XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN QUANG HKII 2021 2022 BÀI 3 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN Hiện diện Điểm 1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định giá trị của hằng số Faraday.

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 BÀI 3: XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN Hiện diện Điểm MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định giá trị số Faraday điện tích nguyên tố electron dựa vào tượng dương cực tan đồng dung dịch CuSO4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Bước 1: Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 5.1 Điều chỉnh đồng hồ đa mức 20A-DC Bước 2: + Vặn núm xoay CURRENT để tăng dần cường độ dịng điện I chạy qua bình điện phân ampekế A giá trị I khơng đổi 1A + Ngắt dịng điện + Tháo cực dương đồng khỏi bình điện phân Sau rửa sạch, sấy khơ đem cân lần m1 Bước 3: Lắp cực anot vào bình điện phân, đặt song song với hai cực catot Bật công tắc nguồn điện Bấm đồng hồ để 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 điện phân Rửa sấy khô + Dùng cân điện tử để đo khối lượng dương cực lúc  m2  Thực đo lấy số liệu lần Chú ý: Vì anơt làm đồng kỹ thuật có tỷ lệ đồng nguyên chất (độ tinh khiết) 98%, nên khối lượng đồng nguyên chất thoát từ cực anơt tan vào dung dịch q trình điện phân tính theo cơng thức : 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 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 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  BỐ TRÍ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 3.1 Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm hình: 3.2 Dụng cụ thí nghiệm Tên dụng cụ Hình ảnh minh họa Cơng dụng Bình điện phân CuSO4 Tạo mơi trường điện có phân để thực thí cực nghiệm đồng (Cu) Cung cấp nguồn điện để Nguồn điện (điện phân) hình thành chiều điện trường BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG Đồng hồ bấm HKII 2021 - 2022 Đo thời gian điện phân giây Xác định khối lượng Cân điện tử dương cực trước sau thí nghiệm Làm ampere kế Đồng hồ đo chiều đa Đo dòng điện chiều Nối thiết bị thành Dây nối có mạch điện kín hai đầu cắm Sấy khơ dương cực để Máy sấy điện cân xác KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM - Ampere kế: Cấp xác: 2% Thang đo: 20A BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG - HKII 2021 - 2022 Cân kỹ thuật: Phạm vi cân: 200g Độ phân giải: 0,01g - Đồng hồ bấm giây: Độ phân giải: 1s - Đồng (Cu): Nguyên tử lượng A  63,540 Hóa trị n  Độ tinh khiết: 98%  Trường hợp 1: t  600s I   1, 000  0, 001 A t   600  1 s Lần đo Trung bình , m1  g  m1  g  m2  g  m2  g  9,82 9,82 9,83 9,823 0,003 0,003 0,0067 0,0042 9,63 9,62 9,62 9,623 0,007 0,003 0,003 0,0043  Xử lý số liệu: - Khối lượng Cu tan:   mtan  0,98 m1  m2  0,98  9,823  9, 623  0,196  g    mtan  0,98 m1  m2  0,98  0, 0042  0, 0043   9,8.10 5  g  mtan  mtan  mdc  9,8.105  0, 01  0, 01 g  Vậy - mtan  mtan  mtan   0,196  0, 010  g Hằng số Faraday: F1   A 63,54 It  1.600  9, 726.104  Cmol 1  0,196 mtan n F1 mtan I t 0, 01 0, 001        0, 054  5, 4% I t 0,196 600 F1 mtan  F1   F1  0, 054.9, 726.10  0,525.10  Cmol 1  Vậy - F1  F1  F1   9, 726  0,525  104 Cmol 1 Điện tích