THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 3 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN 1 Mục đích Xác định giá trị của hằng số Faraday và điện tích nguyên tố elec.
THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 3: XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN Mục đích Xác định giá trị số Faraday điện tích nguyên tố electron dựa vào tượng dương cực tan đồng dung dịch CuSO4 Giới thiệu chung Bài thí nghiệm thực dựa tượng dương cực tan, có trao đổi ion điện cực dương dung dịch ện phân dẫn đ ến s ự suy giảm khối lượng điện cực Dựa vào giảm khối lượng ện cực dương sau thời gian xác định, số Faraday điện tích nguyên tố xác định Trong thí nghiệm này, sinh viên sử dụng số dụng cụ sau: Bình điện phân CuSO4 có cực đồng (Cu) Nguồn điện chiều Đồng hồ bấm giây Cân kỹ thuật điện tử Đồng hồ đo điện đa Dây nối có hai đầu cốt An tồn thực thí nghiệm Trong q trình làm thí nghiệm sinh viên cần ý không ch ạm tay vào mối nối điện dây điện trở để đảm bảo ều ki ện an tồn ện độ xác phép đo Tóm tắt lý thuyết 4.1 Hiện tượng dương cực tan 2+ Trong dung dịch CuSO4, phân tử CuSO4 bị phân ly thành ion Cu 2ion SO Khi chưa đặt điện trường vào, ion chuyển động nhi ệt hỗn loạn khơng tạo dịng điện Khi nhúng hai ện c ực b ằng đ ồng (Cu) vào dung dịch này, nối chúng với nguồn điện khơng đổi U ampere kế A Hình 3.1, điện trường xuất hai điện cực làm cho ion 22+ chuyển động có định hướng: ion Cu SO dịch chuyển điện cực âm điện cực dương, tạo thành dòng điện I chạy qua dung dịch ện phân Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện tượng điện phân 2+ Tại điện cực âm: ion Cu thu thêm hai electron (điện tử) thành nguyên tử Cu bám vào điện cực âm: Cu 2+ +2e Cu (3.1) Tại điện cực dương, Cu bề mặt điện cực dương nhường electron 22+ cho dung dịch để trở thành ion Cu Các ion SO4 dung dịch dịch chuyển 2+ đến điện cực dương kết hợp với Cu trở thành phân tử CuSO4 hòa tan vào dung dịch: Cu - 2e Cu 2+ Cu 2+ SO 2-4 CuSO4 (3.2) Kết dung dịch điên phân CuSO có dịng điện I chạy qua (được đo ampere kế A) Như vậy, chất dòng điện chất điện phân dòng dịch chuy ển có hướng ion dương theo chiều điện trường ion âm ngược chi ều ện trường Đồng thời điện phân dung dịch CuSO với hai điện cực Cu điện cực dương bị mịn dần, điện cực âm dày thêm, tượng dương cực tan Cần lưu ý trình điện phân trường hợp này, ện cực dương điện cực âm nhận nhiêu, n ồng độ dung dịch không thay đổi Hiện tượng dương cực tan xảy tr ường hợp điện phân dung dịch muối kim loại với điện cực dương làm kim loại 4.2 Hằng số Faraday Hằng số Faraday thể độ lớn điện tích mole electron Hi ện tại, giá trị số Faraday là: F 9,64853399 24 104 Cmol1 Theo định luật Faraday, khối lượng m chất thoát (hoặc bám vào) điện cực tỷ lệ thuận với đương lượng hố học A/n chất đó; A nguyên tử lượng n hoá trị chất xét, đồng thời tỷ lệ thuận với ện lượng q chuyển qua dung dịch điện phân: mk A A q q n F n (3.3) Trong k hệ số tỷ lệ có giá trị chất, đại lượng F = 1/k số Faraday Từ định nghĩa cường độ dòng điện, q I t , với t thời gian có dịng điện