vậy, PbO2 kết tủa điện hóa dẫn điện tốt hơn PbO2 điều chế bằng phương pháp
hóa học.
Phương pháp điện hóa có thể điều chế cả α và β hoặc (α+β)-PbO2.

Dioxyt chì dẫn điện rất tốt, đặc biệt là PbO2 kết tủa điện hóa có độ dẫn xấp xỉ với
kim loại.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

4


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Bảng 1.2. Điện trở của các dang dioxyt chì và một vài kim loại [1]

Điện trở (Ωcm)
74,0.10-4
142,0.10-4
(0,94÷4,05) .10-4
12,0.10-4
7,0.10-4
8,0.10-4
0,96.10-4
1,2.10-4
0,22.10-4
74,0.10-4

Dạng mẫu
Bảng cực dương acqui (độ xốp 46%)

Bột PbO2 ép (độ xốp 32%)
PbO2 kết tủa điện hóa từ dung dịch perclorat
PbO2 kết tủa điện hóa từ dung dịch sunfamat
β-PbO2 (lớp dày 2,5 μm)
α-PbO2 (lớp dày 2,5 μm)
Graphit
Thủy ngân
Bismut
Chì kim loại

Đặc tính điện hóa của PbO2 trong môi trường axit có khả năng oxi hóa mạnh
(H2SO4, ClO4-, S2O8-…) cũng đã được nghiên cứu. Mặc dù các giá trị định lượng của
các tác giả chưa thống nhất, nhưng đã khẳng định H2SO4 4,4M, hệ số b (phương trình
Tafel) của α-PbO2 là 0,07V, còn của β-PbO2 là 0,14V. Điều đó nói lên cơ chế thoát oxi
trên α-PbO2 và β-PbO2 không giống nhau. Năng lượng hoạt hóa của quá trình tách oxi
trên điện cực PbO2 trong dung dịch H2SO4 đã được xác định.
Tốc độ quá trình thoát oxy được quyết định bởi tốc độ phóng điện của phân tử H2O
hoặc các ion OH- và tạo thành gốc tự do OH∙. Sự có mặt của các phân tử OH hấp phụ
trên bề mặt điện cực làm cho anode PbO2 có tính chất xúc tác đặc biệt, cho phép tiến
hành nhiều phản ứng tổng hợp điện hóa.
Chính do khả năng hấp phụ, nên trong quá trình tổng hợp điện hóa persunfat (môi
trường sunfat amon và axit sunfuric), khi có mặt phụ gia, thế điện cực đã dịch chuyển
về phía dương hơn 120 mV, xấp xỉ với thế của Pt. Kết luận này cho phép sử dụng PbO2
làm anode thay thế Pt.
Sự thích hợp của PbO2 như là vật liệu anode đã được biết đến nhiều năm nay,
nhưng vì những khó khăn về kinh tế cho nên việc ứng dụng trong thương mại bị hoãn
lại cho đến những năm gần đây.
Theo chúng ta biết thì công ty sản xuất và kỹ thuật Pacific của Nevada và công ty
trách nhiệm hữu hạn hóa học Sanwa của Tokyo Nhật, là những nhà sản xuất anode PbO2
duy nhất trên thế giới [1].

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

5


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Giá trị cao của kim loại quý và hợp kim của chúng như là vật liệu anode đã được
thúc đẩy cho việc nghiên cứu ra những vật liệu mới trong nhiều năm nay. Điện thế của
PbO2 cho một mục đích như vậy đã được hiểu một cách cặn kẽ chỉ sau đầu thế kỷ này.
Với một điện trở suất 40-50.10-6 Ωcm-1, PbO2 là một chất dẫn điện tốt hơn so với
cacbon và than chì. Nó tương đối cứng (khoảng 5 theo thang đo độ cứng) và vì thế nó
chống lại sự mài mòn [4]. Nó có tính trơ về mặt hóa học đối với hầu hết những tác nhân
oxi hóa và những axit mạnh. Mặc dù, PbO2 có những ưu điểm trong sử dụng, nhưng
những khó khăn vẫn xảy ra trong quá trình sản xuất anode PbO2. Ferland [1] đã làm kết
tủa PbO2 từ dung dịch Pb(NO3)2 và được kết tủa rất giòn và dễ vỡ. Tính chất giòn và
không đồng nhất của PbO2 là do sự tăng giảm của dòng kết tủa và ảnh hưởng của dung
dịch điện phân (đặc biệt là độ pH và nồng độ Pb2+).
Một vài loại dung dịch đã được sử dụng để tạo kết tủa PbO2 và đã tìm được điều
kiện tối ưu cho quá trình điện kết tinh PbO2. Với việc sử dụng kỹ thuật mạ điện hiện đại
và những phụ gia thích hợp, những chất kết tủa PbO2 có độ bền cao, tỷ trọng cao và sự
trơn bóng của bề mặt đã đạt được. Shibasaki [12] đã cho thấy rằng những chất kết tủa
PbO2 có độ trơn sáng là bền nhất, và do đó đáng được mong đợi nhất.
Angel và Mellquist [11] đã kết tủa PbO2 trên Fe, Cu và Ni, nhưng đã nhận thấy
rằng những điện cực như vậy là bị thụ động hóa. Một anode PbO2 thô được tạo ra từ một

