Vật lý 11. Chương III. Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. Bản chất dòng điện trong chất điện phân

1. 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 ion; ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện.

2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân

– Dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau.

Bạn đang xem: Vật lý 11. Chương III. Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

• Ion dương chạy về phía catôt nên gọi là cation
• Ion âm chạy về phía anôt nên gọi là anion.

– Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp) đi theo. Tới điện cực chỉ có êlectron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân.

– Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại.

B. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan

Ta xét chi tiết những gì xảy ra ở điện cực của bình điện phân dung dịch CuSO4 có điện cực bằng đồng bình điện phân này thuộc loại đơn giản nhất, vì chất tan là muối của kim loại dùng làm điện cực (trường hợp này là đồng).

Khi dòng điện chạy qua, cation Cu2+ chạy về catôt, về nhận electron từ nguồn điện đi tới. Ta có ở các điện cực:

• Ở catốt: Cu2+ + 2e- → Cu
• Ở anốt: Cu → Cu2+ + 2e-

Khi anion (SO4)2- chạy về anôt, nó kéo ion Cu2+ vào dung dịch. Như vậy, đồng ở anôt sẽ tan dần vào trong dung dịch. Đó là hiện tượng dương cực tan.

– Các ion chuyển động về các điện cực có thể tác dụng với chất làm điện cực hoặc với dung môi tạo nên các phản ứng hóa học gọi là phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân.

– Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anot kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch.

C. Các định luật Fa-Ra-Đây

Vì dòng điện trong chất điện phân tải điện lượng cùng với vật chất (theo nghĩa hẹp) nên khối lượng chất đi đến điện cực:

• Tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình điện phân
• Tỉ lệ thuận với khối lượng của ion (hay khối lượng mol nguyên tử A của nguyên tố tạo nên ion ấy)
• Tỉ lệ nghịch với điện tích của ion (hay hoá trị n của nguyên tố tạo ra ion ấy)

1. Định luật Fa-ra-đây thứ nhất

Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó

m = kq

k gọi là đương lượng điện hoá của chất được giải phóng ở điện cực.

2. Định luật Fa-ra-đây thứ hai

Đương lượng điện hoá k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam [frac{A}{n}] của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là [frac{1}{F}], trong đó F gọi là số Fa-ra-đây

[k = frac{1}{F}.frac{A}{n}]

Thí nghiệm cho thấy, nếu I tính bằng ampe, t tính bằng giây thì:

F = 96 494 C/mol

* Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, ta được công thức Fa-ra-đây:

[m = frac{1}{F}.frac{A}{n}.It]

m là lượng chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam.

D. Ứng dụng của hiện tượng điện phân

Một số ứng dụng của hiện tượng điện phân:

• Điều chế hoá chất: điều chế clo, hiđrô và xút trong công nghiệp hoá chất.
• Luyện kim: người ta dựa vào hiện tượng dương cực tan để tinh chế kim loại. Các kim loại như đồng, nhôm, magiê và nhiều hoá chất được điều trực tiếp bằng phương pháp điện phân
• Mạ điện: người ta dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại không gỉ như crôm, niken, vàng, bạc… lên những đồ vật bằng kim loại khác.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một bộ nguồn điện gồm 30 pin mắc thành ba nhóm nối tiếp, mỗi nhóm có 10 pin mắc song song; mỗi pin có suất điện động E0 và điện trở trong r = 0,6Ω. Mắc một bình điện phân đựng dung dịch CuSO4 có điện trở R = 205Ω vào hai cực của bộ nguồn nói trên. Biết anot của bình điện phân bằng đồng và sau 50 phút có 0,013g đồng bám vào catot. Suất điện động E0 bằng bao nhiêu?

Giải

Ta có:

[I = frac{{m.F.n}}{{A.t}}left( 1 right)]

Mặt khác

[I = frac{{{xi _b}}}{{R + {r_b}}} = frac{{3{xi _0}}}{{R + frac{{3r}}{{10}}}}left( 2 right)]

Từ (1) và (2) ta xác định được ξ0 = 0,9V.

Bài 2: Để mạ đồng hai mặt của một tấm sắt có diện tích mỗi mặt là 25cm2, người ta dung nó làm catot của một bình điện phân có anot bằng đồng nhúng trong dung dịch CuSO4 rồi cho dòng điện có cường độ I = 1A chạy qua trong thời gian 1 giờ 20 phút. Biết ACu = 64, nCu = 2 và khối lượng riêng của đồng là ρCu = 8,9g/cm3. Bề dày của lớp mạ là bao nhiêu?

Bài 3: Bình điện phân thứ nhất có anot bằng bạc nhúng trong dung dịch AgNO3, bình điện phân thứ hai có anot bằng đồng nhúng trong dung dịch CuSO4. Hai bình được mắc nối tiếp nhau vào một mạch điện. Sau 1,5 giờ, tổng khối lượng của hai catot tăng lên 2,1g. Cho biết AAg = 108; nAg = 1; ACu = 64; nCu = 2. Khối lượng m1 bạc bám vào bình thứ nhất và khối lượng m2 đồng bám vào bình thứ hai lần lượt là bao nhiêu?

Bài 4: Một bình điện phân chứa dung dịch bạc nitrat (AgNO3) có anot bằng bạc. Biết bạc (Ag) có khối lượng mol nguyên tử A = 108 g/mol và hoá trị n = 1. Nếu hiệu điện thế giữa hai cực của bình là 10V và sau 16 phút 5 giây có 4,32g bạc bám vào anot thì điện trở của bình là bao nhiêu?

Bài 5: Một bình điện phân chứa dung dịch đồng sunfat (CuSO4 ) có anot bằng đồng. Biết khối lượng mol nguyên tử của đồng (Cu) là A = 63,5 g/mol và hoá trị n = 2. Nếu cường độ dòng điện chạy qua bình này là 1,93A thì trong 0,5 giờ, khối lượng của catot tăng thêm là bao nhiêu?

Bài 6: Một bình điện phân chứa dung dịch muối niken với hai điện cực bằng niken. Biết đương lượng điện hoá của niken là 0,3.10-3g/C và khối lượng niken bám vào catot trong 1 giờ khi cho dòng điện có cường độ I chạy qua bình này là 5,4g. Cường độ dòng điện chạy qua bình bằng bao nhiêu?

Bài 7: Cho đương lượng điện hoá của niken là k = 3.10-4g/C. Khi cho một điện lượng 10C chạy qua bình điện phân có anot làm bằng niken, thì khối lượng niken bám vào catot là bao nhiêu?

Nguồn: https://luatduonggia.edu.vn
Danh mục: Tổng hợp