Dòng điện trong chất điện phân

2 Hiện tượng dương cực tan: Trong thí nghiệm của hình 1b, nếu chất điện phân là dung dịch CuSO4 và anôt là đồng nói một cách tổng quát là anôt làm bằng kim loại mà chất điện phân là muối[r]

Dòng điện chất điện phân Mở đầu Cũng vật rắn, chất lỏng nói chung có thể là chất cách điện dẫn điện Những chất lỏng nào có khả dẫn điện? Hiện tượng gì có thể xảy có dòng điện chạy qua các chất lỏng đó và ứng dụng các tượng đó là gì? Bài học này giúp trả lời các câu hỏi đó Lop11.com Dòng điện chất điện phân Mục tiêu Trả lời câu hỏi nào là chất điện phân? tượng điện phân? Nêu chất các hạt tải điện chất điện phân và trình bày nội dung thuyết điện ly Phát biểu và giải thích cá định luật Faraday, từ đó nêu cách đo điện tích nguyên tố e Giải các bài tập có vận dụng định luật này Hiểu và giải thích các ứng dụng tượng điện phân Trả lời câu hỏi nào là điện hóa giải thích chế xuất nó Trên sở các kiến thức điện hóa, giải thích nguyên tắc cấu tạo và hoạt động các nguồn điện hóa học Lop11.com Dòng điện chất điện phân NỘI DUNG Lop11.com Dòng điện chất điện phân I) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: 1) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: Hiện tượng điện phân là tượng hợp chất hóa học bị tách thành các hợp phần có dòng điện chạy qua Hợp chất bị dòng điện làm tách thành các hợp phần gọi là chất điện phân Để quan sát tượng điện phân, ta bố trí thí nghiệm hình Lấy bình điện phân với hai điện cực đồng Đổ nước cất vào đó và nối hai điện cực vào mạch điện hình vẽ Ta thấy không có dòng điện chạy qua, chứng tỏ nước cất có ít hạt tải điện Cho thêm vào nước lượng nhỏ H2SO4 (hoặc bazơ, ví dụ NaOH, hay muối, ví dụ: NaCl) ta thấy dòng điện tăng lên nhiều lần, nghĩa là môi trừơng bây có Lop11.com nhiều hạt tải điện Dòng điện chất điện phân I) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: 1) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: Hiện tượng điện phân là tượng hợp chất hóa học bị tách thành các hợp phần có dòng điện chạy qua Hợp chất bị dòng điện làm tách thành các hợp phần gọi là chất điện phân Khi cho dòng điện chạy qua, ta thấy bề mặt điện cực có biến đổi hóa học rõ rệt Chẳng hạn cho chất � thêm vào là H2SO4 thì catôt ta thấy có H2 bay ra, còn anôt thì bị ăn mòn Cho dòng điện chạy thời gian đủ dài, thì dung dịch bình điện phân chuyển sang màu xanh đặc trưng dung dịch CuSO4 và thấy đồng đọng catôt Vì hai điện cực có biến đổi hóa học nên cho dòng điện chạy qua bình điện phân đã có iôn dương và iôn âm tới điện cực Tại đây chúng trao đổi điện tích với điện cực để trở thành các Lop11.com chất trung hòa Dòng điện chất điện phân I) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: 1) Hiện tượng điện phân và chất điện phân: Như vậy, dung dịch axit, bazơ hay muối là chất điện phân Trong số các hạt tải điện chất điện phân có các iôn dương và iôn âm Hiện tượng điện phân quan sát dòng điện chạy qua số chất rắn, chất rắn đun nóng chảy và chất rắn tan các dung môi khác (không phải là nước) 2) Hiện tượng dương cực tan: Trong thí nghiệm hình 1b, chất điện phân là dung dịch CuSO4 và anôt là đồng (nói cách tổng quát là anôt làm kim loại