thùng chứa Pb(NO3)2 trên vật liệu nền là các ống hình trụ Fe hoặc Ni. Chất kết tủa PbO2
trên bề mặt ngoài của hình trụ và kết tủa dễ bị bong ra. Điều này được cho là do sự khác
nhau về hệ số dãn nở nhiệt của chất kết tủa và vật liệu nền. Grigger và Miller [13] kết
tủa oxyt từ dung dịch chứ axit HNO3 trên Ti và Ni. Khó khăn trong quá trình kết tủa
oxyt lên những vật liệu mỏng dễ bị ăn mòn bởi sự hòa tan anode xảy ra. Một kỹ thuật
làm kết tủa oxyt trên bề mặt ngoài của một hình trụ phi kim loại đã được khai thác.
Sự phát triển của PbO2 được phủ trên anode than chì đã giải quyết được vấn đề
trên. Anode này được khai thác bởi công ty Pacific, chủ yếu là để sản xuất ClO4- bằng
cách sử dụng điện cực PbO2 trên nền than chì để điện phân dung dịch chứa muối
AgClO4, muối này rất dễ gây nổ nếu sử dụng các loại điện cực khác.
Sự thay thế Pt bởi anode PbO2 trong việc sản xuất muối ClO4- đã được khảo sát
trước năm 1950, nhưng với việc sử dụng muối NH4ClO4 như chất oxi hóa thuốc nổ,
nguyên liệu cho động cơ tên lửa. Nghiên cứu đã nhận được một sự kích thích mới.
Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

6


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Angel và Mellquist [13] đã đạt được hiệu suất dòng (CE) 72-79% mà không có
chất phụ gia; tuy nhiên sự có mặt của Cr, thông thường được sử dụng với anode Pt để
ngăn cản sự giảm của clorat ở catode, đây là một lý do làm giảm (CE) đã được nghiên
cứu. Điều này có thể là do sự tương tác của Cr với điện cực để hình thành PbCrO2. Các
nhà khoa học Nhật đã dùng dung dịch NaF 2 g/l để làm tăng (CE) và thu được PbO2 có
tính chất tốt tương tự anode Pt.

Năm 1950 Sugino [14] dùng phương pháp điện hóa thu được lớp kết tủa PbO2 dày
chắc, có độ dẫn điện và độ bền hóa học cao. Kết quả này đã thu hút sự quan tâm của các
nhà công nghệ điện hóa trên thế giới. Hàng loạt các phương pháp cũng như các vật liệu
nền khác nhau và các dung dịch điện li để kết tủa PbO2 đã được công bố.
Điện cực PbO2 còn có khả năng hấp phụ tốt các chất nên thường được sử dụng
trong các quá trình điện phân tổng hợp các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Một số nhà điện
hóa môi trường đã nghiên cứu quá trình xử lý phenol trên anode PbO2, Ti/PbO2 và đạt
kết quả tốt khi sản phẩm của quá trình oxi hóa chủ yếu là CO2.
1.2.1. Một số phương pháp điều chế PbO2 [1]
1.2.1.1.

Phương pháp hóa học

a. Phương pháp nhiệt
Quét các dung dịch muối chì lên nền kim loại hoặc phi kim loại, sau đó gia nhiệt
trong môi trường giàu oxi để oxi hóa thành PbO2.
Phương pháp này cho phép chế tạo điện cực có độ xốp cao, tạo thành nhiều lớp
bám chắc vào nền, nhất là loại nền bằng gốm, song có nhược điểm là hàm lượng PbO2
thấp, độ bền hóa học và độ dẫn điện kém.
b. Phương pháp ép
Trộn bột PbO2 với chất kết dính vô cơ hoặc nhựa hữu cơ, polymer rồi ép ở áp suất
> 2500 kg/cm2.
Phương pháp này chế tạo được điện cực có tấm hình lớn, độ bền cơ học cao (tùy
thuộc vào vật liệu kết dính và áp suất ép), nhưng nhược điểm là độ bền hóa học và độ
dẫn điện kém, thế cực không ổn định và sản phẩm dễ bị bẩn.
1.2.1.2.

