Vật lí 11 BÀI 14: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN

[Elishuchi]

[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!

ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.

BÀI 14: DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN​

A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM​

1. Thuyết điện li​

Nội dung 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.

• Sự phân li của một số hợp chất:
• Axit [imath]\to[/imath] gốc axit (ion âm) [imath]+ H^+ .[/imath]
• Bazơ [imath]\to OH^-[/imath] (ion âm) + ion dương (kim loại).
• Muối [imath]\to[/imath] gốc axit (ion âm) + ion dương (kim loại).
• Chú ý: Một số bazơ không chứa ion kim loại nhưng cũng bị phân li thành ion trong dung dịch.
• Bản chất của sự phân li: Các ion âm và ion dương đã tồn tại sẵn các phân tử axit, bazơ, muối. Chúng liên kết chặt với nhau bằng lực hút Cu–lông. Khi tan vào nước hoặc một dung môi khác, lực hút Cu–lông yếu đi, liên kết trở nên lỏng lẻo. Một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do.
• Một số bazơ hoặc muối không tan khi bị nóng chảy cũng phân li ra các ion.
• Những dung dịch và chất nóng chảy trên được gọi là chất điện phân.

2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân​

• 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 chuyển động về phía catôt nên gọi là cation. Ion âm chuyển dịch về phía anôt nên gọi là anion.
• Mật độ các ion trong dung dịch nhỏ hơn mật độ êlectron tự do trong kim loại nên dung dịch dẫn điện không tốt bằng kim loại.
• Dòng điện trong chất điện phân vừa dẫn điện lượng vừa tải vật chất. Khi đến các điện cực, vật chất bị giữ lại chỉ có êlectron có thể đi tiếp gây ra hiện tượng điện phân.

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

• Do dòng điện trong chất điện phân vừa tải điện lượng vừa tải vật chất nên khi xảy ra hiện tượng điện phân thì các cation dịch chuyển và bám vào catôt, các anion dịch chuyển về phía anôt và kéo các cation vào dung dịch gây nên hiện tượng dương cực tan.
• Hiện tượng dương cực tan là hiện tượng xảy ra kim loại dùng làm cực dương của bình điện phân (anôt) trùng với kim loại của muối dùng làm dung dịch điện phân.
• Năng lượng để thực hiện việc phân tách trong bình điện phân tỉ lệ với điện lượng chạy qua bình điện phân: [imath]W = \varepsilon_p.I.t[/imath] với [imath]\varepsilon_p[/imath] là suất phản điện của bình điện phân.

4. 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; trong đó k là đương lượng điện hoá 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 An của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là 1/F, trong đó F gọi là số Fa-ra-đây

Công thức: [imath]k=\dfrac 1 F \dfrac A n.[/imath]

• Công thức Fa-ra-đây.

Kết hợp hai định luật ta có công thức Fa-ra-đây: [imath]m=\dfrac 1 F \dfrac A n It.[/imath]

5. Ứng dụng hiện tượng điện phân​

Hiện tượng điện phân được áp dụng trong các công nghệ luyện kim, hóa chất, mạ điện, đúc điện, v.v..

B. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA​

Câu C1 :​

Để phân biệt môi trường dẫn diện có phải là chất điện phân hay không, ta có thể làm cách nào?

Trả lời:
Để phân biệt môi trường dẫn điện có phải là chất điện phân hay không thì ta cho dòng điện qua môi trường dẫn điện, nếu là chất điện phân thì tại các điện cực có một số bám vào điện cực hoặc thoát ra.

Câu C2 :​

Vì sao các định luật Fa-ra-đây có thể áp dụng cả với các chất được giải phóng ở điện cực nhờ phản ứng phụ?

Trả lời:
Các định luật Fa-ra-đây có thể áp dụng cả với các chất được giải phóng ở điện cực nhờ phản ứng phụ vì lượng chất do phản ứng phụ sinh ra và lượng chất ban đầu sinh ra ở điện cực tỉ lệ với nhau.