mà chất điện phân là muối chính kim loại đó), thì có dòng điện chạy qua anôt bị mòn dần, đồng đến bám vào catôt và nồng độ dung dịch CuSO4 không bị thay đổi Đó là tượng dương cực tan Ta nói quá trình điện phân làm cho đồng nguyên chất tải từ anôt sang catôt Lop11.com Dòng điện chất điện phân II) Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện chất điện phân: 1) Thuyết điện ly: (thuyết phân ly các phân tử chất hòa tan dung dịch) Trong chất điện phân, các hợp chất hóa học axit, bazơ và muối bị phân ly thành các iôn · Axit = (gốc axit)- + H+ Ví dụ: H2SO4 = (SO4)2- + 2H+ · Bazơ = (OH)- + (kim loại)+ Ví dụ: NaOH = (OH)- + Na+ · Muối = (gốc axit)- + (kim loại)+ Ví dụ: NaCl = Cl- + Na+ Lop11.com Dòng điện chất điện phân II) Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện chất điện phân: 1) Thuyết điện ly: (thuyết phân ly các phân tử chất hòa tan dung dịch) a) Tinh thể iôn: Ví dụ xét phân tử NaCl Nguyên tử Na có electron hóa trị lớp vỏ ngoài cùng, còn nguyên tử Cl có electron hóa trị, nghĩa là còn thiếu electron để lấp đầy lớp vỏ ngoài cùng Khi tạo thành phân tử NaCl, nguyên tử Na dễ dàng nhường cho nguyên tử Cl electron hóa trị mình Lúc đó nguyên tử Na electron, trở thành iôn natri mang điện dương, có lớp vỏ ngoài cùng lấp đầy Trong ấy, nguyên tử Cl nhận thêm electron, trở thành iôn âm và lớp vỏ electron ngoài cùng lấp đầy Hai iôn hút nhờ tương tác Coulomb tạo nên phân tử NaCl Ta có thể biểu diễn phân tử iôn dạng lưỡng cực hình Những vật rắn có cấu tạo gọi là tinh thể iôn Lop11.com D òng điện chất điện phân II) Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện chất điện phân: 1) Thuyết điện ly: (thuyết phân ly các phân tử chất hòa tan dung dịch) a) Tinh thể iôn: b) Quá trình phân ly Bây ta hòa tan NaCl vào nước cất Các phân tử nước là các phân tử lưỡng cực Do đó điện trường xung quanh phân tử NaCl, chúng xếp sau: đầu âm lưỡng cực H2O hướng vào iôn Na+ phân tử NaCl và hút iôn này, đồng thời đẩy iôn Cl- phân tử NaCl; đầu dương phân tử H2O hướng vào iôn Cl- phân tử NaCl và hút iôn ấy, đồng thời đẩy iôn Na+ � phân tử NaCl Một cách gần đúng ta có thể xem lực hút các iôn Na+ và Cl - bị giảm theo định luật Coulomb  lần ( là số điện môi dung môi và trường hợp xét là nước) Nhưng chuyển động nhiệt, các phân tử luôn luôn va chạm với Vì phân tử NaCl, va chạm với phân tử nước hay va chạm với phân tử NaCl khác thì có thể bị “đứt đôi” ra, tạo nên iôn Na+ và iôn Cl- riêng rẽ Quá trình này gọi là quá trình phân ly phân tử NaCl dung dịch điện phân Lop11.com Dòng điện chất điện phân 2) Bản chất dòng điện chất điện phân: Khi không có điện trường ngoài đặt vào chất điện phân thì iôn dương và iôn âm chuyển động nhiệt hỗn loạn không có phương ưu tiên nên không có dòng điện qua chất điện phân Khi chuyển động hỗn loạn, các iôn khác dấu có thể va chạm vào và kết hợp lại thành phân tử trung hòa Quá trình này gọi là tái hợp Trong điều kiện không thay đổi, dung dịch điện phân có cân động hai quá trình phân ly và tái hợp, nghĩa là số iôn tạo nên phân ly đơn vị thời gian số iôn tái hợp cùng đơn vị thời gian đó Khi có điện trường ngoài, ngoài chuyển động nhiệt, các iôn tham gia chuyển động