Công nghiệp Chlorine – Kiềm (Điện phân màng trao đổi ion)

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) --điện phân có màng ngăn--> 2NaOH(aq) + H₂↑ + Cl₂↑

Giải thích chuẩn SGK: Một hệ điện phân sản xuất đồng thời Cl₂, H₂ và NaOH từ nguyên liệu chỉ gồm muối ăn và nước. Thách thức kỹ thuật lớn nhất là ngăn cách các sản phẩm không cho phản ứng ngược với nhau mà vẫn duy trì hiệu suất cao — đó chính là vai trò của màng trao đổi ion ở giữa.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Sản phẩm điện phân dung dịch NaCl bão hòa»: Cathode thu được H₂ và NaOH, anode thu được Cl₂; không thu được kim loại Na.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓ · Mg²⁺ + 2OH⁻ → Mg(OH)₂↓

Giải thích chuẩn SGK: Khi Ca²⁺ và Mg²⁺ xâm nhập vào màng, gặp OH⁻ sẽ tạo kết tủa Ca(OH)₂, Mg(OH)₂ lắng đọng trong lớp carboxylate phía cathode: làm giảm hiệu suất dòng điện, tăng điện áp bình điện phân và gây hư hại màng vĩnh viễn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Tại sao phải tinh chế nước muối loại bỏ Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻; hai quy tắc bắt buộc về thứ tự cho thuốc thử kết tủa và lọc.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Anode: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂↑ · Cathode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻

Giải thích chuẩn SGK: Hai điện cực thực hiện hai nửa phản ứng riêng biệt: Phía +x ion Cl⁻ nhường electron tạo Cl₂, phía −x phân tử H₂O nhận electron tạo H₂ và OH⁻; màng ngăn giữ cho sản phẩm hai buồng không tràn sang nhau.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Tại sao sản phẩm ở cathode không phải là kim loại Na»: Trong dung dịch nước, H₂O có tính oxi hóa mạnh hơn nhiều so với Na⁺ nên xảy ra bán phản ứng 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Hàng rào nhóm chức mang điện âm cố định —SO₃⁻ / —COO⁻

Giải thích chuẩn SGK: Các nhóm chức mang điện tích âm cố định trên mạch polymer đẩy lùi các anion, chỉ cho phép Na⁺ kèm nước đi qua: Chặn Cl⁻ để giữ độ tinh khiết của NaOH, chặn OH⁻ để bảo toàn hiệu suất dòng điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Bản chất của màng ngăn trong bình điện phân chlor-kiềm»: Là màng trao đổi cation, chỉ cho phép cation Na⁺ (kèm phân tử nước) đi qua và đẩy lùi các anion Cl⁻, OH⁻ nhờ các nhóm chức mang điện tích âm cố định.

Phương trình / Quy luật áp dụng: U = 2.19 + 0.27576·i · W = 1000·U / (1.492·η)

Giải thích chuẩn SGK: Sản lượng tăng tỉ lệ thuận với mật độ dòng điện, nhưng suất tiêu hao điện năng (kW·h/t) cũng tăng tuyến tính theo điện áp bình; chính sự đánh đổi này đặt ra bài toán chọn vùng vận hành tối ưu.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Mối quan hệ giữa mật độ dòng điện với sản lượng và suất tiêu hao điện năng»: Sản lượng tỉ lệ thuận với mật độ dòng, còn điện áp và điện năng tiêu thụ trên mỗi tấn sản phẩm tăng tuyến tính theo mật độ dòng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: U = 2.19 + 0.27576·i·[1 + 0.095·(90 − t)]

