10. Cấu trúc của luận văn
2.1.3. Thuyết điện li
2 .Ỉ .3 .Ỉ . Sự điện li của các phân tử trong dung dịch
Để nghiên cứu của sự dẫn điện của một dung dịch ta đổ dung dịch vào bình, nhúng hai điện cực kim loại và mắc nối tiếp vào mạch điện một
microampe kế M, đạt vào mạch điện một hiệu điện thế không đổi khoảng 100V. Nếu bình đựng nước nguyên chất ta thấy microampe kế chỉ dòng điện rất nhỏ khoảng 0,1 |iA. Như vậy nước nguyên chất dẫn điện rất kém. Điểu đó chứng tỏ: nước nguyên chất về căn bản chỉ gồm những phân tử trung hoà, không có đủ những phần tử tích điện tự do. Hoà tan vào trong nước nguyên chất một số chất khác như đường, glixerin, dung dịch đó cũng vẫn không dẫn điện, điều đó có nghĩa là phân tử của những chất ấy khi hoà tan vào nước không bị thay đổi gì cả, chúng vẫn là phân tử trung hoà.
Nhưng nếu hoà một ít muối ăn (N a ơ ) vào nước ta lại thấy microampe kế chỉ một dòng điên lớn hơn rất nhiều. Vậy dung dịch NaCl dẫn điện tốt. Điều đó có nghĩa là trung dung dịch NaCl có những phần tử mang điện tự do, và các phần tử này đã di chuyển do tác dụng của điện trường, tạo ra dòng điện. Thí nghiệm chứng tỏ rẳng các dung dịch axit, muối và bazơ trong nước đều dẫn điện tốt. Như vậy, có thể kết luận rằng: khi hoà tan vào trong dung môi các phân tử của chất hoà tan đã bị phân li thành các ion âm và ion dương. Sự phân li các phân tử thành các ion gọi là sự điện li. Các dung dịch nói trên gọi là dung dịch điộn phân (hay chất điộn phân). Thí nghiêm còn chứng tỏ rằng những muối khi đun nóng chảy cũng phân li thành ion, chúng cũng là chất điện phân.
2.1.3.2. Thuyết điện li
Thuyết vể sự phân li của các phân tử chất hoà tan trong dung dịch gọi là thuyết điện li, có nội dung cơ bản như sau:
Mọi phân tử đẽu chứa các electron tích điện âm và các hạt nhân tích điện dương. Nếu tâm của các điện tích dương trùng với tâm của các điộn tích âm thì sự phân bố điện tích của phân tử đó về toàn bộ là đều và phân tử đó thuộc loại phân tử không có cực và khi đó ta có mối liên kết không cực. Còn nếu tâm của các điện tích dương và tâm của các điộn tích âm không trùng nhau thì ta phân tử có cực (mối liên kết có cực). Cuối cùng nếu các tâm của các điện tích tách xa nhau rất rõ, phân tử sẽ thuộc loại ion (mối liên kết ion ).
Trong các phân tử hay trong các tinh thể của các hợp chất có mối liên kết ion (gọi tắt là hợp chất ion) có chứa các ion của chúng. Thí dụ NaCl gồm có ion Na+ và ion cr. Đối với các hợp chất ion quá trình tách các ion trong dung dịch được giải thích như sau: Giả sử ta có một chất cấu tạo bởi các phân tử ion, như NaCl chẳng hạn hoà tan vào nước. Các phân tử nước thuộc loại phân tử có cực lớn. Trong điện trường ở xung quanh mỗi phân tử NaCl các phân tử nước được sắp xếp như sau: các đầu dương của chúng hướng vào cực âm của phân tử NaCl tức là hướng vào ion c r trong phân tử NaCl và hút ion ấy, đồng thời đẩy ion Na+ của phân tử NaCl
Còn các đầu âm của chúng lại hướng vào đầu dương của phân tử NaCl, tức là vào ion Na+ và hút ion ấy, đồng thời đẩy ion c r của NaCl. Như vậy là, các phân tử của dung môi (ở đây là nước) bao quanh các ion của chất hoà tan (ở đây là NaCl), tạo thành một tập hợp gọi là "xônvat". Khi ion chuyển động, toàn bộ "xônvat" cũng chuyển động. Hiện tượng đó được gọi là xônvat hoá. Sự xônvat hoá đã làm yếu mối liên kết giữa ion Na+ và c r trong phân tử NaCl.