có hướng tác dụng điện trường tạo nên dòng điện chất điện phân Vậy dòng điện chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng các iôn (dương và âm) tác dụng điện trường ngoài Lop11.com Dòng điện chất điện phân III) Định luật Faraday: Ta đã thấy có điện trường ngoài đặt vào chất điện phân, thì các iôn chuyển dời các điện cực Đến điện cực, các iôn trao điện tích cho chúng và biến thành phân tử trung hòa Càng nhiều iôn đến điện cực thì chất bám vào cực càng nhiều Năm 1834, Faraday đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát biểu thành các định luật Faraday 1) Phát biểu các định luật Faraday: a) Định luật Faraday thứ nhất: Khối lượng M chất giải phóng điện cực tỉ lệ với điện Q đã qua chất điện phân M = kQ (1) Hệ số k gọi là đương lượng điện hóa, phụ thuộc vào chất chất giải phóng cực Trong hệ đơn vị SI, k có đơn vị là kg/C Lop11.com III) Dòng điện chất điện phân Định luật Faraday: 1) Phát biểu các định luật Faraday: b) Định luật Faraday thứ hai: Đương lượng điện hóa chất tỉ lệ với đương lượng hóa học nó (2) đó: A : nguyên tử lượng chất n: hóa trị hóa học chất : đương lượng hóa học chất Hệ số c có cùng trị số tất các chất Người ta thường ký hiệu đó F là số chất và gọi là số Faraday Thí nghiệm đo F=9,65.107 C/kmol Từ (1) và (2) ta suy ra: HAY với I: cường độ dòng điện không đổi qua bình điện phân và t là thời gian dòng điện chạy qua bình Lop11.com III) Dòng điện chất điện phân Định luật Faraday: 2) Giải thích các định luật Faraday Xác định điện tích electron: Giả sử có N iôn chuyển động đến các điện cực Gọi m là khối lượng iôn Vậy khối lượng M chất thoát điện cực: M = m.N (1) Điện tích iôn: q = ne Điện tích N iôn: Q=Nq=Nne => N=Q/ne (2) Thay (2) vào (1), ta có: : Do M = kQ nên suy (3) Mặt khác: A=NA.m (NA :số Avogradro) => Thay vào (3): => F=NA.e Mà HAY Trị số này e hoàn toàn phù hợp với các trị số e tìm các Lop11.com phương pháp khác Dòng điện chất điện phân IV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện: 1) Thế điện hóa: Thí nghiệm chứng tỏ: kim loại đặt tiếp xúc với chất điện phân thì trên kim loại và chất điện phân xuất các điện tích trái dấu, đó kim loại có điện xác định chất điện phân, điện này gọi là điện hóa Ví dụ: Zn nhúng dung dịch ZnSO4 - Phân tử nước có mômen lưỡng cực lớn đến bao quanh iôn Zn++ kim loại và kéo chúng khỏi điện cực - Ngược lại, chuyển động nhiệt, các iôn Zn++ dung dịch có thể đến sát nhập vào điện cực Lop11.com Dòng điện chất điện phân IV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện: 1) Thế điện hóa: Thí nghiệm chứng tỏ: kim loại đặt tiếp xúc với chất điện phân thì trên kim loại và chất điện phân xuất các điện tích trái dấu, đó kim loại có điện xác định chất điện phân, điện này gọi là điện hóa Ví dụ: Zn nhúng dung dịch ZnSO4 - Thực nghiệm cho thấy cực kẽm tích điện âm chứng tỏ dòng Zn++ từ cực dung dịch mạnh dòng Zn++ từ dung dịch vào cực, (ta nói cực Zn nhả iôn Zn++ vào dung dịch) Lúc này cực Zn và dung dịch điện phân có xuất hiệu và điện trường tiếp xúc hướng từ dung dịch vào cực Etx có tác dụng cản trở dòng Zn++ từ cực vào dung dịch và kích thích dòng Zn++ từ cực vào dung dịch Lop11.com Dòng điện chất điện