Phương pháp điện hóa

Đây là quá trình oxi hóa Pb2+ từ dung dịch thành PbO2 bám lên điện cực.

Pb2+ - 2e + 2H2O → PbO2 + 4H+
Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

(1.1)
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

7


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Như vậy, pH của môi trường có ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2.
Ngoài ra, các yếu tố của quá trình điện phân sẽ ảnh hưởng đến dạng thù hình của PbO2
tạo thành.
Do yếu tố pH môi trường ảnh hưởng đến các dạng thù hình của PbO2, nên thường
chia ra làm hai loại dung dịch điện ly: dung dịch kiềm và dung dịch axit.
a. Kết tủa PbO2 từ dung dịch kiềm
Bao gồm các loại dung dịch: plumbit, tatrat và EDTA. Từ dung dịch kiềm sẽ kết
tủa α-PbO2 có ứng suất nội nhỏ bám chắc vào nền. Nhìn chung các dung dịch kiềm cho
tốc độ mạ nhỏ (mật độ dòng cho phép trong khoảng từ 0,1 đến 1 A/dm2).
Nhược điểm của dung dịch kiềm là độ ổn định thấp khi làm việc. Chỉ sau 5÷10
Ah/l dung dịch sẽ xuất hiện các cặn oxyt chì và nếu để lâu thì các cặn này sẽ phát triển
gây cản trở quá trình vận hành và làm giảm độ ổn định của dung dịch điện li.
b. Kết tủa PbO2 từ dung dịch axit
Bao gồm các dạng chất điện li: perclorat, sunfamat, axetat, nitrat. Từ dung dịch
axit kết tủa sẽ có dạng β-PbO2. Tuy nhiên cũng có thể thu được dạng α-PbO2. Nhìn
chung các dung dịch axit cho tốc độ phản ứng cao (mật độ dòng cho phép trong khoảng
từ 1 đến 8 A/dm2). Dung dịch ổn định theo thời gian bảo quản. Trong đó dung dịch nitrat

phổ biến hơn cả, vì nó rẻ, dễ kiếm và cho phép điều chế PbO2 với tốc độ cao hơn hẳn
dung dịch khác.
Phương pháp điện hóa có những ưu điểm nổi bật: lớp kết tủa đặc khít, có độ dày
tùy ý, hàm lượng PbO2 cao và ổn định, có cấu trúc tinh thể xác định, do đó lớp kết tủa
này dẫn điện tốt, bền hóa học và rất ít hao mòn trong quá trình vận hành.
Nhược điểm chủ yếu của phương pháp điện hóa là lớp PbO2 có ứng suất nội lớn,
làm lớp mạ bị rộp lên hoặc nứt dẫn đến bong tróc. Nhưng khi hiểu rõ bản chất quá trình
tạo thành PbO2 trên anode, ta có thể hạn chế thiếu sót này.
1.3. Tổng quan về phenol [16]
Phenol là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 43°C. Để
lâu ngoài không khí, phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bị chảy rữa do hấp
thụ hơi nước. Phenol ít tan trong nước lạnh, tan trong một số hợp chất hữu cơ. Phenol
rất độc, gây bỏng nặng khi rơi vào da. Phenol tan vô hạn ở 660C.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

8


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Phenol có một nhóm -OH liên với với vòng Benzen. Đặc biệt hơn, trong phân tử
phenol có hiệu ứng liên hợp mạnh do có oxi của nhóm -OH cũng ảnh hưởng đến tính
chất vật lí cũng như tính chất hóa học của phenol.

