3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.6. Bộthí nghiệm sau khi chế tạo
Hình 11. Bộ thí nghiệm điện phân dung dịch
Trong đó:
1 Bộ nguồn ổn áp AC/DC 2 Điện cực đồng anot và catot 3 Ampe kế mắc nối tiếp 4 Bình điện phân dung dịch.
1
2
3
KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Trong chương II, chúng tôi giải quyết được các vấn đề sau:
- Phân tích những kiến thức có liên quan tới thí nghiệm sử dụng trong bài
dòng điện trong chất điện phân trong chương trình vật lí lớp 11 cơ bản cũng
như kiến thức về thí nghiệm khảo sát dòng điện trong chất điện phân trong chương trình vật lí đại cương. Từ đó đặt ra yêu cầu đối với bộ thí nghiệm sử dụng khi dạy học những phần kiến thức này.
- Tìm hiểu các bộ thí nghiệm nghiên cứu về dòng điện trong chất điện phân đã có tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Hùng Vương, phân tích ưu, nhược điểm của chúng.
- Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm điện phân trong dung dịch phát huy tối đa những ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của bộ thí nghiệm trước đó. Từ đó đáp ứng đầy đủ hơn nhu cầu của người sử dụng.
CHƯƠNG III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 3.1. Thí nghiệm nghiên cứu thuyết điện ly.
Mục đích thí nghiệm:
- Minh họa một cách định tính về đặc điểm của thuyết điện li. Thông qua
sự tăng mạnh của dòng điện khi cho thêm vào trong nước tinh khiết một lượng nhỏ axit, bazơ hoặc muối, từ đó nghiên cứu những vấn đề đặt ra cho bài học.
- Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong mạch vào nồng độ
dung dịch điện phân từ đó nghiệm lại tính đúng đắn của thuyết điện li. ( Mục I bài 14 SGK vật lí 11 cơ bản)
Bố trí thí nghiệm
- Đặt bình điện phân và các dụng cụ cần thiết lên bàn thí nghiệm
- Mắc mạch điện theo sơ đồ hình (Hình 14.1 SGK vật lí 11 cơ bản)
- Nối điện từ máy biến thế vào hai điện cực (ampe kế mắc nối tiếp), từ
nguồn vào hộp biến thế.
- Lắp ráp hai điện cực đồng vào hai rãnh sao cho song song với nhau
- Gạt núm chuyển mạch về 2A.
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
- Trường hợp 1 đổ vào bình điện phân 1,5l nước tinh khiết (nước cất hai
lần).
- Bật công tắc nguồn, công tắc máy biến thế cho đồng hồ bắt đầu hoạt
động. Yêu cầu quan sát hiện tượng xảy ra với kim điện kế.
- Trường hợp 2 cho thêm vào trong nước một lượng nhỏ CuS hoặc NaCl (Hoặc bazơ). Yêu cầu quan sát hiện tượng xảy ra với kim điện kế. Lặp lại thí nghiệm với các chất điện phân khác nhau. Từ đó rút ra kết luận về nội dung thuyết điện li.
- Thí nghiệm với đồng sunfat CuS
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm khảo sát thuyết điện ly với dung dịch CuS .
Lần Khối lượng CuS Cường độ dòng I (A)
1 50g 0,13 (A)
2 100 g 0,22 (A)
3 150g 0,28 (A)
4 200g 0,31 (A)
5 250g 0,34 (A)
- Sơ đồ phụ thuộc cường độ dòng điện vào nồng độ CuS
- Thí nghiệm với Natri clorua (NaCl)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 50 100 150 200 250 300 C ư ờ n g đ ộ I ( A ) Khối lượngCuS
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm khảo sát thuyết điện ly với dung dịch NaCl.
Lần Khối lượng NaCl Cường độ dòng I (A)
1 50g 0,10 (A)
2 100 g 0,13 (A)
3 150g 0,19 (A)
4 200g 0,22 (A)
5 250g 0,27 (A)
- Sơ đồ phụ thuộc cường độ dòng điện vào nồng độ NaCl
Nhận xét
- Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazơ và muối bị phân li
(một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) tích điện gọi là ion. Ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành các hạt tải điện.
- Đối với các chất điện phân khác nhau, nồng độ giống nhau thì cường độ
dòng điện trong mạch là khác nhau.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 50 100 150 200 250 300 C ư ờ n g đ ộ I ( A )
3.2. Thí nghiệm các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan. cực tan.
Mục đích thí nghiệm
- Nghiên cứu một cách khái quát quá trình, sự thay đổi về khối lượng giữa hai bản cực đồng anốt và catot. Từ đó xác định đặc điểm của hiện tượng dương cực tan trong thí nghiệm điện phân
- 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.(Mục III
bài 14 SGK vật lí 11 cơ bản).
