SGK Vật Lí 11 - Bài 14. Dòng điện trong chất điện phân

Dòng điện trong chất điện phân
Những năm gần đây, nhôm ngày càng được sứ dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như công nghiệp điện, điện tử, công nghiệp hàng không, công nghiệp xây dựng, công nghiệp chế tạo đồ gia dụng,... Đế sản xuất nhôm cận có nguồn điện năng dồi dào. Quy trình luyện nhôm dựa trên hiện tượng nào mà đòi hói nhiều điện như vậy ?
- THUYẾT ĐIỆN LI
Cho nước tinh khiết (nước cất hai lần) vào một cốc có hai điện cực bằng kim loại rồi nối với một bộ pin, ta thấy dòng điện chạy qua rất nhỏ (Hình 14.la). Điều đó chứng tỏ trong nước tinh khiết có rất ít hạt tải điện. Cho thêm vào trong nước một lượng nhỏ axit, hoặc bazơ, hoặc muối thì dòng điện tăng mạnh (Hình 14.lb), chứng tỏ mật độ hạt tải điện trong đó tăng lên. Sự tăng số hạt tải điện trong các dung dịch như thế có thể giải thích dựa trên một lí thuyết gọi là thuyết điện li:
Trong dung dịch, các hợp chất hoá học như axit, bazơ và muối bị phán li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử (hoặc nhòm nguyên từ) tích điện gọi là ion (Hình 14.2)ion có thê chuyến dộng tự do trong dung dịch và trỏ thành hạt tải điện.
. Axit phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương H+.
Bazơ phân li thành ion âm (OH)_ và ion dương (kim loại)+.
Muối phân li thành ion âm (gốc axit)- và ion dương (kim loại)+.
Hình 14.1
Khi trong cóc là nuóc tinh khiết, dòng điện rất nhò. Cho thêm axit vào nuóc, dõng điện tăng mạnh.
lon
lon+
Phân tử nước Phân tử chất tan
Hình 14.2
Mô hình dung dịch điện phân
Một số bazơ như nước amôniac (NH4)OH hoặc muối như phân đạm amôni clorua (NH4)C1 không chứa ion kim loại. Trong dung dịch, chúng cũng bị phân li thành các ion (OH)“, cr và (NH4)+.
Mỗi ion mang một số nguyên điện tích nguyên tố. Khi ion là một nguyên tử tích điện, số điện tích nguyên tố của ion là hoá trị của nguyên tố ấy.
Các ỉon dương và âm vốn đã tồn tại sẵn trong các phân tửaxit, bazơ và 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.
Chuyển động nhiệt mạnh trong các muối hoặc bazơ nóng chảy cũng làm các phân tử chất này phân li thành các ion tự do như các dung dịch.
Ta gọi chung những dung dịch và chất nóng chảy như trên là chất điện phân.
(cation) đi vế phía catôt.
- BẢN CHẤT DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN
Lấy một bình đựng chất điện phân (ví dụ dung dịch CuSO4) và cắm vào đó hai điện cực dẫn điện (ví dụ bằng kim loại đồng) như Hình 14.3. Ta được một bình điện phân. Nối hai điện cực với một nguồn điện (ví dụ pin hoặc acquy) qua một điện trở bảo vệ và một ampe kế. Điện cực nối với cực dương của nguồn điện gọi là anôt, điện cực kia gọi là catôt. Trong mạch có dòng điện chạy qua.
Dòng điện trong lòng chát diện phán là dòng ion dương và ion áin chuyến động có hướng theo hai chiều ngược nhau.
lon dương chạy về phía catôt nên gọi là cation. Ion âm chạy về phía anôt nên gọi là anion.
Mật độ các ion trong chất điện phân thường nhỏ hơn mật độ electron tự do trong kim loại. Khối lượng và kích thước của ion lớn hơn khối lượng và kích thước của electron nên tốc độ của chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn. Môi trường dung dịch lại rất mất trật tự nên cản trở mạnh chuyển động của các ion. Vì thế, chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại.
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 electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân. Tuỳ bản chất hoá học của chất làm điện cực, mà quá trình trao đổi điện tích giữa ion và điện cực sẽ kèm theo những phản ứng hoá học phụ, làm cho hiện tượng điện phân trở nên phức tạp thêm.
Ill	- 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 đã vẽ ưên Hình 14.4. 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 có dòng điện chạy qua, cation Cu2+ chạy về catôt, vă nhận electron từ nguồn điện đi tới. Ta có :
Cu2+ + 2c“—>Cu
Đồng hình thành ở catôt sẽ bám vào cực này.