có cường độ I không đổi chạy qua dung dịch điện phân Từ (3.3) ta suy ra: F A It mn (3.4) Trong cơng thức (3.4), ta thấy cường độ dịng điện I thời gian điện phân t đo ampere kế đồng hồ bấm giây Lượng đồng nguyên chất thoát từ cực dương tan vào dung dịch ện phân có th ể đo cân Từ đó, ta xác định số Faraday F Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Từ nội dung mục 4.2, sinh viên xác lập cơng thức xác định điện tích nguyên tố dựa vào số Faraday F Theo định luật Faraday, khối lượng m chất thoát (hoặc bám vào) điện cực xác định: mk A A q q n F n (1) Với: F số Faraday A nguyên tử lượng n hóa trị chất xét Theo cơng thức (1) trên, muốn làm thoát khỏi điện cực m ột kh ối l ượng gam chất, cần phải có điện lượng culông chuyển qua dung dịch điện phân Như vậy, muốn làm thoát khỏi điện cực A gam chất đó, cần phải có điện lượng culong Điện lượng culong lượng điện tích ion có A kilogam chất chuyển qua dung dịch điện phân Mà số nguyên tử có A kilogam chất số Avôgađrô nguyên tử/mol Vì vậy, độ lớn điện tích ion hóa trị gọi điện tích nguyên tố e: Từ suy ra: điện tích ion hóa trị 2e, ion hóa trị 3e,… Điều chứng tỏ điện tích có cấu tạo gián đoạn Rõ ràng, xác định số Faraday, ta tìm điện tích ngun tố e Tóm lại: Cơng thức xác định điện tích ngun tố dựa vào s ố Faraday F là: Nhiệm vụ học tập 2: Sinh viên quan sát dụng cụ thí nghiệm thực yêu cầu sau đây: Nêu công dụng thiết bị mô tả bảng 3.1 Trong thí nghiệm cần sử dụng ampere kế thang đo nào? Xác định gi ới hạn đo độ phân giải đồng hồ đa với chức ampere kế Xác định giới hạn đo độ phân giải cân điện tử Trình bày cách s dụng cân điện tử Trình bày cơng dụng dụng cụ bảng 3.1 Tên dụng Hình ảnh minh họa Cơng dụng cụ Bình điện phân CuSO4 có cực đồng (Cu) Tạo môi trường điện phân để thực thí nghiệm Nguồn điện chiều Cung cấp nguồn điện để (điện phân) hình thành điện trường Đồng hồ bấm giây Đo thời gian điện phân Cân điện tử Xác định khối lượng dương cực trước sau thí nghiệm Đồng hồ đo đa Dây nối có hai đầu cắm Máy sấy điện Làm ampere kế chiều Đo dòng điện chiều Nối thiết bị thành mạch điện kín Sấy khơ dương cực để cân xác Trong thí nghiệm cần sử dụng ampere kế thang đo nào? Xác định giới hạn đo độ phân giải đồng hồ đa với chức ampere kế Trong thí nghiệm cần sử dụng ampere kế thang đo 20A-DC Giới hạn đo độ phân giải đồng hồ đa v ới chức ampere k ế 20A 0,001A Xác định giới hạn đo độ phân giải cân điện tử Trình bày cách sử dụng cân điện tử Cân điện tử có GHĐ: 200g; Độ phân giải 0,01g Cách sử dụng cân điện tử: Kiểm tra thăng bằng, lệch điều chỉnh lại Đĩa cân đ ể khơng tải, hộp che gió Chuẩn bị cân: cắm phích điện cân vào ổ điện lưới 220V Bật công tắc cân: xuất số “0.00” cân sẵn sàng hoạt động Trong trường hợp đĩa cân khơng tải mà hình lệch khỏi ểm “0.00”, ấn phím “TARE” (trừ bì) để quy “0.00” Để cân vật, đặt miếng lót mỏng đĩa thủy tinh nh ỏ lên mặt cân làm “bì” Khối lượng bì hiển thị hình Nh ấn nút “TARE” để trừ bì, hình l ại dãy s ố “0,00” Bây gi đ ặt v ật cần cân lên “bì”, đậy nắp che gió, giá trị khối lượng tịnh m v ật hi ển thị hình Sau