Do chuyển động nhiột các phân tử luôn luôn va chạm với nhau. Khi phân tử NaCl va chạm với một phân tử khá nhanh nào đó của dung môi (hay với một phân tử NaCl khác) nó có thể bị phân li thành các ion Na+ và c r, các ion được tạo thành vẫn còn được bao bọc bởi các phân tử dung môi, do đó chúng chuyển động chậm lại.
Song song với quá trình phân li nói trên, còn có quá trình ngược lại: khi hai ion khác dấu (thí dụ các ion Na+ và CT) va chạm với nhau trong chuyển động nhiệt, chúng có thể kết hợp lại thành phân tử trung hoà (NaCl). Quá trình đó được gọi là sự tái hợp. Và trong dung dịch chất điện phân sẽ có sự cân bằng động của hai quá trình phân li và tái hợp, khi mà số ion sinh ra do sự phân li trong một đơn vị thời gian bằng số ion tái hợp trong cùng đơn vị thời gian đó. Trong trường hợp NaCl các quá trình đó được biểu diễn như sau:
Khi hoà tan một chất (axit, bazơ hoặc muối) vào trong dung môi, không
phải tất cả m ọi phân tử đểu phân li thành các ion , m à chỉ có m ột tỉ lệ a nào
đó mà thôi, a gọi là hộ số phân li của chất hòa tan. Nếu trong một đơn vị thể tích dung môi đã hòa tan nG phân tử, thì trong đó có na = a n c phân tử đã bị phân li, còn lại n"0 = ( l-a )n0 phân tử chua bị phân li. Nếu xác xuất để phân tử bị phân li là p thì số phân tử bị phân li thêm trong một đơn vị thể tích là An'0 = (3(1- a )n 0. Song song với quá trình phân li phân tử thành ion thì cũng tổn tại quá trình ngược lại là tái hợp ion dương và ion âm với nhau để tạo thành phán tử. Nếu xắc suất để các ion tái hợp với nhau là Ỵ thì số phân tử mới sinh ra An" 0 sẽ tỉ lộ với mật độ của hai loại ion ấy: An"c = y an0a n0 = ya 2n] trong đó a , p là các đại lượng không phụ thuộc vào n0. Khi cân bằng động, số phân tử trung hòa sinh ra và mất đi bằng nhau, ta có:
Ta thấy rằng nếu dung dích loãng n0 « 0, thì a « 1 nghĩa là toàn bộ chất tan bị phân li thành ion . Ngược lại nếu do điều kiện nào đó mà a rất nhỏ so
An"0 = Y a 2 ni - An'0 = P ( l - a ) n 0, do đó =
a P
[ B y
với 1 thì ta có gần đúng: a = = . Mật độ chất tan càng cao thì tỉ lộ
\y-no)
2.1.2. Sơ đồ cấu trúc nội dung phần "Dòng điện trong các môi trường"
Điểu kiẻn xuất hiên Bản chất d òng điện trong môi Sự phụ thuộc của I vào U -dường đặc tnm g ứng dung
trường vôn-am pe ĐK Có điên trường (U*0) ĐĐT BC Dòng chuyển dời có hướng cùa các eleetrron tự do ƯD -V ật dẫn -cặp nhiệt điện
DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRUỒNG
DĐ trong kim loại DĐ trong chát khí DĐ trong chất điên phân
BC Dòng electron và các ion do quá trình ion hóa chất khí ĐĐT ĐK -Tác nhân lon hóa - U * K # 0 Đ K Cố điện trường (Ư*0) BC Dòng chuyển dời các ion dương vẻ (K) ion âm vẻ (A ) Điên trường manh E=3.106 v/m Phát xạ c nhờ tác dụng nhiệt cùa dòng điện u#0 Hiện tượng Dương cực tan Đ ịnh Luật Fa-ra đây
DĐ trong chân không
BC Dòng hạt electron bứt ra từ (K) khi bị nung nóng -Mạ diên -Đuc điên -Luyên kim ĐK Đốt nóng (K) -Điên truờng Đ Đ T 1 DĐ trong chất bán dẫn ĐK -Chiếu ánh sáng tinh khiêt -Tạo bán dẩn lap chất BC Dòng chuyển dỉri cùa electron d in và lỗ Irrtng a ư n g dụng -Diôt.Tranzito u ĐĐT I 4 1 u 47
2.2. Thiết kè tiến trình dạy học bài "Dòng điện trong chất điện phân"
2.2.ỉ. Vị tri bài ”Dòng điện trong chất điện phán -Định luật Fa-ra- đáy"trong cễtirơng trình Vật lý 11
Toàn bộ kiến thức vé dòng điện trong chất điện phân được dạy trong 2 tiết ở cấp THPT (lớp 1 1). Nội dung kiến thức phần "Dòng điện trong các môi trường" nói chung và "Dòng điện trong chất điên phân" vé cơ bản thì SGK nâng cao và SGK chuẩn, vịêc xây dựng lý thuyết bài học trên cơ sở thực nghiệm, hệ thống lý thuyết giữa các bài khá tương đồng và chú trọng nhiều đến ứng dụng trong thực tế.