Giải thích chuẩn SGK: Nhiệt độ bình tác động trực tiếp đến suất tiêu hao điện năng thông qua điện áp bình: 90 ℃ là nhiệt độ vận hành chuẩn; nếu để tụt xuống 85 ℃, mỗi tấn xút sẽ tiêu tốn thêm 305 kW·h điện (từ 2187 lên 2492 kW·h/t).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Ảnh hưởng của nhiệt độ bình điện phân»: Tăng nhiệt độ giúp giảm điện trở và giảm tiêu hao điện năng, nhưng bị giới hạn bởi độ bền vật liệu màng và hàm lượng ẩm trong khí chlorine.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Giải thích chuẩn SGK: Khi không có màng ngăn, Cl₂ phản ứng với NaOH làm hỏng sản phẩm xút, đồng thời H₂ và Cl₂ trộn lẫn gây nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng; màng trao đổi ion chính là lá chắn an toàn của bình điện phân.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Hậu quả khi điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn»: Cl₂ tác dụng với NaOH làm nhiễm bẩn xút (tạo nước Javel / muối chlorate) và hỗn hợp khí H₂ + Cl₂ có nguy cơ gây nổ.

Phương trình / Quy luật áp dụng: P ≥ 28 t/d · W ≤ 2300 kW·h/t · Duy trì 15 s

Giải thích chuẩn SGK: Chỉ có dải mật độ dòng 3.1–3.8 kA/m² thỏa mãn đồng thời cả hai điều kiện (ở 3.0 kA/m² sản lượng chỉ đạt 27.55 t/d; ở 3.9 kA/m² điện năng đã vượt lên 2303.8 kW·h/t) — bài toán tối ưu công nghiệp được quyết định bằng tính toán định lượng.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra «Tại sao công nghiệp không chạy ở mật độ dòng có điện năng tiêu thụ thấp nhất»: Vì năng suất quá thấp, chi phí đầu tư thiết bị trên mỗi tấn sản phẩm quá lớn; công nghiệp luôn chọn vùng vận hành tối ưu cân bằng giữa năng suất và điện năng.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: H₂ và NaOH. Trong dung dịch nước, ion Na⁺ không bị khử mà phân tử nước nhận electron tại cathode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻, do đó sản phẩm ở vùng cathode là khí H₂ và dung dịch NaOH; muốn điều chế kim loại Na phải điện phân NaCl nóng chảy.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Phải cho Na₂CO₃ sau BaCl₂, và phải cho dung dịch HCl sau công đoạn lọc. Na₂CO₃ vừa dùng để kết tủa Ca²⁺ vừa để loại bỏ lượng Ba²⁺ dư (tạo kết tủa BaCO₃), nên bắt buộc phải thêm sau BaCl₂; còn HCl dùng để trung hòa kiềm dư phải thêm sau khi đã lọc bỏ kết tủa (nếu thêm trước khi lọc sẽ hòa tan trở lại kết tủa CaCO₃ và Mg(OH)₂).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Ion Na⁺ (kèm phân tử nước) đi qua, còn các ion Cl⁻ và OH⁻ bị đẩy lùi. Trên mạch polymer của màng có các nhóm chức mang điện tích âm cố định (—SO₃⁻, —COO⁻) có tác dụng đẩy lùi các anion và chỉ cho phép cation Na⁺ kèm nước đi qua: Chặn Cl⁻ giúp giữ độ tinh khiết của xút, chặn OH⁻ giúp giữ hiệu suất dòng điện.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Khí Cl₂ phản ứng với dung dịch NaOH tạo muối hypochlorite (và tạo muối chlorate ở nhiệt độ cao). Khi không có màng ngăn, khí Cl₂ sinh ra ở anode sẽ khuếch tán vào dung dịch NaOH ở cathode và xảy ra phản ứng: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O (ở nhiệt độ thường), hoặc tạo thành NaClO₃ trong dung dịch kiềm đặc nóng 90 ℃.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Tăng lên, vì điện áp bình điện phân tăng tuyến tính theo mật độ dòng điện. Theo phương trình đặc tuyến U = 2.19 + 0.27576·i, mật độ dòng điện càng lớn thì điện áp bình U càng cao; mặt khác suất tiêu hao điện năng W = 1000·U/(1.492·η) tỉ lệ thuận với U nên điện năng tiêu thụ tăng từ 2187 lên 2712 kW·h/t.