phân IV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện: 1) Thế điện hóa: - Khi cân động thiết lập, cực và dung dịch tồn hiệu xác định, hiệu đó chính là điện hóa cực Zn dung dịch ZnSO4 - Thế điện hóa phụ thuộc vào chất kim loại và vào nồng độ dung dịch điện phân Với nồng độ dung dịch nhau, điện hóa phụ thuộc vào chất kim loại và đặc trưng cho khả nhả iôn nó vào dung dịch Khi chọn dung dịch có nồng chuẩn (chứa 1kmol kim loại 1m3 dung dịch hay 1mol 1lít dung dịch) thì điện hóa kim loại dung dịch đó gọi là điện hóa chuẩn tuyệt đối V Biết điện hóa chuẩn tuyệt đối kim loại ta có thể tính điện hóa nó dung dịch có nồng độ tùy ý Thế điện hóa điện cực dung dịch muối nó (có nồng độ chuẩn) đo với điện cực H2, gọi là điện hóa chuẩn Vch V – V' = Vch với V' = 0,274 V : điện hóa chuẩn tuyệt đối H2 chất điện phân V= Vch +V' = Vch + 0,274V Kim Vch (vôn) V (vôn) loại Bảng sau cho biết Vch và V số điện cực: Zn Cu H2 MnO2 Lop11.com -0,77 +0,34 -0,50 +0,61 +0,274 +0,98 Dòng điện chất điện phân IV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện: 2) Các nguồn điện hóa học: a) Pin: Khi ghép thành mạch hai vật dẫn loại (dùng làm điện cực) và dung dịch điện phân ta có nguồn điện hóa học Biết điện hóa các kim loại dùng làm điện cực ta có thể tính suất điện động nguồn điện đó Ta đã biết nguyên nhân làm xuất suất điện động nguồn điện hóa học là các lực lạ, có nguồn gốc phi tĩnh điện, tác dụng lên các hạt mang điện bên nguồn: các lực này có chất vật lý khác các nguồn điện khác Trong pin chẳng hạn, việc xuất suất điện động gắn liền với khả nhả iôn kim loại vào dung dịch và khả này tùy thuộc vào tương tác phân tử các iôn kim loại và các phân tử (và các iôn) dung dịch Như trường hợp này lực lạ chính là lực tương tác phân tử Lop11.com Dòng điện chất điện phân IV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện: 2) Các nguồn điện hóa học: v Pin Daniell: · Cấu tạo: gồm cực Zn nhúng dung dịch ZnSO4 và cực Cu nhúng dung dịch CuSO4 Hai dung dịch ngăn không cho trộn vào nhờ vách xốp · Suất điện động: Giả sử nồng độ dung dịch là nồng độ chuẩn Cu có điện hóa CuSO4 là +0,61V, Zn có điện hóa ZnSO4 là -0,50V Suất điện động pin: e= VCu – VZn = 0,61 – (-0,50)=1,11V Lop11.com Dòng điện chất điện phân 2) Các nguồn điện hóa học: · Cơ chế làm việc pin: Nối hai cực pin -một sợi dây đồng - Mạch ngoài: electron chạy từ cực Zn sang cực Cu, đó: Cực Zn kém âm đi, cân động bị phá vỡ tạo điều kiện cho các iôn Zn++ từ cực Zn chạy vào dung dịch Cực Cu kém dương đi, cân động bị phá vỡ, tạo điều kiện cho các iôn Cu++ từ dung dịch chạy vào cực Cu Lop11.com Dòng điện chất điện phân 2) Các nguồn điện hóa học: Mạch trong: o Phía dung dịch ZnSO4 : ZnSO4 -> Zn++ + SO4- SO4- - chạy cực Zn kết hợp với Zn++ cực Zn phóng để tái tạo lại ZnSO4: Zn ++ + SO4- - -> ZnSO4 Zn++ chạy đến chỗ tiếp giáp hai chất điện phân o Phía dung dịch CuSO4 : CuSO4 -> Cu++ +SO4- SO4 đến chỗ tiếp xúc hai chất điện phân kết hợp với Zn++ tạo thêm ZnSO4 Cu++ đến bám vào cực Cu pin làm việc, nồng độ CuSO4 giảm dần, còn nồng độ ZnSO4 tăng dần và mặt khác cực Zn mòn dần còn cực Zn dày thêm Điều này làm cho suất điện động pin giảm và pin hết dần Lop11.com