Bài 14. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT
I. 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.
- Dòng điện trong lòng chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau.
- Ion dương chạy về phía catôt nên gọi là cation. Ion âm chạy về phía anốt nên gọi là anion.
- Mật độ các ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ electron tự do trong kim loại. Vì thế, chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại.
II. Các hiện tượng diễn ra ở điện cực, hiện tượng dương cực tan
- Dưới tác dụng của điện trường, các ion về các điện cực. Tùy bản chất hóa học của chất làm điện cực mà quá trình trao đổi điện tích giữa ion và điện cực sẽ kèm theo những phản ứng hóa học phụ.
- Một trong các phản ứng phụ là phản ứng dương cực tan. Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi điện phân một dung dịch muối kim loại mà anốt làm bằng chính kim loại ấy.
- Khi có hiện tượng dương cực tan, dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm giống như đoạn mạch chỉ có điện trở thuần.
- Khi không có hiện tượng dương cực tan thì bình điện phân là một máy thu điện có suất phản điện 
phụ thuộc bản chất của điện cực và chất điện phân.
III. Các định luật Fa-ra-đây
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 hóa của chất được giải phóng ở điện cực.
Định luật Fa-ra-đây thứ hai
Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam $\large \frac{A}{n}$ của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là $\large \frac{1}{F}$, trong đó F gọi là số Fa-ra-đây.
k = $\large \frac{1}{F}$.$\large \frac{A}{n}$
Thí nghiệm cho thấy, nếu I tính bằng ampe, t tính bằng giây thì:
F = 96494 C/mol
(tính toán ta thường lấy chẵn là 96500 C/mol)
Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, ta được công thức Fa-ra-đây:
m = $\large \frac{1}{F}$.$\large \frac{A}{n}$.It
m là lượng chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam.
IV. Ứng dụng của hiện tượng điện phân
Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống như luyện nhôm, tinh luyện đồng, điều chế clo, xút, mạ điện, đúc điện...
B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý
1. Biết được các chất điện phân.
2. Biết được các loại hạt mang điện tự do trong chất điện phân và nguyên nhân gây ra các hạt tải điện này. Từ đây trình bày được bản chất dòng điện trong chất điện phân.
3. Hiểu và trình bày được phản ứng phụ (phản ứng thứ cấp) trong chất điện phân.
4. Trình bày được hiện tượng dương cực tan và giải thích được hiện tượng này. Cần lưu ý là khi có hiện tượng dương cực tan thì dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ôm như đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R.
5. Phát biểu định luật, viết được công thức và vận dụng được công thức của định luật Fa-ra-đây về điện phân.
6. Biết được một số ứng dụng của hiện tượng điện phân, trong đó hiểu được nguyên tắc mạ điện, đúc điện, tinh chế và điều chế kim loại.
C. ĐỂ BÀI TẬP
Chọn phương án đúng.
Bài 1
Hạt tải điện trong chất điện phân là:
A. ion dương và ion âm thoát ra từ các điện cực.
B. ion dương và ion âm được tạo thành do phản ứng phụ giữa dung dịch điện phân và các điện cực.
C. ion dương và ion âm được tạo ra từ quá trình phân li.
D. ion dương (do nguyên tử chất tan mất electron) và ion âm (do nguyên tử chất tan nhận electron).
Bài 2
Trong các chất sau đây, chất nào là chất điện phân?
I. Muối
II. Axit
III. Bazơ
IV. Rượu
A. I, II, III
B. I, II, IV
C. I, II, III, IV
D. II, III, IV
Bài 3
Khi nhiệt độ tăng, khả năng dẫn điện của chất điện phân sẽ
A. giảm
B. tăng
C. không đổi
D. tăng rồi sau đó giảm
Bài 4
So với kim loại, khả năng dẫn điện của chất điện phân
A. tốt hơn
B. kém hơn
C. có thể tốt hơn hoặc kém hơn tùy theo loại chất điện phân.
D. giống như kim loại.
Bài 5
Trong các yếu tố sau đây:
I. Khối lượng mol nguyên tử của chất
II. Hóa trị của nguyên tố tạo ion
III. Cường độ dòng điện
IV. Thời gian điện phân
Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân phụ thuộc:
A. I, II, III, IV
B. I, II, IV
C. I, III, IV
D. II, III, IV
Bài 6
Trong các trường hợp sau đây, trường hợp nào có ứng dụng của hiện tượng điện phân?
I. Luyện kim
II. Điều chế một số hóa chất như clo, xút, hiđro
III. Mạ điện
IV. Đúc điện
A. I, II, III
B. I, II, IV
C. II, III, IV
D. I, II, III, IV
Bài 7
Điều nào sau đây là không đúng khi có hiện tượng dương cực tan trong quá trình điện phân?
A. Về phương diện tỏa nhiệt, bình điện phân không khác gì một điện trở thuần.
B. Có lượng chất được giải phóng ở điện cực.
C. Bình điện phân có suất phản điện là .png)
.