Cấu tạo của phenol:

1.3.1. Tính chất hóa học
1.3.1.1. Tính axit
Phenol có tính axit vì có hiệu ứng cộng hưởng xảy ra trong phân tử. Vì vậy, khác
với rượu, phenol còn có thể tác dụng với bazơ mạnh:
C6H5OH + NaOH  C6H5ONa + H2O

(1.2)

(Natri phenolat)

Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu Ka = 10-9,75 không làm đổi màu quỳ tím. Vì
vậy, muối phenolat bị axit cacbonic tác dụng tạo lại phenol:
C6H5ONa + CO2 + H2O  C6H5OH + NaHCO3

(1.3)

Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp.
1.3.1.2. Tính chất như rượu
Phenol có thể tác dụng được với Na như rượu nhưng khác với rượu, muối phenolat
không bị nước phân hủy:
C2H5ONa + H2O  C2H5OH + NaOH

(1.4)

C6H5ONa + H2O  -không phản ứng-

(1.5)

Phenol cũng tạo được este như rượu nhưng khác với rượu có thể tác dụng trực tiếp

với axit, phenol chỉ có thể tác dụng với clorua axit hoặc anhidric axit mới tạo được este:
C6H5OH + CH3COCl  CH3COOC6H5 + HCl

(1.6)

C6H5OH + (CH3CO)2O  CH3COOC6H5 + CH3COOH (1.7)
Điều này được giải thích do 2 nguyên nhân:

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

9


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

-

Trường ĐHBRVT

Mật độ điện tích âm của O nhóm -OH vì có hệ liên hợp trong phân tử nên giảm hơn
so với O nhóm -OH của rượu thông thường, dẫn đến phenol khó tấn công vào phân
tử axit tạo este hơn.

-

Phenol có vòng thơm nên gây hiệu ứng không gian cản trở.

1.3.2. Ứng dụng

Phenol được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
Công nghiệp chất dẻo: phenol là nguyên liệu để điều chế nhựa phenol

-

formaldehyde.
-

Công nghiệp tơ hóa học: từ phenol tổng hợp ra tơ polyamide.

-

Nông dược: từ phenol điều chế được chất diệt cỏ dại và kích thích tố thực vật
2,4-D ( là muối natri của axit 2,4 điclophenoxiaxetic).
Phenol cũng là nguyên liệu để điều chế một số phẩm nhuộm, thuốc nổ (axit

-

picric).
Do có tính diệt khuẩn nên phenol được dùng để trực tiếp làm chất sát trùng, tẩy

-

uế, hoặc để điều chế các chất diệt nấm mốc (ortho- và para- nitrophenol…).
1.3.3. Tác hại của phenol
Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải của một số nghành công nghiệp
(lọc hoá dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm…). Các hợp chất này làm cho nước có mùi, gây
tác hại cho hệ sinh thái nước, sức khoẻ con người, một số dẫn xuất phenol có khả năng
gây ung thư (carcinogens). Theo TCVN 5942-1995 quy định nồng độ tối đa của các hợp
chất phenol trong nước bề mặt dùng cho sinh hoạt là 0,001 mg/l.

1.3.4. Một số phương pháp xử lý phenol
Phenol có thể được xử lý bằng phương pháp điện hóa học sử dụng các loại điện
cực anode như Ti/TiO2, Ti/SnO2, Ti/PbO2…Ngoài ra còn có thể oxi hóa phenol bằng
phương pháp sử dụng vật liệu xúc tác quang hóa như TiO2.
1.4. Giới thiệu về phương pháp điện phân [5, 7]
1.4.1. Định nghĩa
Sự điện phân là quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra tại bề mặt các điện cực khi
có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hay chất điện li ở trạng thái nóng
chảy.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

10


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Hình 2.1. Sơ đồ mô tả quá trình điện phân cơ bản

1.4.2.

Một số khái niệm

1.4.2.1. Khái niệm anode
Điện cực dương (cực dương, dương cực) là điện cực nối với cực dương của nguồn
điện một chiều, là nơi hút các điện tử về.

1.4.2.2. Khái niệm catode
Điện cực âm (âm cực, cực âm) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một
chiều, là nơi phát ra các điện tử.
1.4.2.3. Khái niệm quá trình khử
Tại bề mặt của catod luôn luôn có quá trình khử xảy ra, là quá trình trong đó chất
oxi hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử tương ứng.
Ví dụ:
Pb2+ + 2e-  Pb
Cu2+ + 2e-  Cu
1.4.2.4. Khái niệm quá trình oxi hóa
Tại bề mặt anode luôn luôn có quá trình oxi hóa xảy ra, là quá trình trong đó chất
khử cho điện tử để tạo thành chất oxi hoá tương ứng.
Ví dụ:
2Cl- - 2e  Cl2
2Br- -2e  Br2

