Phân tách hydro từ nước

Đầu tiên là tôi muốn nói với các bạn rằng hóa học không phải chuyên ngành của tôi, mặc dù gần đây tôi bắt đầu đầu tư thời gian vào tìm hiểu hóa học. Nhưng nghĩ lại thì khi học trung học cơ sở thì hóa học là môn học mà tôi gây được ấn tượng mạnh với giáo viên. Có vài câu chuyện ly kỳ lúc đó mà giờ phụ huynh vẫn hay kể lại, nhưng xin phép kể với các bạn vào dịp khác. Quay lại trọng tâm bài viết này, đó là tôi muốn viết về việc tách hydro từ nước bằng một cách đơn giản nhất, cách mà tôi nghĩ bất cứ bạn học sinh nào tò mò về khoa học cũng có thể thực hiện được. Công cụ chúng ta cần ở đây chỉ là một ít muối và một cục pin.

Trước khi biết đến thí nghiệm này tôi vẫn nghĩ rằng nước là hợp chất ổn định nhất trên trái đất. Như các bạn biết thì nước chiếm hơn 70% diện tích bề mặt trái đất và chiếm tới 60% trong cơ thể con người. Vì vậy theo một lối tư duy vật lý nào đó tôi nghĩ rằng “nước” phải là một hợp chất rất ổn định. Về cơ bản trong vật lý, nhưng cấu trúc nào thường xuyên xuất hiện thì cấu trúc đó thường có mức năng lượng tồn tại thấp nhất và do đó là ổn định nhất. Nhưng hóa ra nước không phải vậy, chúng ta có thể tách hydro, một thành phần hóa học chính của nước. Tất cả những gì bạn cần là một cục pin.

Cách thực hiện rất đơn giản, các bạn có thể xem trên Youtube (chú ý rằng mọi thí nghiệm hóa học các bạn nên rất cẩn thận, và cần chú ý tránh bị bỏng vì hydro là chất dễ cháy):

Tiếp theo là tôi muốn giải thích thí nghiệm này, tôi tin rằng có thể các bạn đọc là sinh viên chuyên hóa có thể có cách giải thích tốt hơn. Để hiểu được cơ chế của thực nghiệm trên thì đầu tiên chúng ta phải hiểu cơ chế hoạt động của pin trước. Pin là một thiết bị khá phức tạp. Tuy nhiên các bạn có thể hiểu nôm na là chúng gồm hai bình chứa, một bình chứa điện tích dương và bình còn lại chứa điện tích âm. Khi hai bồn chứa điện tích này được nối với nhau bởi một sợi dây dẫn bằng kim loại, các điện tích âm sẽ chạy sang bình có điện tích dương để trung hòa dòng điện. Khi có một dòng di dời của các điện tích, chúng ta sẽ có một hiệu điện thế. Vậy điều gì sẽ sảy ra khi bạn nhúng hai bình chứa điện tích này vào trong nước?

Đối với trường hợp nước tinh khiết, sẽ không có điều gì sảy ra cả vì phân tử nước (H2O) là phân tử trung hòa về điện, do đó các điện tử không thể nhảy ra được khỏi bình chứa. Tuy nhiên nếu các bạn pha một ít muối (NaCl) và nước thì mọi chuyện sẽ khác. Muối hòa tan trong nước sẽ hình thành các ion tích điện dương là Na+ và các ion tích điện âm Cl. Do đó khi các ion tích điện dương sẽ di chuyển về bình chứa các điện tích âm, và ngược lại các ion tích điện âm sẽ di chuyển về bình chứa các điện tích dương, như được mô tả trong hình 1. Tại bình chứa điện tích dương (cực dương của pin), các ion  Cl nhận thêm một điện tử và trở thành các Cl trung hòa về điện. Sau đó các Cl trung hòa sẽ kết hợp với nhau để tạo thành phân từ ổn định hơn là Cl2. Chú ý các khí clo (Cl2) là một dạng khí độc, vì vậy các bạn hãy đeo khẩu trang khi thực hiện thí nghiệm này.

pin-cl-na
Hình 1. Na+ di chuyển về cực âm của pin, trong khi Cl di chuyển về cực dương của pin.

Tại các bình chứa điện tích âm (cực âm của pin), phản ứng sảy ra phức tạp hơn một chút. Do các Na+ chứa 10 điện tử và hình thành hai lớp vỏ hoàn chỉnh như được mô tả trong hình 2. Bởi vậy theo nguyên lý loại trừ Pauli, các điện tử chỉ có thể nhảy vào lớp vỏ thứ ba. Trong trường hợp này cần có một năng lượng lớn để các điện tử có thể kết cặp được với ion Na+. Do đó các điện tử này đã chọn kết cặp với các phần tử nước (H2O). Việc này đã phân tách phân tử nước thành một H trung hòa về điện và một ion OH. Khi đó các OH sẽ kết cặp với Na+ tạo thành NaOH, các dunh dịch kiềm này chính là nguyên nhân gây ra màu vàng ố như trong clip. Các H trung hòa còn lại sẽ kết hợp với nhau tạo thành khí hydro (H2) và bay hơi lên. Nếu các bạn dùng cốc hứng cẩn thận thì các bạn có thể thử kiểm tra bằng cách cho hydro bốc cháy. Cũng phải lưu ý rằng, với một lượng lớn hydro, chúng có thể gây nổ, nên các bạn cẩn thận khi thực hiện.

Sodium
Hình 2. Sơ đồ lớp vỏ điện tử của kim loại kiềm Na.

Có một thắc mắc cuối cùng là tại sao điều tương tự lại không sảy ra với ion Cl, nghĩa là tại sao các ion Cl lại dễ hấp thụ điện tích dương hơn so với nước, trong khi các điện tích dương cũng phải nhảy vào lớp vỏ thứ ba. Điều này có lẽ phải kiểm chứng thông qua các tính toán phức tạp hơn, nhưng tôi tin rằng các điện tích dương nhảy vào lớp thứ ba của ion Cl khá dễ dàng, bởi lớp thứ ba này thiếu một điện tích. Cái gì mà thiếu thì người ta cần nó hơn là cái người ta bị thừa.

2 comments

  1. Theo e học thì chỉ có electron chạy loanh quanh thôi chứ ko có điện tích dương nào ạ, electron từ Cl- sẽ thoát ra chạy vào điện cực, để lại Cl, sau khi Cl- hết, đến lượt H20 phải chìa electron ra vì có, và đầu này sẽ thoát O2, Cl- hoạt động trước vì thế năng của nó và Cl2 thấp hơn là H20 và O2.

    • Điện tích dương ở đây là ám chỉ các điện cực bị thiếu electron, mình đồng ý là các Cl- (thừa electron) sẽ chạy vào điện cực đương để cho một electron thừa đó, rồi bật ra một Cl trung hoà về điện. Cám ơn bạn đã comment thêm phần khi hết Cl- và thoát ra O2, rất thú vị. 😀

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s