§14. DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
• Trong dung dịch các axit, bazơ và muối phân ly thành các ion (thuyết điện ly).
* Anion (là những ion âm): gốc axit, gốc bazơ.
* Cation (là những ion dương): ion kim loại, ion $H^{+}$ hay một nhóm nguyên tử khác.
- Khi không có điện trường ngoài đặt vào chất điện phân, các anion và cation chuyển động hỗn loạn ⇒ không có dòng điện.
- Khi có điện trường ngoài, các cation chuyển động theo chiều điện trường về catot, các anion chuyển động ngược chiều điện trường về anôt tạo nên dòng điện.
Vậy dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các cation (ion dương) theo chiều điện trường và các anion (ion âm) ngược chiều điện trường.
• Hiện tượng dương cực tan khi điện phân dung dịch muối kim loại với anốt làm bằng chính kim loại ấy. Hiện tượng này xảy ra khi các anion đi tới anốt, các ion kim loại của điện cực đi vào trong dung dịch bám lên catôt.
• Lượng kim loại được giải phóng ra ở anôt khi điện phân được tính bởi công thức
m = $\large \frac{1}{96500}$.$\large \frac{A}{n}$It
Với m: khối lượng kim loại tan ra ở anôt và bám vào catôt (g)
A : khối lượng mol nguyên tử (nguyên tử gam của chất bám vào catôt) (g)
I: cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân (A)
t: thời gian dòng điện chạy qua (s)
n: hoá trị của nguyên tố tạo ra ion
• Hiện tượng điện phân được áp dụng trong công nghệ luyện kim, hoá chất, mạ điện...
B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Nội dung của thuyết điện li là gì? Anion thường là phần nào của phân tử?
Giải
Trong dung dịch, các hợp chất hoá học như axit, bazơ hay muối bị phân ly (một phần hay 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 các hạt tải điện. Anion thường là các gốc axit hoặc bazơ của phân tử.
2. Dòng điện trong chất điện phân khác dòng điện trong kim loại như thế nào?
Giải
• Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do trong điện trường.
• Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong dung dịch.
3. Hãy nói rõ hạt tải điện nào mang dòng điện trên các thành phần khác nhau của mạch điện có chứa bình điện phân:
a) Dây dẫn và điện cực kim loại.
b) Ở sát bề mặt hai điện cực.
c) Ở trong lòng chất điện phân.
Giải
a) Trên dây dẫn và điện cực kim loại, hạt tải điện là các electron tự do.
b) Ở sát hai bề mặt của hai điện cực là các ion: Sát bề mặt catốt là các ion dương và sát bề mặt anốt là các ion âm
c) Trong lòng chất điện phân, hạt tải điện là các ion dương và ion âm: ion dương đi về phía catôt và ion âm đi về phía anốt.
4. Chất điện phân thường dẫn điện tốt hơn hay kém hơn kim loại? Tại sao?
Giải
Mật độ của các ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ electron tự do trong kim loại. Đồng thời khối lượng và kích thước của ion lớn hơn khối lượng và kích thước của electron tự do, nên tốc độ di chuyển có hướng của ion nhỏ hơn. Môi trường dung dịch lại mất trật tự nên cản trở mạnh sự di chuyển của các ion. Do vậy, chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại.
5. Hai bể điện phân: bể A để luyện nhôm, bể B để mạ niken. Hỏi bể nào có dương cực tan? Bể nào có suất phản điện?
Giải
Trong hai bể luyện nhôm và bể mạ niken thì bể mạ niken là bể có dương cực tan. Quá trình điện phân đều hao tốn năng lượng. Tất cả các bình điện phân đều có suất điện động.
6. Phát biểu định luật Fa-ra-đây, công thức Fa-ra-đây và đơn vị dùng trong công thức này?
Giải
• 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 (1)
Với k là đương lượng điện hoá của chất được giải phóng ở điện cực.
• Định luật Fa-ra-đây thứ hai
Đương lượng điện hoá k của một nguyên tử 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 = $\large \frac{1}{F}$.$\large \frac{A}{n}$ (2)
Với F = 96500 C/mol
Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây lại, ta được công thức Fa-ra-đây mới như sau
m = $\large \frac{1}{96500}$.$\large \frac{A}{n}$.It
7. Khi điện phân dung dịch $H_{2}SO_{4}$ với điện cực bằng graphit, thu được khí ôxi bay ra. Có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lượng ôxi bay ra được không?
Giải
Định luật Fa-ra-đây dùng để tính khối lượng của các chất được giải phóng ra ở điện cực. Như vậy trong trường hợp bài này, để tính khối lượng khí oxy sinh ra, ta vẫn có thể sử dụng được định luật Fa-ra-đây.
Ở bài tập 8 và 9 dưới đây, phát biểu nào là chính xác?
8. Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của:
A. các chất tan trong dung dịch.
B. các ion dương trong dung dịch.
C. các ion dương và ion âm dưới tác dụng của điện trường trong dung dịch.
D. các ion dương và ion âm theo chiều điện trường trong dung dịch.
Giải
Chọn câu C
9. Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch $CuSO_{4}$ với điện cực bằng đồng là:
A. không có thay đổi gì ở bình điện phân.
B. anôt bị ăn mòn.
C. đồng bám vào catôt.
D. đồng chạy từ anốt sang catốt.
Giải
Chọn câu D.
10. Tốc độ chuyển động có hướng của ion $Na^{+}$ và $Cl^{-}$ trong nước có thể tính theo công thức: v = $\mu$E, trong đó E là cường độ điện trường, $\mu$ có giá trị lần lượt là 4,5.$10^{-8}$ $m^{2}$/V.s và 6,8.$10^{-8}$ $m^{2}$/V.s. Tính điện trở suất của dung dịch NaCl nồng độ 0,1 mol/l, cho rằng toàn bộ các phân tử NaCl đều phân li thành ion.
Giải
Mật độ $Na^{+}$ và $Cl^{-}$: 0,1.1000.6,023.$10^{23}$ = 6,023.$10^{26}$ / $m^{3}$
Điện dẫn suất của dung dịch NaCl
.png)
⇒ Điện trở suất của dung dịch NaCl
.png)
11. 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 0,01 A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là $\rho$ = 8900 kg/$m^{3}$.
Giải
d = 10 $\mu$m = $10^{-5}$ m
S = 1$cm^{2}$ = $10^{-4}$$m^{2}$
Thể tích lớp đồng: V = S.d = $10^{-9}m^{3}$
Khối lượng lớp đồng: m = D.V = 89.$10^{2}$.$10^{-9}$ = 89.$10^{-7}$kg = 89.$10^{-4}$g
Mặt khác ta có: m = $\large \frac{1}{96500}$.$\large \frac{A}{n}$.It
⇒ Thời gian cần thiết để bóc hết lớp đồng bằng phương pháp điện phân:
.png)