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

11


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

1.4.3. Sự điện phân chất điện li nóng chảy
Khi nung nóng ở nhiệt độ cao thì chất điện li nóng chảy (hóa lỏng), các ion dương
và ion âm bây giờ linh động hơn so với khi ở trạng thái rắn. Các ion dương (cation)

mang điện tích dương nên sẽ di chuyển về cực âm (catode), tại đây có quá trình khử xảy
ra; Còn các ion âm (anion) mang điện tích âm nên sẽ di chuyển về cực dương (anode),
tại đây có quá trình oxi hóa xảy ra.
Ví dụ:
NaCl nóng chảy
(Na+, Cl-)
Catode (-)
Na+ + e-  Na
Chất oxi hóa

2Cl-

Chất khử

Anode (+)
- 2e- 

Chất khử

Cl2

Chất oxi hóa

2NaCl
 2Na+ + 2Cl+
2Na + 2e  2Na
2Cl- - 2e-  Cl2

+

2NaCl

đpnc

2Na + Cl2
(Catode) (Anode)

1.4.4. Sự điện phân dung dịch điện li
Khi điện phân dung dịch chất điện li thì tùy trường hợp, dung môi nước của dung
dịch có thể tham gia điện phân ở catode hay ở anode. Nếu nước tham gia điện phân thì:
-

Ở catode: Do ở catode có quá trình khử xảy ra nên H2O sẽ đóng vai trò chất oxi
hóa, nó bị khử tạo khí hidro (H2) thoát ra, đồng thời phóng thích OH- ra dung
dịch.
2H2O  2H+ + 2OH-

+

-

2H+ + 2e  H2
2H2O + 2e  H2 + 2OHỞ anode: Do ở anode có quá trình oxi hóa xảy ra nên nước sẽ đóng vai trò chất
khử, nó bị oxi hóa tạo khí (O2) thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung
dịch.
+ 2H2O
 2H+ + 2OH2OH- - 2e  ½ O2 + H2O
2H2O - 2e  ½ O2 + 2OH-

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

12


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

1.4.4.1. Ở Catode
Thực nghiệm cho thấy khi điện phân dung dịch các ion kim loại đứng sau nhôm
(Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào
điện cực catode. Ion nào càng đứng sau thì có tính oxi hóa càng mạnh nên càng bị khử
trước ở catode.
K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au
M+ + 2e-  M (Kim loại đứng sau Al)
Còn khi điện phân dung dịch chứa ion kim loại từ nhôm trở về trước (ion kim loại
Al3+, Mg2+, ion kim loại kiềm thổ, ion kim loại kiềm) thì các ion kim loại này không bị
khử ở catode mà là H2O của dung dịch bị khử tạo H2 bay ra và phóng thích ion OH- vào
trong dung dịch (ion OH- kết hợp với ion kim loại tạo hydroxyt kim loại tương ứng). Có
thể hiểu là các kim loại từ Al trở về trước có tính khử rất mạnh, nên các ion kim loại này
có tính oxi hóa rất yếu, yếu hơn H2O. Do đó H2O bị khử trước ở catode, và khi hết nước
cũng không còn dung dịch nữa nên sự điện phân sẽ ngừng. Các ion kim loại từ Al trở về
trước chỉ bị khử tạo kim loại tương ứng khi điện phân nóng chảy chất điện li có chứa
các ion này.
1.4.4.2.

Ở Anode

Quá trình oxi hóa ở anode phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực anode và
bản chất của anion đi về phía anode.
-

Nếu anode tan (không trơ, không bền): anode được làm bằng các kim loại thông
thường (trừ Pt) (như Ag, Cu, Fe, Ni, Zn, Al...) thì kim loại dùng làm anode oxi hóa
(bị hòa tan) còn các anion đi về anode không bị oxi hóa. Có thể hiểu một cách gần
đúng là kim loại được dùng làm kim loại có tính khử mạnh hơn các chất khử khác đi
về anode trong dung dịch, nên kim loại được dùng làm điện cực anode bị oxi hóa
trước. Và một khi điện cực anode bị oxi hóa (bị ăn mòn) thì đây cũng là giai đoạn
cuối ở anode. Bởi vì khi hết điện cực anode, thì sẽ có sự cách điện và sự điện phân
sẽ dừng.