nguyên tố e: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 F F  F1  9, 726  0,525  10 e     1, 615  0, 087  1019 C NA NA 6, 023.1023  Trường hợp 2: t  900s I   1, 000  0, 001 A t   900  1 s Lần đo Trung bình , m1  g  m1  g  m2  g  m2  g  9,63 9,63 9,64 9,633 0,003 0,003 0,007 0,0043 9,32 9,33 9,32 9,323 0,003 0,007 0,003 0,0043  Xử lý số liệu: - Khối lượng Cu tan:   mtan  0,98 m1  m2  0,98  9, 633  9,323  0,3  g    mtan  0,98 m1  m2  0,98  0, 0043  0, 0043    g  mtan  mtan  mdc   0, 01  0, 01 g  Vậy - mtan  mtan  mtan   0,30  0, 01 g Hằng số Faraday: F2   A 63,54 It  1.900  9,531.10  Cmol 1  0,3 mtan n F2 mtan I t 0, 01 0, 001        0, 035  3,5% I t 0,3 900 F2 mtan  F2   F2  0, 035.9,5 Vậy - 10 134  0,334.104  Cmol 1  F2  F2  F2   9,531  0,334  10 Cmol 1 Điện tích nguyên tố e: F  F1  9,531  0,334  10 F e     1,582  0, 006  10 19 C NA NA 6, 023.1023  Trường hợp 3: t  900s I   1, 000  0, 001 A t   1200  1 s Lần đo , m1  g  m1  g  m2  g  m2  g  9,32 0,00 8,92 0,003 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG Trung bình 9,32 9,32 9,32 0,00 0,00 0,00 HKII 2021 - 2022 8,91 8,92 8,917 0,007 0,003 0,0043  Xử lý số liệu: - Khối lượng Cu tan:   mtan  0,98 m1  m2  0,98  9,32  8,917   0,395  g    mtan  0,98 m1  m2  0,98  0, 00  0, 0043  4, 214.10 3  g  mtan  mtan  mdc  4, 214.103  0, 01  0, 014  g  Vậy - mtan  mtan  mtan   0,395  0, 014  g Hằng số Faraday: F3   A 63,54 It  1.1200  9, 6516.10  Cmol 1  0,395 mtan n F3 mtan I t 0, 014 0,001        0, 037  3, 7% I t 0,395 1200 F3 mtan  F3   F3  0, 037.9, 6516.10  0,3571.104  Cmol 1  Vậy - F3  F3  F3   9, 6516  0,3571 10 Cmol 1 Điện tích nguyên tố e: F  F3  9, 6516  0,3571 10 F e     1, 6025  0, 0059  10 19 C NA NA 6, 023.1023  Trung bình số Faraday trường hợp: F1  F2  F3  9, 726  0,525    9,531  0,334    9, 6516  0,3571 104   9, 6362.10  Cmol 1  F KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Như phương pháp điện phân, ta xác định số Faraday điện tích nguyên tố e - Bản chất dòng điện chất điện phân dịng dịch chuyển có hướng ion dương theo chiều điện trường ion âm ngược chiều điện trường BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 - Điều kiện xảy tượng cực dương tan: điện phân dung dịch muối kim loại với anot làm kim loại - Lưu ý: + Cần giữ cho dòng điện luôn không đổi 1A thời gian điện phân Thường xuyên theo dõi ampere kế, điều chỉnh núm xoay nguồn điện để giữ cho I không đổi + Rửa sạch, sấy khô dương cực trước sau điện phân đem cân TRẢ LỜI CÂU HỎI 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 F Theo định luật Faraday, khối lượng m chất thoát (hoặc bám vào) điện cực xác định: mk 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 khỏi điện cực khối lượng gam chất, cần phải có điện lượng culơng 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 Avơgađrơ ngun tử/mol Vì vậy, độ lớn điện tích ion hóa trị gọi điện tích ngun 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 số 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 mơ tả bảng 3.1 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 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 Xác định giới hạn đo độ phân giải cân điện tử Trình bày cách sử dụng cân điện tử Trình bày cơng dụng