Cụ thể trong bài "Dòng điện trong chất điện phân" các kiến thức được sắp xếp một cách logic. SGK nâng cao thuyết điện li được coi như đã biết thì SGK chuẩn coi đây như một đơn vị kiến thức và giải thích rõ ràng cơ sở của thuyết này từ đó dễ hiểu chất điện phân không nhất thiết là các dung dịch tan trong nước. SGK nâng cao việc hình thành kiến thức về hiện tượng điện phân gắn liền với quá trình thực nghiêm mà qua đó phát huy tính tích cực, tự chủ và sáng tạo của học sinh khi người giáo viên có phương pháp tổ chức dạy học hợp lý, bên cạnh đó SGK chuẩn phân tích lý thuyết một cách logic có hệ thống nhắm dẫn dắt học sinh hình thành lý thuyết mới.
2.2.2 . Sơ đồ cấu trúc nội dung bài “Dòng điện trong chất điện phân-Định luật Va-ra-dày ”
2.2.4. Các cáu hỏi cơ bấn và kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức cần dạy
Đơn vị kiến thức 1: Tìm hiểu sự dẫn điện của nước cất và các dung dịch axit, ba/ư, muối
Câu hỏi 1: Nước cất và các dung dịch axit, bazơ, muối cố dần điện không?
- Nước cất không dẫn điện
- Các dung dịch axit, bazơ, muối dẫn điện. Các dung dịch axit, bazơ, muối gọi là những chất điện phân.
Đơn vị kiên thức 2: Bản chất dòng điện trong chất điện phân
C âu hỏi 1: Tại sao nước nguyên chất không chứa các hạt tải điện, nhưng các dung dịch axit, bazơ, muối (chất điện phân) lạichứa các hạt tải điện. Cơ sở lý thuyết nào cho phép ta giải thích được sự xuất hiện hạt tài điện trong chất điện phán ?
Thuyết điện li: Các axit, bazơ, muối đêu cấu tạo bởi các ion dương và ion âm, hút nhau bằng lực hút tĩnh điện. Khi hoà các chất đó vào nước, do nước có hằng số điện môi lớn, các lưỡng cực điộn của nước với các cực tương tác với ion của chất điện phân, chuyển động nhiệt làm cho một phần điộn các chất đó phân li thành ion .
Trong chất điên phân các hợp chất hoá học như axit, bazơ, muối bị phân ly thành các ion :
C âu hỏi 2: Bán chất của dòng điện trong chất điện phán là gì? - Hạt tải điện trong chất điện phân là các ion dương và ion âm
- Dòng điên trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiểu điên trường.
- axit = (gốc axit) + H+
bazơ = (OH) + (ion kim loại)+ Muối = (gốc axit) + (ion kim loại)+
H2S 04 = 2H+ + (S04)2‘ NaOH = (OH) + Na+ C uS04= Cu2+ + (S 04)2
- Hiện tượng một hợp chất hoá học khi có dòng điện chạy qua giải phóng chất ở điện cực gọi là hiên tượng điện phân. Dụng cụ tiến hành TN diện phân gọi là bình điện phân. Hợp chất hoá học đó gọi là chất điện phân. Các dung dịch axil, bazơ, muối là những chất điện phân.
- Khi điện phân dung dịch muối có cực đương được làm bằng kim loại của chính muối đó thì có hiện tượng cực dương bị mòn đi, cực âm có một lớp kim loại báo vào và nồng độ dung dịch không thay đổi. Hiện tượng này gọi là hiện tượng dương điện tan.
C áu hỏi 3: Điện dẫn suất của chất điện phân đồng nhất phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dung dịch như th ế nào?
- Đối với dung dịch điện phân đồng nhất chưa phân li hết nồng độ không đổi khi nhiệt độ tăng thì dẫn điộn dẫn suất tăng nhanh theo nhiột độ, nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng hay hệ số nhiệt điện trở của chất điện phân thường âm.
- Với dung dịch điện phân phân li hết nhiệt độ không đổi điện dẫn suất tỉ lộ với nồng độ dung dịch.