-

Nếu anode không tan (trơ, bền): anode được làm bằng bạch kim (Platin, Pt) hay than
chì (carbon graphit).
 Nếu anion đi về anode là các anion không chứa O như Cl-, Br-, I-, S2-... thì các
anion này bị oxi hóa ở anode.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

13


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

 Nếu anion đi về anode là anion có chứa O như NO3-, SO42-, PO43-, CO32-... thì các
anion này không bị oxi hóa ở anode mà là H2O của dung dịch bị oxi hóa tạo O2
thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung dịch (ion H+ kết hợp với anion tạo
thành axit tương ứng). Và một khi nước đã bị oxi hóa ở anode thì đây cũng là
giai đoạn chót ở anode. Vì khi hết nước mới đến các chất khử khác bị oxi hóa,
lúc này không còn là dung dịch nữa, nên sự điện phân dừng.
1.4.5. Định luật Faraday
Khối lượng của chất tạo ra ở điện cực bình điện phân tỉ lệ với đương lượng của
chất đó, với cường độ dòng điện và thời gian điện phân (hay khối lượng của chất tạo ra
ở điện cực tỉ lệ với đương lượng của chất đó và điện lượng qua bình điện phân).
m𝐴 =

1
MA
×
×I×t
96500 nA

Trong đó:
-

mA: khối lượng của chất A tạo ở điện cực (catode hoặc anode), (gam);

-

MA: khối lượng phân tử (nguyên tử, ion) của A. Nếu chất A tạo ở điện cực là
phân tử thì MA là khối lượng phân tử của A; nếu A tạo ở điện cực là nguyên tử
thì MA là khối lượng nguyên tử của A; còn nếu chất A tạo ở điện cực là ion thì
MA là khối lượng ion của ion đó (ion lượng, ion khối);

-

nA: hóa trị của A (chất tạo ở điện cực). Cụ thể nA bằng số điện tử trao đổi ở điện
cực để tạo ra một phân tử A (hoặc 1 nguyên tử A hoặc 1 ion A);

-

𝑀𝐴
𝑛𝐴

: là đương lượng của chất A (chất tạo ở điện cực);

-

I: cường độ dòng điện tính bằng Ampe (Ampère);

-

t: thời gian điện phân, tính bằng giây;

-

I×t = q: điện lượng qua bình điện phân, tính bằng Coulomb.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

14

Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG II

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Thiết bị và hóa chất

2.1.1. Thiết bị
-

Máy khuấy từ gia nhiệt;

-

Cân phân tích PA214C, Ohaus, Mỹ;

-

Máy hút chân không ;

-

Tủ sấy ;

-

Máy đo quang Model Genesyl 10 UV;

-

Đồng hồ vạn năng;

-

Máy sắc ký lỏng cao áp (HPLC);

-

Máy chụp X-Ray;

-

Adapter chuyển dòng ACDC;

-

Cốc thủy tinh, bình định mức, ống nghiệm có nắp đậy….

2.1.2. Hóa chất
-

Pb(NO3)2 tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

Cu(NO3)2.3H2O tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

Dung dịch HNO3 đậm đặc (NSX Trung Quốc);

-

Chất hoạt động bề mặt gelatin (NSX Ấn Độ);

-

NaCl tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

Na2SO4 tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

Phenol tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

NaOH tinh thể (NSX Trung Quốc);

-

Dung dịch H2SO4 đậm đặc (NSX Trung Quốc);

-

Dung dịch aceton (NSX Trung Quốc).

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

15


Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường

Trường ĐHBRVT

Hình 3.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thực nghiệm

2.2. Chuẩn bị vật liệu nền
Vật liệu nền để kết tủa PbO2 là carbon graphit được lấy từ Pin thải cỡ lớn, có dạng
thỏi trụ Ф = 0,75 cm, dài l = 58mm.
2.2.1. Đánh bóng
Trước khi kết tủa PbO2, bề mặt điện cực được đánh bóng bằng giấy ráp số 0 và mài
tròn một đầu, sau đó rửa sạch bằng nước máy và nước cất.
2.2.2.

Tẩy dầu mỡ

2.2.2.1. Tẩy trong dung môi hữu cơ
Nhúng điện cực sau khi đã đánh bóng vào dung môi axeton và chải bằng cước, sau

đó đem rửa sạch bằng nước máy và nước cất.
2.2.2.2. Tẩy trong dung dịch kiềm nóng
Sau khi xử lý bằng axeton ta tiếp tục nhúng điện cực vào dung dịch kiềm nóng và
chảy bằng cước, sau đó đem rửa sạch bằng nước máy và nước cất.

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

16