dụng cụ bảng 3.1 Tên dụng cụ Hình ảnh minh họa Cơng dụng Bình điện phân CuSO4 Tạo mơi trường điện có phân để thực thí cực nghiệm đồng (Cu) Cung cấp nguồn điện để Nguồn điện (điện phân) hình thành chiều điện trường Đồng hồ bấm Đo thời gian điện phân giây BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 Xác định khối lượng Cân điện tử dương cực trước sau thí nghiệm Làm ampere kế Đồng hồ đo chiều đa Đo dòng điện chiều Nối thiết bị thành Dây nối có mạch điện kín hai đầu cắm Sấy khô dương cực để Máy sấy điện 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 với chức ampere kế 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: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 Kiểm tra thăng bằng, lệch điều chỉnh lại Đĩa cân để không 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 điểm “0.00”, ấn phím “TARE” (trừ bì) để quy “0.00” Để cân vật, đặt miếng lót mỏng đĩa thủy tinh nhỏ lên mặt cân làm “bì” Khối lượng bì hiển thị hình Nhấn nút “TARE” để trừ bì, hình lại dãy số “0,00” Bây đặt vật cần cân lên “bì”, đậy nắp che gió, giá trị khối lượng tịnh m vật hiển 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 điện 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 nghiệm Biết cách sử dụng cân điện tử Trình bày cách bố trí thí nghiệm, thực lấy số liệu, 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 10 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 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 hồ đa mức 20A-DC - Bước 2: + Vặn núm xoay CURRENT để tăng dần cường độ dịng điện 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 sạch, sấy khô đem cân lần m1 - Bước 3: Lắp cực anot vào bình điện phân, đặt song song với hai cực catot Bật công tắc nguồn điện Bấm đồng hồ để 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 điện phân Rửa sấy khô + Dùng cân điện tử để đo khối lượng dương cực lúc lần 11  m2  Thực đo lấy số liệu BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 Chú ý: Vì anơt làm đồng kỹ thuật có tỷ lệ đồng nguyên chất (độ tinh khiết) 98%, nên khối lượng đồng nguyên chất thoát từ cực anôt tan vào dung dịch q trình điện phân tính theo cơng thức : - 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 đều, 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 Thử thách: Hãy tìm hiểu trình bày phương pháp khác dùng để đo số Faraday Từ phân tích ưu điểm hạn chế phương pháp với phương pháp dương cực tan Phương án thí nghiệm sau: Cơ sở lý thuyết Nếu dòng điện tạo nguồn chiều khoảng thời gian t, hệ thống điện phân cho có thay đổi oxi hóa anot khử catot Khí oxy tạo thành cực dương hiđrô cực âm Sự oxi hóa (tại anot): H 2O  O2  H   4e  Sự khử (tại catot): H  + 4e   H Cả trình: H O  H  O2 Thí nghiệm cho thấy thể tích khí tăng tỷ lệ với cường độ dòng điện thời gian Định luật Faraday bắt nguồn từ điều này: 12 HKII 2021 - 2022 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG n q I t  z R F zR F  1 Trong đó: n: số mole chất; q: điện lượng; zR : Số electron phương trình; F: số Faraday Ở điều kiện thích hợp (áp suất thấp, nhiệt độ vừa đủ cao), lượng khí n chứa hai điện cực có phản ứng, biểu diễn dạng thể tích khí tương ứng cách sử dụng phương trình trạng thái tổng quát khí lý tưởng: n pV RT  