3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.5. Thí nghiệm khảo sát hiện tượng điện phân
3.5.2. Thí nghiệm điện phânkhảo sát định luật Fa Ra –Đây
Mục đích thí nghiệm
- Khảo sát dòng điện qua chất điện phân với các nồng độ dung dịch khác nhau (nồng độ 10% và 20% đạt nồng độ bão hòa) và cường độ dòng điện khác nhau (cường độ nhỏ, cường độ trung bình, cường độ lớn) từ đó xác định hằng số Fa- Ra –Đây , rút ra nhận xét về kết quả thu được và xây dựng phương án thí nghiệm phù hợp.
Bố trí thí nghiệm
- Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm và mắc mạch theo hình sau:
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Đ iệ n á p (V )
Hình 16. Thí nghiệm khảo sát định luật Fa- Ra –Đây với dòng điện nhỏ
- Chú ý đặt hai điện cực của bình điện phân vào hai rãnh song song với nhau. Xoay núm biến trở trên bộ nguồn ổn dòng về vị trí tận cùng bên trái (xoay ngược chiều kim đồng hồ).
- Chất tan là muối của kim loại dùng làm điện cực (trường hợp này là CuS nồng độ 10%).
- Nối điện từ nguồn dòng vào hai điện cực (ampe kế mắc nối tiếp) và từ nguồn vào nguồn dòng (hình 14).
Tiến hành thí nghiệm
- Mời giáo viên hoặc cán bộ hướng dẫn kiểm tra mạch chính xác mới được cắm phích lấy điện vào nguồn ~ 220V.
- Chuẩn bị 1,5 lít dung dịch CuS với nồng độ 10% và cho vào bình điện phân (chú ý không dơi rớt ra các thiết bị đo và nguồn điện)
- Xác định khối lượng ban đầu của điện cực catot (hoặc a not) bằng cân chính xác (có thể sử dụng phương pháp cân Mendeleep chính xác đến 10 g).
- Chỉnh biến trở R trên bộ nguồn ổn dòng để dòng điện chạy qua bình điện phân đạt xấp xỉ 400 (mA) thì ngắt nguồn, thu thập số liệu vào bảng kết quả. Sau 30 phút ngắt điện và đồng hồ bấm giây, kết thúc quá trình điện phân.
- Rửa sạch catot (hoặc anot), sấy khô sau đó dùng cân chính xác để xác định khối lượng của điên cực sau quá trình điện phân.
- Tiến hành lặp lại thao tác thí nghiệm nhưng với dòng điện qua chất điện phân có nồng độ 20% (trạng thái bão hòa nồng độ dung dịch). Thu thập và sử lí số liệu vẽ đồ thị trong các lần thí nghiệm, rút ra nhận xét.
Chú ý: Vì catot là đồng có độ tinh khiết 98% cho nên sau khi tính hiệu khối lượng catot trước và sau điện phân phải nhân với 98% để tìm khối lượng đồng nguyên chất được giải phóng.
Kết quả thí nghiệm
Điện phân dung dịch CuS nồng độ 10%
Điện cực catot trước và sau khi điện phân với dòng điện 400 (mA).
Hình 17. Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 400 mA)
- Kết quả đo đạc
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 400mA, nồng độ 10% Lần cân M = − 1 87,30 g 87,55 g 0,25g 2 87,29 g 87,52 g 0,23g 3 87,30 g 87,58 g 0,28g 4 87,32 g 87,56 g 0,24g 5 87,31g 87,57 g 0,26g
Giá trị thực của đồng nguyên chất giải phóng khỏi anot: M = 0,25.98% M = 0,245 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . . . .
. , = 94040 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được: = + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + − ΔF = , , + + , , Suy ra: ΔF = 0,06 Kết quả và sai số : F = 94040± 0,06
Sai số với hằng số thực nghiệm: 2,5 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Điện cực catot trước và sau khi điện phân với dòng điện 500 (mA).
Hình 18. Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 500 mA)
- Kết quả đo đạc:
Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 500mA, nồng độ 10% Lần cân M = − 1 87,73 g 88,03 g 0,30g 2 87,72 g 88,03 g 0,31g 3 87,73 g 88,02 g 0,29g 4 87,74 g 88,06 g 0,32g 5 87,73g 88,04 g 0,31g
Giá trị trung bình và sai số: M = 0,310 g ± 0,008 g Đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực anot:
M = 0,31. 98% M = 0,303 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . . . .
. , = 95049 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được: = + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + − ΔF = , , + + , , Suy ra: ΔF = 0,028 Kết quả và sai số : F = 95049± 0,028
Sai số với hằng số thực nghiệm: 1,5 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Thí nghiệm điện phân với dòng điện có cường độ lớn (1,55 A).