Bố trí thí nghiệm
- Chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm cần thiết, bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình (Hình 14.3 SGK vật lí 11 cơ bản). Chú ý đặt hai 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 để dòng điện chạy qua bình điện phân từ 1,5 ÷ 2 (A) thì ngắt nguồn
- Chú ý trong quá trình điện phân, 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.
- Đối với catot hoặc anốt rửa sạch, dùng giấy ráp đánh sạch và sấy khô rồi dùng cân phân tích xác định khối lượng ban đầu.
- 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 25÷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.
- Chú ý vì catot là đồng có độ tinh khiết 98% nên sau khi tính hiệu khối lượng catot trước và sau khi điện phân phải nhân với 98% để tìm khối lượng đồng nguyên chất được giải phóng
Kết quả thí nghiệm
- Đối với điện cực âm catot sự thay đổi khối lượng.
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm khảo sát hiện tượng dương cực tan.
Lần cân M = − 1 88,44 g 89,86 g 1,42g 2 88,38 g 89,74 g 1,36g 3 88,40 g 89,8 g 1,40g 4 88,43 g 89,82 g 1,39g 5 88,44 g 89,77 g 1,33g Giá trị trung bình và sai số: M = 1,380g ± 0,028 g Khối lượng đồng nguyên chất được giải phóng ở anot: M = 1,38 x 98% suy ra M = 1,350 g ± 0,023 g
Nhận xét
- Khi có dòng điện chạy qua, cation chạy về catot, và nhận êlectron từ nguồn điện đi tới.
+ 2 Cu
- Đồng thời các anion S sẽ dịch chuyển về phía anot và tác dụng với nước xảy ra phản ứng oxi hóa theo phương trình phản ứng:
2S + 2 2 S +
Tổng hợp lại ta có phương trình phản ứng hóa học xảy ra: Cu + điện phân dung dịch + + Cu Sau đó: Cu + Cu +
- Như vậy dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà
còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp) đi theo.
3.3. Thí nghiệm về các định luật Fa- Ra- Đây.
Mục đích thí nghiệm
- Thông qua thí nghiệm người học hiểu được các đại lượng vật lí đặc trưng cho hiện tượng điện phân.
- Biết cách xác định hằng số Fa- Ra- Đây bằng thực nghiệm. Từ đó nắm chắc kiến thức về nội dung của hai định luật Fa –Ra –Đây.(Mục IV bài 14 SGK vật lí 11 cơ bản)
Bố trí thí nghiệm
- Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình (Hình 14.3 SGK vật lí 11 cơ bản). Chú ý đặt hai 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).
- 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
Thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ nhất
- 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 1 ÷ 1,5(A) 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.
- Đối với catot rửa sạch, dùng giấy ráp đánh sạch và sấy khô rồi dùng cân phân tích xác định khối lượng ban đầu.
- 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 25÷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 nhưng với dòng điện qua mạch tăng từ 1,5÷ 2(A). Thu thập và sử lí số liệu trong hai lần thí nghiệm, rút ra nhận xét.
Thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ hai
- Tiến hành thí nghiệm tương tự thí nghiệm các hiện tượng diễn ra ở điện cực. Hiện tượng dương cực tan (Mục III bài 14 SGK vật lí 11 cơ
bản). Từ đó biết cách xác định hằng sốFa- Ra –Đây từ thực nghiệm.
- Chú ý vì catot là đồng có độ tinh khiết 98% nên sau khi tính hiệu khối lượng catot trước và sau khi điện phân phải nhân với 98% để tìm khối lượng đồng nguyên chất được giải phóng
Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ nhất.
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ nhất (dòng I = 1,5A). Lần cân M = − 1 88,31 g 49,76 g 1,45g 2 88.40 g 89,80 g 1,40g 3 88,39 g 89,99 g 1,60g 4 88,41 g 89,82 g 1,41 g 5 88,42 g 89,73 g 1,31 g Giá trị trung bình và sai số: M = 1,43g ± 0,08 g
Khối lượng đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực: M = 1,43.98% M = 1,42 (g)
I = 2 (A)
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ nhất (dòng I = 2A). Lần cân M = − 1 88,32 g 89,98 g 1,66 g 2 88,21 g 89,90 g 1,69 g 3 88,30 g 89,98 g 1,68 g 4 88,31 g 89,97 g 1,66 g 5 88,28 g 89,98 g 1,70 g Giá trị trung bình và sai số: M = 1,68 g ± 0,03 g
Khối lượng đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực: M = 1,68 . 98% M = 1,67 (g)
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ hai Lần cân M = − 1 88,32 g 89,43 g 1,11g 2 88,41 g 89,53 g 1,12g 3 88,40 g 89,53 g 1,13g 4 88,39 g 89,50 g 1,11g 5 88,41 g 89,53 g 1,12g
Giá trị trung bình và sai số: M = 1,120 g ± 0,006 g Khối lượng đồng nguyên chất giải phóng ra ở điện cực:
M =1,12.98% M = 1,1 (g)
Giá trị hằng số Fa- Ra –Đây : F = = . . .