D. Có phản ứng hóa học phụ ở các điện cực.
Bài 8
Trong các trường hợp sau đây, trường hợp nào có ứng dụng của hiện tượng điện phân mà dương cực bị tan?
I. Luyện kim
II. Điều chế một số hóa chất như clo, xút, hiđro
III. Mạ điện
IV. Đúc điện
A. I, II, III
B. II, III, IV
C. I, III, IV
D. I, II, III, IV
Bài 9
Chiều dày của lớp niken phủ lên 1 tấm kim loại là h = 0,1mm, sau khi điện phân trong 1 giờ, diện tích mặt phủ của tấm kim loại là 60$cm^{2}$. Xác định cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân. Cho biết niken có khối lượng riêng D = 8,9.$10^{3}$kg/$m^{3}$, A = 58 và n = 2.
Bài 10
Muốn mạ niken một khối trụ sắt có đường kính d = 2,5cm và cao h = 2cm, người ta dùng khối trụ này làm catốt và nhúng chìm nó trong dung dịch muối niken của bình điện phân. Cho dòng điện I = 5A chạy qua bình trong 2 giờ, đồng thời quay trụ sắt để niken phủ đều thành một lớp mạ mỏng trên mặt trụ. Tính độ dày a của lớp mạ (niken). Cho $A_{Ni}$ = 59; n = 2 và khối lượng riêng của niken là 8,9.$10^{3}$kg/$m^{3}$.
Bài 11
Hai bình điện phân được mắc nối tiếp trong một mạch điện. Bình thứ nhất chứa dung dịch $CuSO_{4}$ với các điện cực bằng đồng (Cu), bình thứ hai chứa dung dịch $AgNO_{3}$ với các điện cực bằng bạc (Ag). Tính khối lượng $m_{1}$ của lớp đồng bám vào catốt của bình thứ nhất, nếu lớp bạc bám vào catốt của bình thứ hai có khối lượng $m_{2}$ = 41,04g. Cho biết đồng có khối lượng nguyên tử $A_{1}$ = 64 và hóa trị $n_{1}$ = 2; bạc có khối lượng nguyên tử $A_{2}$ = 108 và hóa trị $n_{2}$ = 1. Biết dòng điện qua hai bình trong cùng một khoảng thời gian.
Bài 12
.png)
Cho mạch điện như hình vẽ, $B_{1}$, $B_{2}$ và $B_{3}$ là 3 bình điện phân giống nhau, chứa dung dịch điện phân $CuSO_{4}$ (đồng sunphat) và có điện cực bằng đồng. Biến trở R = 12$\Omega$, điện trở của ampe kế, dây nối và khóa K không đáng kể, điện trở vôn kế rất lớn. Khi K đóng ampe kế chỉ 5A, vôn kế chỉ 10V.
a) Tìm khối lượng đồng bám vào catốt của mỗi bình điện phân sau khi đóng mạch được 2 giờ 40 phút 50 giây (Cho A = 64; n = 2).
b) Tìm công suất tiêu thụ của mỗi bình.
c) Nguồn điện gồm 12 acquy giống nhau mắc nối tiếp, mỗi chiếc có suất điện động 2V. Tính điện trở trong của mỗi acquy.
Bài 13
.png)
Cho bộ nguồn gồm 6 pin giống hệt nhau, mắc nối tiếp, cung cấp điện cho một mạch ngoài hình vẽ. Đèn Đ loại 3V-1,5W. Bình điện phân P có điện trở $R_{P}$ = 3$\Omega$ chứa dung dịch đồng sunphat ($CuSO_{4}$) có cực dương bằng đồng.
Khi K mở, vôn kế chỉ 9V. Khi K đóng vôn kế chỉ 7,2V và ampe kế chỉ 0,9 A. Điện trở của vôn kế vô cùng lớn, ampe kế và dây nối có điện trở không đáng kể.
a) Tính điện trở của bóng đèn và điện trở của phần biến trở tham gia vào mạch điện.
b) Tính khối lượng đồng thoát ra ở cực âm của bình điện phân trong 16 phút 5 giây (Cho A = 64; n = 2).
c) Tính suất điện động và điện trở trong của mỗi pin.
d) Tìm hiệu điện thế giữa hai cực của đèn và cho biết đèn có sáng bình thường không? Tại sao? Muốn cho đèn sáng hơn cần dịch chuyển con chạy của biến trở về phía nào? Tại sao?
Bài 14
Người ta muốn bóc một lớp đồng dày d = 10$\mu$m trên một bản đồng diện tích S = 1$cm^{2}$ bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,010A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là D = 8900kg/$m^{3}$.
D. HƯỚNG DẪN GIẢI
Bài 1
- Các ion dương và âm trong chất điện phân được tạo ra từ quá trình phân li.
- Các ion dương và âm vốn đã tồn tại sẵn trong các phân tử axit, bazơ và muối. Chúng liên kết chặt với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Khi tan vào nước hoặc một dung môi khác, lực hút tĩnh điện yếu đi, liên kết trở nên lỏng lẻo. Một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do. Đây là quá trình phân li ⇒ chọn C.