Ở anôt, electron bị kéo về cực dương của nguồn điện, tạo điều kiện hình thành ion Cu2+ trên bề mặt tiếp xúc với dung dịch :
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 hiện tượng diễn ra ở anôt và catôt trong bình điện phân này là cùng một phản ứng cân bằng nhưng xảy ra theo hai chiều ngược nhau :
Cu2+ + 2e~ Cu
KI Để nhận biết môi trường dẫn điện có phải là chất điện phân hay không, ta cổ thể làm cách nào ?
Hình 14.4
Bình điện phân dúng dịch CuSO4 với điện cực bằng đồng. Khi CÓ dòng điện chạy qua, nguyên tử đồng'ở anôt biến thành ion Cu2+ và tan vào dung dịch, lon Cu2+ ở gần catôt nhận electron của catôt, biến thành nguyên tử đồng và bám vào cực này.
Nếu phản ứng diễn ra theo chiều này thu năng lượng, thì phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại toả năng lượng, nên tổng cộng lại điện năng không bị tiêu hao trong các quá trình phân tích các chất mà chỉ bị tiêu hao vì toả nhiệt. Bình điện phân không khác gì một điện trở.
02
ZTS
h2
(
3
H2SO4
+h2o
c
A
+ I -
	—11	
K
Hình 14.5
Bình điện phân dung dịch H2SO4 với điện cực bằng graphit. Lúc đầu, trong hai ống nghiệm, úp ngược chứa đầy dung dịch H2SO4. Khi có dóng điện chạy qua, ở anôt có O2 bay lên, cỏn ở catôt có H2 bay lên, đẩy cột dung dịch tụt xuống.
Tình hình sẽ khác hẳn khi ta xét dòng điện qua một bình điện phân được vẽ trên Hình 14,5. Chất điện phân là dung dịch H?SO4 và các điện cực làm bằng graphit (hoặc inôc). Phân tử H2SO4 bị phân li thành ion H+ và ion (SO4)2-. Graphit (cacbon) dẫn điện nhưng không tạo thành ion có thể tan vào dung dịch khi điện phân, nên các phản ứng ở điện cực phức tạp hơn.
Khi có điện trường trong bình điện phân, ion H+ bị đẩy về phía catôt, còn ion (SO4)2- bị đẩy về phía anôt, gây ra mất cân bằng về nồng độ các ion ở gần điện cực.
Quanh catôt, các ion H+ sẽ nhận electron ở catôt theo phản ứng :
4H++ 4e_ -» 2H2 T
và hiđrô bay ra ở catôt.
Quanh anôt, nước phân li thành H+ và (OH)_. Các ion (OH) sẽ nhường electron cho anôt theo phản ứng :
4(OH)" -> 2H2O + 02 t + 4e~
và ôxi bay ra ở anôt. Các ion (SO4)2- không trao đổi điện tích với điện cực.
Kết quả là chỉ có nước bị phân tách thành hiđrô và ôxi. Hiđrô bay ra ở catôt, còn ôxi bay ra ở anôt.
. Năng lượng w dùng để thực hiện việc phân tách lấy từ năng lượng của dòng điện, nên nó tỉ lệ với điện lượng chạy qua bình điện phân. Ta có thể viết : w = cỤt, trong đó ễp gọi là suất phản điện của bình điện phân. Giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của điện cực và chất điện phân, và được đo bằng vôn. Trong bình điện phân dương cực tan thì suất phản điện bằng 0.
- CÁC ĐỊNH LUẬT FA-RA-DAY
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).
Fa-ra-đây đã tổng quát hoá các nhận xét trên, và mở rộng cho cả trường hợp các chất được giải phóng ở điện cực là do các phản ứng phụ sinh ra, thành hai định luật Fa-ra-đây. GF
Định luật Fa-ra-đây thứ nhát
Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phâưtỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.
m = kq	(14.1)
trong đó k gọi là đương lượng điện hoá của chất được giải phóng ở điện cực.
Định luật Fá-ra-đây thứ hai
Đương lượng điện hoá k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lựợnggam của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ là -p, trong đó F gọi là sô Fa-ra-đây.
^14	(14.2)
Thí nghiệm cho thấy, nếu I tính bằng ampe, t tính bằng giây thì:
F = 96 494 c/mol
(tính toán ta thường lấy chẵn là 96 500 c/mol).
Kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, ta được công thức Fa-ra-đây :
m = ị 4ỉt ‘	(14.3)
F n
m là khối lượng của chất được giải phóng ở điện cực, tính bằng gam.
- ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG ĐIỆN PHÂN
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 ?
r? Có thể tính số nguyên tử trong một mol kim loại từ số Fa-ra-đây được không ?
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,... Dưới đây, ta chỉ nội qua về công nghệ luyện nhôm và mạ điện.