2 1 1 Trong đó: R  8,31441J K mol p: áp suất T: nhiệt độ tuyệt đối Từ (1) (2) suy ra: V q RT z R pF Theo mối quan hệ này, tương quan tuyến tính (Hình 2) V  f  q dẫn đến hàm: V RT   q zR pF Hình Từ độ dốc đồ thị cho hydro ( zR =2) oxy ( zR =4), số Faraday Mốitốn, tương quan tích chuyển thể tích hydro oxy biến đổi q trình điện tính p vàgiữa T đãđiện xác định Biểu đồ giá trị axit đo được, có lỗng thể giá Krấtvàđơn phần mềm "Measure" phân sulfuric (T =đánh 296,05 p =giản 100,4 kPa) Khơng có phí cấp phép cho việc sử dụng để đánh giá biểu diễn đồ thị giá trị đo Nó có sẵn tệp tải xuống URL www.phywe.de Dụng cụ, bố trí thí nghiệm 2.1 Dụng cụ: 13 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 Nguồn điện; Thiết bị điện phân Bạch kim, điện cực port.tube, Dây nối điện Giá đỡ Kẹp đa 8mm Đồng hồ vạn Công tắc điện 1 Đồng hồ bấm Máy đo nhiệt độ phòng, áp suất khí 1 Pipet Phễu thủy tinh đường kính 80 Cốc thấp dung tích 600 ml Nắp cao su mm; Nước cất 5l Dung dịch Sulphuric acid 95-98% 500 ml 2.2 Bố trí thí nghiệm tiến hành thí nghiệm Bố trí thí nghiệm hình vẽ Tiến hành thí nghiệm: 14 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỆN - QUANG HKII 2021 - 2022 Chuẩn bị dung dịch axit sunfuric 20% cần thiết cho thí nghiệm cách thêm cẩn thận 62 g axit sunfuric đặc vào 238 g nước cất cốc 500 ml Đổ đầy bình cách xác cách nâng bình định mức lên, sau đóng nút Sử dụng dịng điện 400mA khoảng vài phút để trình điện phân diễn làm bão hòa dung dịch thiết bị khí sinh Sau đó, tắt nguồn điện, mở nút bổ sinh dung dịch thêm lần đóng nút lại Trong phần đầu thí nghiệm, tiến hành điện phân cường độ dịng điện khơng đổi khoảng 200 mA đến 300 mA 10 phút, khởi động đồng hồ bấm thời điểm có dịng điện chạy qua Ngắt nguồn điện phút đọc thể tích chất khí Để thực việc này, điều chỉnh chiều cao bình chia độ cho mặt khum bình với mặt khum ống đo Ghi lại thời gian thể tích khí vào bảng Sau thực 10 lần, chọn thang đo thích hợp vẽ biểu đồ thể tích khí theo thời gian Trong phần thứ hai thí nghiệm, ta sử dụng dịng điện khác (70, 140, 210mA), điện phân khoảng thời gian từ đến 10 phút Sau lần thực hiện, ta ghi lại thể tích khí vẽ chúng dạng đồ thị Chú ý: Đổ thêm axit vào ống sau lần đo Phải xác định áp suất khí nhiệt độ phịng Sau kẻ bảng xử lý số liệu 2.3 Ưu điểm hạn chế phương pháp với phương pháp dương cực tan Ưu điểm: Bài thí nghiệm thao tác thực tương đối đơn giản, có phần mềm hỗ trợ vẽ đồ thị đảm bảo độ xác cao sai số nhỏ Nhược điểm: Bài thí nghiệm đòi hỏi cẩn thận, tỉ mỉ, sơ suất nguy hiểm có mặt axit TÀI LIỆU THAM KHẢO Determination of Faraday’s constant https://www.phywe.com/en/determination-of-faraday-s-constant.html#tabs4 Giáo trình Vật lý đại cương 15 ... viên xác lập cơng thức xác định điện tích ngun tố dựa vào số Faraday F Theo định luật Faraday, khối lượng m chất thoát (hoặc bám vào) điện cực xác định: mk A A q q n F n (1) Với: F số Faraday. .. F KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - Như phương pháp điện phân, ta xác định số Faraday điện tích ngun tố e - Bản chất dịng điện chất điện phân dịng dịch chuyển có hướng ion dương theo chiều điện trường... lớn điện tích ion hóa trị gọi điện tích ngun 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