Câu C3 :​

Có thể tính số nguyên tử trong một mol kim loại từ số Fa- ra- đây được không?

Trả lời:
Số nguyên tử trong một mol kim loại bằng số Fa- ra- đây chia cho điện tích nguyên tố:
[imath]N=\dfrac{96494}{1,602.10^{−19}}=6,023.10^{23}mol^{−1}[/imath]

Câu C4 :​

Tại sao khi mạ điện, muốn lớp mã đều. Ta phải quay vật cần mạ trong điện phân?

Trả lời:
Khi mạ điện, vật cần mạ là catôt, anôt là tấm kim loại để mạ. Nếu ta không quay vật cần mạ trong lúc điện phân thì lượng kim loại bám vào vật cần mạ phía đối diện anôt sẽ nhiều hơn ở các phía khác vì vậy lớp mạ sẽ không đồng đều. Muốn lớp mạ điện đều ta phải quay vật cần mạ trong lúc điện phân.

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
Bài 10: GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN THÀNH BỘ
BÀI 13: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

 

[Elishuchi]

C. CÂU HỎI – BÀI TẬP​

Bài 1 :​

Nội dung của thuyết điện li là gì? Anion thường là phần nào của phân tử?

Lời giải:

• Nội dung của thuyết điện li : Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazo và muối phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử và nhóm nguyên tử tích điện gọi là ion: ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện.
• Anion thường là phần ion âm của phần tử thường là gốc axit hoặc nhóm (OH)
• Cation mang điện dương là ion kim loại ion H+ hoặc một số nhóm nguyên tử khác.

Bài 2 :​

Dòng điện trong chất điện phân khác dòng điện trong kim loại như thế nào?

Lời giải:

• Dòng diện trong các chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương và ion âm. Dòng điện trong các chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải vật chất đi theo. Còn dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron tự do.
• Dòng điện trong chất điện phân yếu hơn trong kim loại và dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất.

​

Bài 3 :​

Hãy nói rõ hạt tải điện mạng điện trên các phần khác nhau của mạch điện có chứa bình điện phân:
a) Dây dẫn và điện cực kim loại.
b) Ở sát bề mặt của hai điện cực.
c) Ở trong lòng chất điện phân.

Lời giải:
Hạt tải điện mang dòng điện trên các phần tử của mạch điện có chứa bình điện phân:
a) Trong phần dây dẫn và các điện cực kim loại: hạt tải điện là các êlectron tự do.
b) ở sát bề mặt hai điện cực.
+ Sát cực dương: các ion âm (anion)
+ Sát cực âm: các ion dương (cation)
c) Ở trong lòng chất điện phân: dòng chuyển dời có hướng của các ion dương cùng chiều điện trường và ion âm ngược chiều điện trường.

Bài 4 :​

Chất điện phân thường dẫn điện tốt hơn hay kém hơn kim loại? Tại sao?

Lời giải:
+ Chất điện phân thường dẫn diện yếu hơn kim loại.
+ Nguyên nhân:

• Mật độ các ion trong điện phân nhỏ hơn mật độ cac êlectron tự do trong kim loại.
• Khối lượng và kích thước của các ion trong chất điện phân lớn hơn khối lượng các êlectron, nên tốc độ chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn êlectron.
• Môi trường dung dịch điện phân mất trật tự hơn, nên cản trở mạnh chuyển động có hướng của các ion.

Bài 5 :​

Hai bể điện phân: bể [imath]A[/imath] để luyện nhôm, bể [imath]B[/imath] để mạ niken. Hỏi bể nào có cực dương tan? Bể nào có suất phản điện?

Lời giải:

• Bể A để luyện nhôm có cực dương bằng than (graphit) nên không có hiện tượng cực dương tan.
• Bể A để mạ niken có cực dương là niken và chất điện phân NiSO4 thì sẽ có cực dương tan.
• Bể nào không có cực dương tan thì sẽ đóng vai trò là máy thu và khi đó có suất phản điện ⇒ bể A để luyện nhôm có suất phản điện.

