Dòng điện trong chất điện phân

Khoahoc.vn xin gửi tới bạn đọc bài viết Vật lý 11 Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân. Mời các bạn cùng theo dõi bài viết nhé.

I. 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.

• Các ion dương và âm vốn đã tồn tại sẵn trong các phân tử axit, bazo và muối. Chúng liên kết với nhau bằng lực Culong.
• Khi tan vào dung môi khác thì lực Culong yếu đi và một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do.

Nhận xét: Những dung dịch và chất nóng chảy trên được gọi là chất điện li

II. Bản chất dòng điện trong chất điện phân

• Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại. Do mật độ 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 electron tự do nên tốc độ của chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn, môi trường dung dịch mất trật tự nên cản trở chuyển động mạnh.
• Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất đi theo. Tới điện cực chỉ có các electron có thể đi tiếp, còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực, gây ra hiện tượng điện phân.

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

Ta xét bình điện phân dung dịch CuSO4 có điện cực bằng đồng.

• Khi dòng điện chạy qua, cation Cu2+ chạy về catôt, về nhận electron từ nguồn điện đi tới. Ta có ở các điện cực:

Ở catôt: Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Ở anôt: 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.
• Các hiện tượng diễn ra anot và catot trong bình này cùng là một phản ứng cân bằng theo hai chiều ngược nhau

Cu²⁺ + 2e^- ⇄ Cu

IV. Các định luật Faraday 

Vì dòng điện trong chất điên 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 hóa trị n của nguyên tố tạo ra ion ấy).

1. Định luật Faraday thứ nhất

Trong đó k gọi là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực.

2. Định luật Faraday thứ hai

3. Công thức Faraday 

Trong đó:

• F = 96500 C/mol
• A là khối lượng mol (g/mol)
• n là hóa trị
• m là khối lượng chất được giải phóng ở điện cực (g)
• I là cường độ dòng điện (A)
• t là thời gian dòng điện chạy qua (s)

V. Ứng dụng của hiện tượng điện phân

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…

1. 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 Al₂O₃. Nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ rất cao nên người ta pha thêm vào quặng Na₃AlF₆ để hạ nhiệt nóng chảy xuống còn 950^oC.
• Bể điện phân có cực dương là quặng nhôm nóng chảy, cực âm bằng than, chất điện phân là muối nhôm nóng chảy, dòng điện chạy qua khoảng 104A.

2. Mạ điện

• Bể điện phân lúc này gọi là bể mạ có anot là một tấm kim loại để mạ, catot 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, …) thêm một số chất phụ gia để lớp mạ bám chắc, bền đẹp hơn.
• Dòng điện qua bể mạ được chọn một cách thích hợp để đảm bảo chất lượng của lớp mạ.