Luyện nhôm
Công nghệ luyện nhôm chủ yếu dựa vào hiện tượng điện phân quặng nhôm nóng chảy.
Quặng nhôm phổ biến là bôxit giàu nhôm ôxit A12O3. Nhiệt độ nóng chảy của A12O3 rất cao, tc = 2 050°C. Người ta pha thêm vào quặng nhôm một lượng quặng cryôlit Na3AlF6 để hạ nhiệt độ nóng chảy xuống còn khoảng 950°C. Bể điện phân có điện cực bằng than, dòng điện chạy qua khoảng 104 A. Năng lượng điện toả ra trong bể điện phân giữ cho hỗn hợp quặng luôn luôn nóng chảy. Công nghệ luyện nhôm tiêu thụ một điện năng lớn nên giá thành của nhôm cao, vào khoảng 2 đôla một kilôgam.
Mạ điện
KI Tại sao khi mạ điện, muốn lớp mạ đều, ta phải quay vật cần mạ trong lúc điện phân ?
Để tăng vẻ đẹp và chống gỉ cho các đồ dùng thường ngày bằng kim loại, người ta thường mạ lên chúng một lớp kim loại trơ. Đối với các vật dụng lớn bằng thép thì thường mạ niken, còn với đồ mĩ nghệ thì mạ bạc, vàng. Công nghệ mạ thường dùng là công nghệ điện phân. Bể điện phàn lúc này gọi là bể mạ có anôt là một tấm kim loại để mạ, catôt là vật cần mạ. Chất điện phân thường là dung dịch muối kim loại để mạ (nếu mạ niken ta dùng NiSO4 tan trong nước, còn nếu mạ bạc thì dùng muối AgNO3) trong đó có thêm một số chất phụ gia để làm cho lớp mạ bám vào bề mặt được chắc, bền và bóng đẹp. Dòng điện qua bể mạ được chọn một cách thích hợp để đảm bảo chất lượng của lớp mạ. Khi mạ các vật dụng phức tạp, người ta còn phải quay vật trong lúc mạ để lớp mạ được đều.
Trong dung dịch, các axit, bazơ và muối bị phân li thành ion (thuyết điện li): Anion mang diện âm là gốc axit hoặc nhóm (OH), còn cation mang điện dương là ion kim loại, ion H+ hoặc một số nhóm nguyên tử khác. ■
Dòng điện trong chất điện phân là dồng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường. Hiện tượng dương cực tan xảy ra khi các anion đi tới anôt kéo các ion kim loại của điện cực vào trong dung dịch.
Khôi lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực khi điện phân cho bởi công thức:
trong đó m tính bằng gam, A là khôi lượng mol nguyên tử của chất, I tính bằng ampe, t tính bằng giây, n là hoá trị của nguyên tố tạo ra ion.
Hiện tượng điện phân được áp dụng trong các công nghệ luyện kim, hoá chất, mạ điện...
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
lã
Nội dung của thuyết điện li là gì ? Anion thường là phần nào của phân tử ?
Dòng điện trong chất điện phân khác dòng điện trong kim loại như thế nào ?
Hãy nói rõ hạt tải điện nào mang dòng điện trên các phần khác nhau của mạch điện có chứa bình điện phân:
Dây dẫn và điện cực kim loại.
ở sát bề mặt hai điện cực.
ở trong lòng chất điện phân.
Chất điện phân thường dẫn điện tốt hơn hay kém hơn kim loại ? Tại sao ?
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 ?
Phát biểu định luật Fa-ra-đây, viết công thức Fa-ra-đây và đơn vị dùng trong công thức này.
Khi điện phân dung dịch H2SO4 với điện cực bằng graphit, ta thu được khí ôxi bay ra ở anôt. Có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lượng ôxi bay ra được không ?
ở bài tập 8 và 9 sau đây, phát biểu nào là chính xác ?
Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của
các chất tan trong dung dịch.
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.
Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực bằng đồng là
không có thay đổi gì ở bình điện phân.
anôt bị ăn mòn.
c. đồng bám vào catôt.
D. đồng chạy từ anôt sang catôt.
10*. Tốc độ chuyển động có hướng của ion Na+ và cr trong nước có thể tính theo công thức: v = ụE, trong đó E là cường độ điện trường, ụ có giá trị lần lượt là 4,5.10“8 m2/(V.s) và 6,8.10~8 m2/(V.s). Tính điện trở suất của dung dịch NaCI nồng độ 0,1 mol//, cho rằng toàn bộ các phân tử NaCI đều phân li thành ion.
11. Người ta muốn bóc một lớp đồng dày ở = 1011 m trên một bản đồng diện tích s = 1 cm2 bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,010 A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là p = 8 900 kg/m3.