Bài 6 :​

Phát biểu định luật Fa-ra- đây, công thức Fa-ra-đây và đơn vị dùng trong công thức này.

Lời giải:
Định luật Fa-ra-đây thứ nhất: Khối lượng của 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: 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 A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là [imath]\dfrac 1 F[/imath] trong đó [imath]F[/imath] là số Fa-ra-đây: [imath]k=\dfrac 1 F \dfrac A n\to m=\dfrac{A.I.t}{F.n}[/imath]

Bài 7 :​

Khi điện phân dung dịch [imath]H_2SO_4[/imath] với điện cực bằng graphit, ta thu được khí oxi bay ra. Có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lương oxi bay ra được không?

Lời giải:
Khi điện phân dung dịch [imath]H_2SO_4[/imath] với điện cực bằng graphit, ta thu được khí oxi bay ra. Trong trường hợp đó có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lượng oxi bay ra.
Công thức: [imath]m=\dfrac{I.t.A}{F.n}[/imath]
[imath]F = 96500 (C/mol)[/imath]: Số Fa-ra-đây.
[imath]A[/imath] là số khối hay khối lượng mol nguyên tử.

[imath]n[/imath] là hóa trị.
[imath]I[/imath] là cường độ dòng điện [imath](A).[/imath]
[imath]t[/imath] là thời gian dòng điện chạy qua [imath](s).[/imath]

Bài 8 :​

Phát biển nào chính xác?
Dòng điện trong chất điện phân là chuyển động có hướng của:
[imath]A.[/imath] các chất tan trong dung dịch
[imath]B.[/imath] các icon dương trong dung dịch
[imath]C.[/imath] các icon dương và các icon âm dưới tác đụng của điện trường trong dung dịch
[imath]D.[/imath] các icon dương và icon âm theo chiều điện trường trong dung dịch.

Lời giải: Chọn [imath]C.[/imath]
Dòng điện trong chất điện phân là chuyển động có hướng của các icon dương và các icon âm dưới tác dụng của điện trường trong dung dịch.

Bài 9 :​

Phát biển nào chính xác?
Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch [imath]CuSO_4[/imath] với điện cực bằng đồng là
[imath]A.[/imath] không có thay đổi gì ở bình điện phân.
[imath]B.[/imath] anôt bị ăn mòn.
[imath]C.[/imath] đồng bám vào catôt.
[imath]D.[/imath] đồng chạy từ anôt sang catôt.

Lời giải: Chọn [imath]D.[/imath]
Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch [imath]CuSO_4[/imath] với điện cực bằng đồng là đồng chạy từ anôt sang catôt.
[imath]CuSO_4 \to Cu^{2+} + SO4_{2-}[/imath]
[imath]Cu^{2+}[/imath] về catot, [imath]+2e\to Cu[/imath]
[imath]SO4^{2-}[/imath] về anot, [imath]+2e→ CuSO4 + 2e^–[/imath]

Bài 10 :​

Tốc độ chuyển động có hướng của ion [imath]Na^+[/imath] và [imath]Cl^–[/imath] trong nước có thể tính theo công thức: [imath]v = \mu E[/imath] trong đó [imath]E[/imath] là cường độ điện trường,[imath]\mu[/imath]có giá trị lần lượt là [imath]4,5.10^{–8} m^2/(V.s)[/imath] và [imath]6,8.10^{–8} m^2/(V.s)[/imath]. Tính điện trở suất của dung dịch [imath]NaCl[/imath] nồng độ [imath]0,1 mol/l[/imath],cho rằng toàn bộ các phần tử [imath]NaCl[/imath] đều phân li thành ion.