Bố trí thí nghiệm
- Lắp đặt, bố trí thí nghiệm theo hình 17 (thay bộ nguồn ổn dòng bằng một ắc quy 12VDC cho dòng điện ổn định 1,55A).
Hình 19. Thí nghiệm khảo sát định luật Fa- Ra –Đây với dòng điện lớn (1,55A)
Kết quả thí nghiệm
Hình 20.Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 1,55 A)
Kết quả đo đạc
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 1,55A nồng độ 10%. Lần cân M = − 1 88,03 g 88,94 g 0,91g 2 88,01 g 88,91 g 0,90g 3 88,04 g 88,96 g 0,92g 4 88,03 g 88,95 g 0,92g 5 88,03 g 88,94 g 0,91g
Giá trị trung bình và sai số: M = 0,910 g ± 0,008 g Đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực anot:
M = 0,91. 98% M = 0,89 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . , . .
. , = 100314 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được: = + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + − ΔF = , , + + , , Suy ra: ΔF = 0,015 Kết quả và sai số : F = 100314± 0,015
Sai số với hằng số thực nghiệm: 3,9 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Điện phân dung dịch CuS nồng độ 20% (nồng độ bão hòa)
Điện cực catot trước và sau khi điện phân với dòng điện 400 (mA).
Hình 21. Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 400 mA)
Bảng 3.12. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 400mA, nồng độ 20% Lần cân M = − 1 87,20 g 87,46 g 0,26g 2 87,21 g 87,48 g 0,27g 3 87,20 g 87,45 g 0,25g 4 87,19 g 87,45 g 0,26g 5 87,21g 87,47 g 0,26g
Giá trị trung bình và sai số: M = 0,260 g ± 0,004 g Giá trị thực của đồng nguyên chất giải phóng khỏi anot:
M = 0,26.98% M = 0,25 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . . . .
. , = 92160 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được: = + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + − ΔF = , , + + , , Suy ra: ΔF = 0,02 Kết quả và sai số : F = 92160± 0,02
Sai số với hằng số thực nghiệm: 4,5 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Hình 22. Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 500 mA)
- Kết quả đo đạc:
Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 500mA, nồng độ 20% Lần cân M = − 1 87,30 g 87,63 g 0,33g 2 87,32 g 87,63 g 0,31g 3 87,31 g 87,65 g 0,34g 4 87,30 g 87,62g 0,32g 5 87,30g 87,63 g 0,33g
Giá trị trung bình và sai số: M = 0,330 g ± 0,008 g Đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực anot:
M = 0,33. 98% M = 0,323 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F= = . . . .
. , = 89164,1 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được: = + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + −
ΔF = ,
, + + , ,
Suy ra: ΔF = 0,027
Kết quả và sai số : F = 89164,100 ± 0,027
Sai số với hằng số thực nghiệm: 7,6 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Thí nghiệm điện phân với dòng điện có cường độ lớn (1,55A)
Hình 23.Điện cực catot trước và sau khi điện phân (dòng 1,55 A)
Kết quả đo đạc
Bảng 3.14. Kết quả thí nghiệm khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây với dòng 1,55A nồng độ 20% Lần cân M = − 1 88,52 g 89,51 g 0,99g 2 88,52 g 89,50 g 0,98g 3 88,54 g 89,53 g 0,99g 4 88,50 g 89,49 g 0,99g 5 88,51 g 88,49 g 0,98g
Giá trị trung bình và sai số: M = 0,990 g ± 0,004 g Đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực anot:
M = 0,99. 98% M = 0,97 g
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . , . .
. , = 92041,2 Sai số gián tiếp xác định:
Ln(F) = ln(A) + ln(I) + ln(t) – ln(n) – ln(M) Vi phân 2 vế của phương trình trên ta được:
= + + - - Suy ra: = ̅ + ̅ + ̅ + − + − ΔF = , , + + , , Suy ra: ΔF = 0,01 Kết quả và sai số : F = 92041,20± 0,01
Sai số với hằng số thực nghiệm: 4,62 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Nhận xét
- Thí nghiệm điện phân xác định hằng số Fa- Ra –Đây với nồng độ dung dịch CuS 10% và CuS 20%, từ kết quả bởi những thí nghiệm khảo sát trên ta thấy: Khi tiến hành điện phân dung dịch CuS 10% với cường độ dòng điện qua chất điện phân nhỏ và trung bình (400 – 500 mA) thì kết quả thực nghiệm gần sát với lí thuyết (cụ thể sai số 1,5 – 2,5%). Đối với dòng điện lớn cỡ 1,5A thì sai số khi xác định hằng số Fa- Ra –Đây tăng (3,9%) so với lí thuyết. Với dung dịch điện phân CuS 20% không ảnh hưởng tới kết quả của bài điện phân tuy nhiên với nồng độ 20% lượng đồng bám vào katot sẽ nhiều hơn (nhưng chủ yếu dưới dạng mụi gai) dễ bị rửa trôi bởi nước do vậy với dung dịch CuS 20% kết quả tồn tại sai số là cao hơn.