Bài 2
Muối, axit, bazơ là các chất điện phân ⇒ chọn A.
Bài 3
Khi nhiệt độ tăng khả năng dẫn điện của chất điện phân tăng vì năng lượng chuyển động nhiệt tăng nên dễ dàng tách các phân tử thành các ion tự do, nghĩa là trong chất điện phân giàu hạt mang điện tự do hơn, điện trở chất điện phân giảm.
⇒ chọn B
Bài 4
Mật độ các ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ các electron tự do trong kim loại. Đồng thời khối lượng và kích thước của ion lớn hơn khối lượng và kích thước của êlectron nên tốc độ của chuyển động có hướng của chúng nhỏ. Mặt khác môi trường dung dịch lại rất mất trật tự nên cản trở mạch chuyển động của các ion. Vì thế chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại
⇒ chọn B.
Bài 5
Ta có: m = $\large \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$.It với A là khối lượng mol nguyên tử của chất, n là hóa trị nguyên tố tạo ra ion, I là cường độ dòng điện, t là thời gian điện phân và m là khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân ⇒ chọn A.
Bài 6
Trong các trường hợp luyện kim, điều chế một số hóa chất (như clo, xút, hiđro), mạ điện, đúc điện đều có ứng dụng của hiện tượng điện phân ⇒ chọn D.
Bài 7
Bình điện phân có suất phản điện là .png)
khi không có hiện tượng dương cực tan ⇒ chọn C.
Bài 8
Điều chế một số hóa chất như clo, xút, hiđro người ta ứng dụng hiện tượng điện phân mà cực dương không tan ⇒ chọn C.
Bài 9
Áp dụng công thức: m = $\large \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$.It
.png)
Bài 10
Ta có: m = $\large \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$.It = $\large \frac{59.5.1800}{96.500.2}$ = 2,75 g
Khối trụ sắt có diện tích:
S = $\pi$d.h
Lớp mạ niken phủ đều trên mặt trụ của khối trụ có thể tích:
V = S.a = $\pi$dh.a
mà: m = D.V = D.$\pi$.dh.a
⇒ a = $\large \frac{m}{\pi dhD}$ = $\large \frac{2,75}{8,9.3,14.2,5.2}$ = 0,0196 cm
Bài 11
+ Đối với bình có điện cực bằng đồng: .png)
+ Đối với bình có điện cực bằng bạc: .png)
.png)
Bài 12
a) Gọi $I_{1}$ là dòng điện qua bình 1, $I_{2}$ và $I_{3}$ là dòng điện qua bình 2 và 3.
Ta có: $I_{1}$ = 5A ⇒ $m_{1}$ = $\frac{1}{96500}.\frac{64}{2}.5.9650$ = 16 g
Mặt khác: $I_{2}$ = $I_{3}$ = $\frac{I_{1}}{2}$ (do các bình giống hệt nhau)
⇒ $m_{2}$ = $m_{3}$ = $\large \frac{m_{1}}{2}$ = 8g
b)
.png)
c) Điện trở của mỗi bình điện phân:
$R_{b}$ = $\large \frac{U_{V}}{I}$ = 2$\Omega$
Điện trở mạch ngoài:
.png)
Áp dụng công thức:
.png)
⇒ r = 0,6$\Omega$
Gọi $r_{0}$ là điện trở trong của mỗi acquy:
⇒ r = n$r_{0}$ = 12$r_{0}$
⇒ $r_{0}$ = $\large \frac{0,6}{12}$ = 0,05 $\Omega$
Bài 13
a)
.png)
Khi K đóng, vôn kế chỉ 7,2V ⇒ Hiệu điện thế mạch ngoài $U_{N}$ = 7,2V
$\frac{U_{N}}{I}$ = R = $\frac{7,2}{0,9}$ = 8$\Omega$
Mặt khác điện trở tương đương của đèn và bình điện phân .png)
.png)
b) Gọi $I_{d}$ và $I_{b}$ là cường độ dòng điện qua đèn và qua bình.
.png)
Do $I_{d}$ + $I_{b}$ = I
.png)
c) Khi K mở, vôn kế chỉ 9V nghĩa là suất điện động của bộ nguồn là 9V.
Ta có: .png)
Mặt khác theo định luật Ôm cho toàn mạch: .png)
.png)
Vậy điện trở mỗi pin là .png)
d) Hiệu điện thế giữa hai cực của đèn:
.png)
Đèn sáng dưới mức bình thường vì hiệu điện thế giữa hai cực của đèn nhỏ hơn hiệu điện thế định mức của đèn.
Muốn đèn sáng hơn ta phải tăng hiệu điện thế đèn ($U_{d}$).
Dựa vào biểu thức tính $U_{d}$, do $R_{bd}$ không đổi nên muốn tăng $U_{d}$ phải tăng cường độ dòng điện mạch chính. Vậy phải dịch con chạy của biến trở về phía trái để giảm điện trở toàn mạch.
Bài 14
Áp dụng công thức: m = $\large \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It$
.png)