- Điện dẫn suất của chất điộn phân là tổng các điện dản suất đo ion dương và ion âm và đóng góp.
- Khi có hiện tượng dương cực tan thì điện dẫn suất của chất điện phân không đổi. Khi đó dòng điện tuân theo định luật Ôm.
Đơn vị kiến thức 3: Định luật Fa- ra-đây
C âu hỏi 1: Khối lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực phụ thuộc vào những yếu tô' nào, phụ thuộc như th ế nào? Có cách nào đ ể tính được khối lượng này không?
-Định luật I Fa-ra-đây Khối lượng chất giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với điện lượng chạy qua bình đó.
m = k.q
Đương lượng điện hoá của một nguyên tố tỉ lộ thuận với nguyên tử lưựng và tỉ lệ nghịch với hoá trị của nguyên tố đó.
k = — Tr ong đó F * 96500 c/m ol goi là số Fa-ra-đây F n
A
— gọi là đương lượng gam của nguyên tô' n
-Định luật II Fa-ra-đây: Đương lượng điện hoá của một nguyên tố tỉ lệ với đương lương gam của nguyên tố đó. Hê số tỷ lê là —, trong đó F là số
p
Faraday.
Đơn vị kiến thức 4: ứng dụng của hiện tượng điện phân
Câu hỏi 1: Ta muốn mạ đồng lên một chiếc nhẫn bạc thì làm như th ể nào? Nêu nguyên tắc chung trong việc mạ điện.
Dùng chiếc nhẫn bạc làm catốt và anốt làm bằng đổng với dung dịch điện phân là C uS04. Khi có dòng điộn chạy qua cực dương bằng đổng tan dần và catốt là chiếc nhẫn bạc sẽ có một lớp đồng bám vào.
-Dùng vật cần mạ để làm cực catốt và kim loại mạ làm anốt chất điện phân là muối của kim loại cần mạ. Khi có dòng điện chạy qua thì sẽ có một lớp kim loại cần mạ bám vào vật mạ.
C âu hỏi 2: Giải thích ứng dụng hiện tượng điện phân trong việc tách đồng từ quặng.
-Tách quặng thành từng tấm, dùng các tấm này làm cực dương trong bình điện phân đựng dung dịch đồng sunfat. Khi điện phân cực dương tan dần, đồng nguyên chất bám vào cực âm, các tạp chất lắng xuống dưới đáy.
C âu hỏi 3: Phân tích cách điểu c h ế Clo, hiđrô, xút (NaOH) bằng phương pháp điện phán.
- Điện phân dung dịch muối ăn NaCl tan trong nước với điện cực bằng graphit hoặc bằng kim loại không bị ăn mòn. Kết quả ta được xút tan vào dung dịch và các khí hiđrô và Clo bay ra
2.2.5. S ơ đổ tiến trình xây dựng từng đom vị kiến thức
2 .2 .5 .Ỉ. Sơ dồ tiến trình xây dựng kiến thức vê sự dẫn điện của nước cất và các dung dịch axit, baza, muôi.
Kim loại là môi trường dẫn điện. Bản chất của dòng điộn trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do.
1r
Nước cất và các dung dịch axit, bazơ, muối có dẫn điện không?
TN: Bình thuỷ tinh có hai điện cực bằng Cu, ampe kế, nguồn điện tạo thành mạch kín. Quan sát số chỉ ampe kế và đưa ra nhận xét trong các trường hợp:
- Trong bình là nước cất - Cho thêm vào bình H2S 04
-Thay dung dịch NaCl
- Hoặc cho thêm vào C uS04
Cu
.HjO
Cu
KQTN: - Bình là nước cất thì I = 0
- Bình đựng H2S 04 hoặc N aG hoặc C uS04 vào trong bình thì I#0
- Nước cất không dẫn điện
- Các dung dịch axit, bazơ, muối dẫn điện.
- Các dung dịch axit, bazơ, muối gọi ià những chất điện phân.
Tiến trình nhận thức được diễn đạt như sau:
Trên cơ sở đã biết: Dòng điện có khả năng chạy qua kim loại đó là qua môi trường chất rắn . Một vấn để đặt ra là:
Chất lỏng (Nước cất và các dung dịch axit, bazơ, muối ) có dẫn điện không? Làm thế nào dể kiểm tra được vấn đề này?
Thông thường để biết xem một môi trường có khả năng dẫn điộn hay không có thể làm TN: Đặt vào môi trường đó một nguồn điện, mắc ampe kế