Giải bài 14 vật lí 11: Dòng điện trong chất điện phân

A. Lý thuyết

I. Thuyết điện li

Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazo 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 $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + H⁺ .
• Bazo $\rightarrow $ OH^- (ion âm) + ion dương (kim loại).
• Muối $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + ion dương (kim loại).

Chú ý: Một số bazo 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, bazo, 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 bazo 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. Trong bài này ta chỉ xét chất điện phân do dung dịch.

II. 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 catot nên gọi là cation. Ion âm chuyển dịch về phía anot nên gọi là anion.

Mật độ các ion trong dung dịch nhỏ hơn mật độ electron 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 electron có thể đi tiếp gây ra hiện tượng điện phân.

III. Các hiện tượng điện cực. Hiện tượn 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 catot, các anion dịch chuyển về phía anot 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 (anot) 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: $W = \varepsilon _{p}.I.t$ với $\varepsilon _{p}$: Suất phản điện của bình điện phân.

IV. Các định luật Fa-ra-day

Khối lượng chất đi đến điện cực:

• Tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình điện phân;
• Tỉ lệ thuận vơi 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 hóa trị n của nguyên tố tạo ra ion ấy);

Định luật Fa-ra-day 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 = k.q với k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực.

Định luật Fa-ra-day thứ 2: 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 1/F, trong đó F gọi là số Fa-ra-day.

$k = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$, với F = 96500 (C/mol)

Công thức Fa-ra-day: $m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t$ (kg), m là khối lượng chất giải phóng.

Hiện tượng điện phân có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống: luyện nhôm, mạ điện...