Lời giải:

Điện trở của một khối vật dẫn (hình hộp) có thể tính theo hai cách: [imath]R=\dfrac U I;R=\rho.\dfrac l S[/imath] Với r là điện trở suất của vật liệu, ta có: [imath]\rho=\dfrac{RS}{l}=\dfrac{US}{I.l}=\dfrac{ES}{I}[/imath] trong đó điện trường [imath]E=\dfrac U l[/imath] Cường độ dòng điện I đo bằng tổng điện lượng chạy qua diện tích [imath]S[/imath] của dây dẫn trong 1 giây. Nếu [imath]v_{Na}[/imath] và [imath]v_{Cl}[/imath] là tốc độ có hướng của các ion [imath]Na[/imath] và [imath]Cl, n[/imath] là mật độ các ion này, thì ta có: [imath]I = eS(v_{Na} + v_{Cl}).n = eS(m_{Na} + m_{Cl}).nE[/imath] [imath]\to \rho=\dfrac{ES}{I}=\dfrac{1}{ e n(\mu_{Na}+\mu_{Cl} ) } [/imath] Với [imath]n = 0,1 mol/l=0,1.6,023.10^{23}.10^3=6,023.10^{25} m^{−3}[/imath] [imath]\to \rho=\dfrac{1}{1,6.10^{−19}.6,023.10^{25}.(4,5+6,8)⋅10^{−8}}=0,918\Omega.m≈1\Omega.m[/imath]

Bài 11: Người ta muốn bọc một lớp đồng dày [imath]d = 10 \mu m[/imath] trên một bản đồng điện tích [imath]S = 1 cm^2[/imath] bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là [imath]0,010 A[/imath]. Tính thời gian cần thiết để bọc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là [imath]\\rho= 8900 kg/m^3.[/imath]

Lời giải:
Khối lượng đồng cần bọc khỏi bản đồng là:
[imath]m = V.\rho = S.d.\rho = 10^{-4}.10.10^{-6}.8900.10^{-3} = 8,9.10^{-3} g[/imath]
Mặt khác, theo định luật Fa-ra-đây khối lượng đồng cần bóc khỏi bản đồng trong thời gian t là:
[imath]m=\dfrac{A.I.t}{F.n}[/imath]
Thời gian cần thiết để bọc được lớp đồng là:
[imath]t=\dfrac{A.I.t}{F.n}=\dfrac{8,9.10^{−3}.96500.2}{64.0,010}=2684 s=44,73[/imath] phút.

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
Bài 10: GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN THÀNH BỘ
BÀI 13: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

 

[Elishuchi]

D. GIẢI BÀI TẬP SBT​

Bài 14.1 : Câu nào dưới đây nói về bản chất dòng điện trong chất điện phân là đúng ?
A. Là dòng các êlectron chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.
B. Là dòng các ion dương-chuyển động có hướng thuận chiều điện trường.
C. Là dòng các ion âm chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.
D. Là dòng chuyển động có hướng đồng thời của các ion dương thuận chiều điện trường và của các ion âm ngược chiều điện trường.

Lời giải:Đáp án [imath]D[/imath]
Bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển động có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và của các ion âm ngược chiều điện trường.


Bài 14.2: Câu nào dưới đây nói về hiện tượng điện phân có dương cực tan là đúng ?
A. Là hiện tượng điện phân dung dịch axit hoặc bazơ với điện cực là graphit.
B. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm catôt.
C. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm anôt. Kết quả là kim loại tan dần từ anôt tải sang catôt.
D. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm anôt. Kết quả là kim loại được tải dần từ catôt sang anôt.

Lời giải:Đáp án [imath]C[/imath]

Bài 14.3 : Một bình điện phân chứa dung dịch muối niken với hai điện cực bằng niken. Xác định khối lượng niken bám vào catôt khi cho dòng điện cường độ I = 5,0 A chạy qua bình này trong khoảng thời gian [imath]t = 1[/imath] giờ. Đương lượng điện hoá của niken là [imath]0,3.10^{-3} g/C.[/imath]

[imath]A. 1,5 kg.[/imath]
[imath]B. 5,4 g.[/imath]
[imath]C. 1,5 g.[/imath]
[imath]D. 5,4 kg.[/imath]

Lời giải:Đáp án [imath]B[/imath]
Khối lượng của niken được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân là :
[imath]m = kq = kIt[/imath]
[imath]\to m = 0,3.10^{-3}.5.3600 = 5,4g.[/imath]