nhấc vật bì khỏi mặt cân, hình xuất gía trị âm bì Ấn nút “TARE” trở lại “0.00” Kết thúc phép cân, tắt cơng tắc rút phích cắm điện khỏi ổ ện 220V, phủ cân áo che bụi Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên thực nghiệm hoàn thành yêu cầu sau đây: Trình bày mục đích thí nghiệm hoạt động học tập Để đo F, e, sinh viên cần đo đại lượng nào? Vẽ sơ đồ mạch điện Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm Trình bày mục đích hoạt động học tập Xác định công dụng tất dụng cụ thí nghi ệm Bi ết cách s dụng cân điện tử Trình bày cách bố trí thí nghiệm, thực l s ố li ệu, xử lý tính tốn F, e Để xác định F, e sinh viên cần đo đại lượng nào? m Để đo F , e , ta cần đo đại lượng sau: khối lượng dương cực trước sau điện phân m2 , cường độ dòng điện I, thời gian xảy điện phân t Vẽ sơ đồ mạch điện Hình 5.1 Sơ đồ mạch điện Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm - Bước 1: Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 5.1 Điều chỉnh đồng h đa mức 20A-DC - Bước 2: + Vặn núm xoay CURRENT để tăng dần cường độ dòng ện I chạy qua bình điện phân ampekế A giá trị I không đổi 1A + Ngắt dòng điện + Tháo cực dương đồng khỏi bình điện phân Sau rửa s ạch, s khô đem cân lần m1 - Bước 3: Lắp cực anot vào bình điện phân, đặt song song v ới hai cực catot Bật công tắc nguồn ện Bấm đồng h đ ể đo khoảng thời gian t trình điện phân - Bước 4: Chờ cho trình điện phân diễn 20 phút Chú ý: Cần giữ cho dịng điện ln ln khơng đổi I = 1A suốt khoảng thời gian điện phân Thường xuyên theo dõi ampe kế, cần điều chỉnh núm xoay nguồn điện U để giữ cho I không đổi - Bước 5: + Ngắt điện, nhẹ nhàng tháo dương cực anot khỏi bình ện phân R ửa sấy khô + Dùng cân điện tử để đo khối lượng dương cực lúc Thực đo lấy số liệu lần Chú ý: Vì anơt làm đồng kỹ thuật có tỷ lệ đồng nguyên ch ất (đ ộ tinh khiết) 98%, nên khối lượng đồng ngun chất từ cực anơt tan vào dung dịch trình điện phân tính theo cơng th ức : m mtan 0,98 m1 m2 - Bước Đọc ghi số liệu sau vào bảng số liệu Cấp xác giá trị cực đại I m thang đo Ampere kế A Độ xác mdc cân kỹ thuật Độ xác t đồng hồ bấm giây Đồng Cu có nguyên tử lượng A 63,540 hóa trị n Nhiệm vụ học tập 4: Phân tích ưu điểm việc sử dụng điện cực so với điện cực - - Khi sử dụng điện cực với anode dương cực tan đ ều, tránh trường hợp miếng đồng bị gãy tránh trường hợp tạp chất đồng ảnh hưởng đến dòng điện Cường độ điện trường E mạnh hơn, dòng dịch chuyển ion ổn định ... tan vào dung dịch ện phân có th ể đo cân Từ đó, ta xác định số Faraday F Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Từ nội dung mục 4.2, sinh viên xác lập công thức xác định điện tích nguyên tố dựa vào số Faraday. .. ra: điện tích ion hóa trị 2e, ion hóa trị 3e,… Điều chứng tỏ điện tích có cấu tạo gián đoạn Rõ ràng, xác định số Faraday, ta tìm điện tích ngun tố e Tóm lại: Cơng thức xác định điện tích ngun tố. .. lượng điện tích ion có A kilogam chất chuyển qua dung dịch điện phân Mà số nguyên tử có A kilogam chất số Avơgađrơ ngun tử/mol Vì vậy, độ lớn điện tích ion hóa trị gọi điện tích nguyên tố e: