chương trình Vật lí 11 – THPT
Trong bài “Dòng điện trong chất điện phân” của chương trình Vật lí 11, học sinh được nghiên cứu các kiến thức liên quan đến thuyết điện li, bản chất dòng điện trong chất điện phân, các hiện tượng diễn ra ở điện cực, các định luật Fa-ra-đây, các ứng dụng của hiện tượng điện phân trong thực tiễn cuộc sống.
Nội dung các kiến thức của chủ đề “ Dòng điện trong chất điện phân” cụ thể như sau:
+ Thuyết điện li:
- Trong dung dịch, các axit, bazơ và muối bị phân li thành ion: Anion mang điện âm là gốc axit hoặc nhóm (OH-), còn cation mang điện dương là ion kim loại, ion H+ hoặc một số nhóm nguyên tử khác.
+Bản chất dòng điện trong chất điện phân:
- Dòng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường.
- Độ dẫn điện của các chất điện li khác nhau là khác nhau: Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng; độ dẫn điện còn phụ thuộc vào nồng độ chất điện li.
- Ăn mòn kim loại là một quá trình xẩy ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li nó gắn liền chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường sinh ra một dòng điện. Trong quá trình xẩy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa luôn xuất hiện phản ứng anot và phản ứng catot gắn liền với sự trao đổi electron của phản ứng oxi hóa. Dòng electron này được truyền từ anot sang catot và sinh ra dòng điện.
25
- Cầu muối có tác dụng làm kín mạch điện: Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa 50 ml dung dịch ZnSO4 1M. Nhúng một lá Cu (Đồng) vào dung dịch CuSO4, một lá Zn (Kẽm)vào dung dịch ZnSO4. Nối hai dung dịch bằng một hình chữ U đựng dung dịch Na2SO4 (hoặc KNO3). Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị nói trên được gọi là pin điện hóa vì khi nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn sẽ đo được một dòng điện đi từ lá Cu (điện cực +) đến lá Zn (điện cực –)
Di chuyển ion SO2-4 từ cực dương sang cực âm, Cầu muối di chuyển ion để mạch kín; cầu muối là thủy tinh xôp 2 mặt; Khi hết muối đồng Pin ngừng hoạt động; Cu là kim loại yếu hơn nên bị đẩy ra và bám vào điện cực, Zn nhường e nên tan vào trong dung dịch. Zn2+ sang dung dịch .. để trung hòa điện tích
Mạ Zn lên Fe do Zn là kim loại mạnh hơn Fe (Zn là cực âm bị ăn mòn) bảo vệ Fe; Zn bền với môi trường nên bảo vệ kim loại tốt hơn các kim loại khác. Các định luật Fa-ra-đây:
- Định luật Fa-ra-đây thứ nhất. Khối lượng vật chất được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.
m = kq = kIt
26
- Định luật Fa-ra-đây thứ hai: Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ 1/F, trong đó F gọi là số Fa - ra - đây.
+ Một số ứng dụng của Dòng điện trong chất điện phân:
- Luyện nhôm: Dùng dòng điện cực mạnh,với sự có mặt của Cryolith (Na3AlF6) và các muối Florua (để hạ nhiệt độ nóng chảy của Oxit nhôm Al2O3 từ 20540C xuống 9500C), thực hiện điện phân Al2O3 nóng chảy ở 9590C, tạo ra nhôm kim loại. Các bước quy trình điện phân như sau: 1. Bể điện phân thường là hình hộp chữ nhật. Đáy bể lót than chì, nối với cực âm (-). Khối than chì ở phía trên là cực dương (+), nhúng vào chất lỏng điện phân. Giữa 2 cực điện phân là bể chứa chất điện phân
Alumin nóng chảy trong Criolit. Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, Al2O3 nóng chảy bị điện phân, tạo ra Al kim loại: 2Al2O3= 4Al + 3O2
Nhôm được tách ra và tập trung ở đáy bể, O2 bay ra phía cực dương (c) tạo ra hỗn hợp khí CO và CO2 bay ra ngoài. 2. Cực dương: Quá trình điện phân tiến hành ở 9500C , cực (+) bằng than chì bị ăn mòn nên phải định kì, cho thêm hồ than và ấn cực dương xuống.
Điều chế clo, xút:
+ Xút và khí clo được sản xuất từ nguyên liệu vô cùng rẻ là muối ăn.
Catot: Anot:
Hay: 2NaCl + 2H2O Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH
27
+ Với điện phân có màng ngăn, hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH là Cl2 và H2. Với điện phân không có màng ngăn, sản phẩm tạo thành là nước Gia- ven có ý nghĩa trong đời sống sinh hoạt và công nghiệp giấy, vải,…
+Mạ điện: Dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, trang trí bề mặt, tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt.
- Trong mạ điện, yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất mà là chất lượng mạ. Vì vậy, phải tìm thành phần dung dịch, điều kiện điện phân, để đảm bảo lớp mạ có những tính chất sau:
- Bám chắc vào kim loại nền, không bong.
- Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ, độ bóng, dẻo, cứng phải cao. - Lớp mạ có đủ độ dày nhất định. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấu tạo tinh thể giữ vai trò quyết định đến chất lượng lớp mạ. Tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt.
+ Đúc điện (kết tủa điện phân kim loại): để chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng (khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử…
- Trước tiên, ta làm khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn, rồi quét lên đó một lớp than chì (graphit) mỏng để cho bề mặt khuôn trở nên dẫn điện. Khuôn này được dùng làm cực âm, còn cực dương được làm bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó.
- Khi đặt một hiệu điện thế vào 2 điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp trên khuôn đúc, dày hay mỏng là tùy thuộc vào thời gian điện phân. Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc. Muốn vậy, người ta chế tạo mẫu vật, chẳng hạn bằng nhôm rồi mạ lên nó lớp đồng có chiều dày cần thiết, sau đó hòa tan mẫu vật trong axit clohidric hay kiềm, nhôm tan đi để lại sản phẩm bằng đồng có hình dạng và chiều dày mong muốn.
28