. , = 104727 Kết quả và sai số : F = 104727 ± 0,01
Sai số vớihằng số thực nghiệm: 8,5 % (F lấy xấp xỉ 96500)
Nhận xét
- Đối với thí nghiệm điện phân với định luật Fa- Ra –Đây thứ nhất ta thấy khối lượng vật chất giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó. (m = k.q)
- Bộ thí nghiệm điện phân sử dụng với định luật Fa- Ra- Đây thứ hai. Kết quả thí nghiệm thu được cho phép ta nghiệm lại tính đúng đắn của biểu thức của định luật Fa- Ra- Đây trong trường hợp tổng quát.
3.4. Thí nghiệm ứng dụng hiện tượng điện phân mạ điện.
Mục đích thí nghiệm
- Đối với chương trình trung học phổ thông bộ thí nghiệm thể hiện một cách khái quát về mặt định tính ứng dụng của của hiện tượng điện phân trong công nghệ luyện kim, mạ điện.
- Hỗ trợ cho người học (học sinh) có thể nắm bắt một cách khái quát về quá trình mạ điện sơ cấp. Từ đó tạo dụng khả năng tư duy, liên hệ thực
tế cho đối tượng tiếp cận.(Mục V Bài 14 SGK Vật lí 11 cơ bản).
Bố trí thí nghiệm
- Chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm cần thiết, bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình (Hình 14.3 SGK vật lí 11 cơ bản). Chú ý đặt hai cực của bình điện phân vào rãnh song song với nhau.
- Trong thí nghiệm khảo sát ứng dụng của hiện tượng điện phân (mạ điện) có thể sử dụng một chiếc chìa khóa(hoặc một chiếc đinh sắt) thay cho vị trí điện cực đồng tại catot để học sinh có thể quan sát rõ hiện tượng xảy ra nên pha nồng độ dung dịch điện phân Cu 10% và dòng một chiều (DC) là 1,5 (A).
- Thí nghiệm có thể sử dụng thêm các chất xúc tác cho dung dịch điện phân như: chất ổn định độ PH, chất làm bóng, chống gai, chất chống phân cực anốt, chất tăng độ dẫn điện dung dịch, đó thường là các chất điện giải trơ. (các chất dẫn điện thường dùng là ( ,
, ,…).
- 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 để dòng điện chạy qua bình điện phân ổn định 2 (A) thì ngắt nguồn.
- Dung dịch được sử dụng trong thí nghiệm với anot là điện cực đồng là muối đồng sunfat (Cu ) với nồng độ 10%. Có thể tạo dung dịch
muối phức từ đồng sunfat và N để sản phẩm mạ điện được thể hiện rõ hơn.
Hình 12. Điện phân với dung dịch muối phức [Cu( ) ]( )
- Chú ý trong quá trình điện phân, 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.
- 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 3 ÷ 5 phút ngắt điện và đồng hồ bấm giây, kết thúc quá trình điện phân.
- Tháo catot ra khỏi bình điện phân, quan sát hiện tượng xảy ra với catot, trả lời câu hỏi hoàn thành yêu cầu bài thí nghiệm.
Kết quả thí nghiệm
- Khi đóng khóa K, kim điện kế bắt đầu dịch chuyển chứng tỏ trong mạch xuất hiện dòng điện một chiều.
- Sau 3 ÷ 5 phút ngắt khóa K. Tháo catot ra khỏi điện cực, quan sát sẽ thấy trên thân của catot (chiếc đinh sắt) xuất hiện một lớp mỏng vàng nâu. Đây chính hiện tượng mạ điện sơ cấp.
Hình 13. Thí nghiệm quá trình mạ điện
Hình 14. Hình ảnh vật mẫu trước và sau quá trình mạ điện
Nhận xét
- Qua thí nghiệm khảo sát ứng dụng của quá trình mạ điện ta thấy với điện cực catot (vật cần mạ) có tiết diện và kích thước càng nhỏ thì tốc độ quá