Vật lí lớp 11
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 → gốc axit (ion âm) + H+ .
- Bazơ → OH- (ion âm) + ion dương (kim loại).
- Muối → 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.
- 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.
- 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: $W = \xi_p.I.t$ với $\xi_p$ là suất phản điện của bình điện phân.
- 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 $\frac{A}{n}$ của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là $1/F$, trong đó F gọi là số Fa-ra-đây
- Công thức Fa-ra-đây.
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. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Vận dụng trực tiếp định luật Fa-ra-đây
- Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố: $k=\frac{1}{F}\frac{A}{n}$
- Khối lượng được giải phóng: \left[ \begin{matrix} & m=kq \\ & m=\frac{1}{F}\frac{A}{n}It \\ \end{matrix}
- m là khối lượng của chất giải phóng ra ở điện cực bình điện phân (g).
- F = 96500 (C/mol): Số Fa-ra-đây.
- A là số khối hay khối lượng mol nguyên tử.
- n là hóa trị.
- I là cường độ dòng điện (A).
- t là thời gian dòng điện chạy qua (s).
Khi xảy ra hiện tượng dương cực tan, bình điện phân có điện trở ${{R}_{b}}$ xác định, do đó được áp dụng định luật Ôm ${{I}_{b}}=\frac{{{U}_{b}}}{{{R}_{b}}}$ cho bình. Có 2 loại bài toán xuôi - ngược thường gặp:
- Bài toán xuôi: Cho các thông số của mạch điện, tìm các thông số của điện phân.
Cách giải: Từ mạch điện, phân tích mạch ta tìm được cường độ dòng điện qua bình điện phân, sau đó dùng công thức Fa-ra-đây $m=\frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t$ sẽ tìm được các thông số của điện phân
- Bài toán ngược: Cho các thông số của điện phân, tìm các thông số của mạch điện.
Cách giải: Từ công thức Fa-ra-đây $m=\frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t$ với các thông số của điện phân, ta tìm được cường độ dòng điện qua bình điện phân, phân tích mạch điện, ta tìm được các thông số của mạch điện.