- Để đảm bảo thời gian quá trình điện phân rút ngắn trong vòng 30 phút. Từ những kết quả của thí nghiệm khảo sát trên ta thấy khi điện phân dung dịch CuS 10% với cường độ dòng điện nhỏ (cỡ 400 -500mA) lượng đồng bám vào catot nhỏ hơn so với lượng đồng bám vào catot khi điện phân với dòng điện lớn (cỡ 1,5A), đồng thời tốc độ quá trình điện phân xảy ra chậm hơn, tuy nhiên lượng đồng bám vào catot với trường hợp dòng điện nhỏ và trung bình sẽ liên kết chặt chẽ hơn khó bị rửa trôi bởi nước so với trường hợp điện phân với dòng điện lớn. Từ đó kết quả khảo sát hằng số Fa- Ra –Đây từ thực nghiệm với trường hợp này sẽ có sai số là nhỏ hơn.
- Xác định hằng số Fa- Ra –Đây bằng phương pháp khảo sát hiện tượng điện phân dựa trên cơ sở lí thuyết dễ hiểu với người học. Phương trình phản ứng thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện.
- Như vậy dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà
còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp) đi theo.
Phương án thí nghiệm
Mục đích thí nghiệm
- Hiểu được các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng điện phân.
- Biết cách xác định hằng số Fa – Ra –Đây bằng thực nghiệm.
- Kiểm nghiệm lại giả thuyết dòng điện trong chất điện phân không chỉ
tải điện lượng mà còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp) đi theo.
Bố trí thí nghiệm
- Mắc mạch điện theo sơ đồ(hình 16) (điện phân dung dịch đồng sunfat). Chú ý đặt hai điện cực của bình điện phân vào rãnh song song với nhau. Xoay núm biến trở trên bộ nguồn về vị trí tận cùng bên trái (xoay ngược chiều kim đồng hồ)
- Chất tan là muối của kim loại dùng làm điện cực (trường hợp này là CuS )
- Nối điện từ máy biến thế vào hai điện cực (ampe kế mắc nối tiếp) và từ nguồn vào hộp biến thế.
Tiến hành thí nghiệm
- Mời giáo viên hoặc cán bộ hướng dẫn kiểm tra mạch chính xác mới được cắm phích lấy điện vào nguồn ~ 220V.
- Chỉnh biến trở R lần 1 để dòng điện chạy qua bình điện phân từ 400 ÷ 500 (mA) thì ngắt nguồn.
- Chú ý trong quá trình điện phân lần thứ nhất, điều chỉnh biến trở R để cho dòng điện chạy qua dung dịch điện phân không thay đổi so với giá trị lúc đầu đã đặt.
- Tháo rời catot, rửa sạch, dùng giấy ráp đánh sạch và sấy khô rồi dùng phương pháp cân Menđêlêép xác định khối lượng của nó bằng cân phân tích (chính xác tới 10 ) (xem lại bài 3: Phép đo khối lượng).
- Lắp bản cực vào bình điện phân, kiểm tra hoạt động của đồng hồ bấm giây.
- Đóng khóa K đồng thời bấm nút đồng hồ thời gian.
- Sau 30 phút ngắt điện và đồng hồ bấm giây, kết thúc quá trình điện phân - Tháo catot ra khỏi bình điện phân, rửa sạch và sấy khô sau đó cân lại
khối lượng bằng cân chính xác với cấp chính xác như đã nói ở trên. Từ đó tính được lượng đồng đã giải phóng ở điện cực.
- Tiến hành lặp lại thao tác thí nghiệm. Thu thập và sử lí số liệu trong các lần thí nghiệm, xác định giá trị khối lượng đồng giải phóng ra khỏi điện cực trung bình, rút ra nhận xét.
- Chú ý: Vì catot là đồng có độ tinh khiết 98% cho nên sau khi tính hiệu khối lượng catot trước và sau điện phân phải nhân với 98% để tìm khối lượng đồng nguyên chất được giải phóng.
Nhận xét
- Khi có dòng điện chạy qua, cation chạy về catot, và nhận êlectron từ nguồn điện đi tới.
+ 2 Cu
Đồng hình thành ở catot sẽ bám vào cực này. Đồng thời các anion S sẽ di chuyển về phía anot của nguồn điện tác dụng với Cu của anot (hiện tượng dương cực tan) tạo thành CuS do vậy nồng độ của dung dịch điện phân không bị thay đổi.
- Khối lượng đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực anot tỷ lệ với cường độ dòng điện qua chất điện phân.