Bài 14.11 : Xác định điện tích nguyên tố [imath]e[/imath] bằng cách dựa vào định luật [imath]II[/imath] Fa-ra-đây về điện phân. Cho biết số Fa-ra-đây [imath]F = 96500 C/mol.[/imath]

Lời giải:

Ta có: [imath]m=\dfrac 1 F \dfrac A n It[/imath]
Muốn có một đương lượng [imath]m=\dfrac A n[/imath]gam của một chất giải phóng ra ở mồi điện cực của bình điện phân thì cần phải có một điện lượng [imath]q = F[/imath] culong chuyển qua bình điện phân. Điện lượng này đúng bằng tổng điện tích của các ion có trong một đương lượng [imath]m[/imath] gam của chất đó chuyển qua bình điện phân.
Vì số nguyên tử có trong mỗi khối lượng mol nguyên tử [imath]A[/imath] của một nguyên tố đúng bằng số A vô-ga-đrô [imath]N_A = 6,023.10^{23}[/imath] nguyên tử/mol, nên suy ra mỗi ion hoá trị [imath]n = 1[/imath] sẽ có điện tích [imath]q_0[/imath] tính bằng:
[imath]q_0=\dfrac{q}{N_A}=\dfrac{F}{N_A}=\dfrac{96500}{6,02.10^{23}}≈1,6.10^{−19}C[/imath]
Đại lượng [imath]e = 1,6.10^{-19}C[/imath] chính là điện tích nguyên tố.

Bài 14.12: Khi điện phân dung dịch muối ăn NaCl trong binh điện phân có điện cực anôt bằng graphit, người ta thu được khí clo ở anôt và khí hiđrô ở catôt.
a) Giải thích kết quả của quá trình điện phân này dựa theo thuyết điện li.
b) Xác định thể tích của các khí thu được ở điều kiện chuẩn khi điện phân trong khoảng thời gian t = 10 phút với cường độ dòng điện I = 10 A.

Lời giải:

a) Trong dung dịch muối ăn, các phân tử [imath]NaCl[/imath] bị phân li thành các ion [imath]Na^+[/imath] và [imath]Cl^-[/imath]
[imath]NaCl \to Na^+ + Cl^-[/imath]
- Các ion Cl- chuyển động về anôt, nhường êlectron cho anôt trở thành các nguyên tử [imath]Cl[/imath] và tạo ra các phân tử [imath]Cl_2[/imath] bay lên :
[imath]2Cl^-\to 2e- + Cl_2[/imath]
- Các ion các phân tử [imath]H_2O[/imath] điện phân tạo ra các phân tử [imath]H_2[/imath] bay lên :
[imath]2H_2O+2e\to H_2+2OH^-[/imath]
b) Muốn có một khối.lượng mol khí hoá trị [imath]n = 1[/imath] như clo hoặc hiđrô giải phóng ra ở mỗi điện cực thì cần có một điện lượng [imath]q = F = 96500 C[/imath] chuyển qua bình điện phân.
Mặt khác, theo các phản ứng trong câu a) nêu trên, ta thấy mỗi khối lượng mol nguyên tử của khí [imath]Cl[/imath] hoặc [imath]H[/imath] sẽ cho [imath]0,5 mol[/imath] khí ứng với thể tích trong điều kiện chuẩn là [imath]11,2 (l/mol) = 11200cm^3/mol.[/imath]
Điện lượng chuyển qua bình điện phân bằng:
[imath]Q = It = 10.10.60 = 6000C[/imath]
Như vậy, thể tích của khí clo hoặc hidro thu được ở mỗi điện cực sẽ bằng:
[imath]V=\dfrac{6000}{96500}.11200=696cm^3[/imath]

Chúc các bạn học tốt!
Xem thêm kiến thức tại
Bài 10: GHÉP CÁC NGUỒN ĐIỆN THÀNH BỘ
BÀI 13: DÒNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI