Ch ng 5: Dòng đ in trong ch tđ in phân 74

L IM U

5. Ch ng 5: Dòng đ in trong ch tđ in phân 74

5.1 S t o thành các ion trong dung d ch l ng v n

5.1.1 Hi n t ng đi n phân

Hình 5.1: kh o sát tính d n đi n c a n c c t và dung d ch NaCl

H2O

NaCl

Làm thí nghi m v i dung d ch H2SO4 trong bình đi n phân có hai đi n c c b ng platin ,anod là di n c c t i đó dịng đi n di vào ,catod là đi n c c t i đó dịng đi n đi ra .Thí nghi m cho th y có khí oxi bay ra t anod và khí hidro bay ra t catod v i dung d ch đ ng sunfat ( CuSO4 ), sau m t th i gian có m t l p đ ng m ng bám vào catod . Các hi n t ng đó đ c g i là hi n t ng đi n phân .Các dung d ch mu i ,axit ,baz g i là các ch t đi n phân các ch t nói trên khi nóng ch y c ng tr thành ch t đên phân

Hình 5.2: đi n phân dung d ch axit Sunphuric

A

H 2S O 4

5.1.2 S t o thành các ion trong dung d ch

T thí nghi m trên ta th y r ng ,m i phân t NaCl trong n oc đã b phân li thành hai ph n .Dung d ch NaCl d n đi n t t nên chúng ph i là nh ng ion t do .T đó

đi đ n k t lu n : ph n t NaCl trong dung d ch đã phân li thành các ion d ng natri và ion âm clo

5.1.2.1Thuy t đi n li c a Arrhénius (1859_1927)

Thuy t Arrhénius cho th y các phân t c a nhi u mu i, axit và baz khi hòa tan trong n c b phân li thành nh ng ion khác d u. Cá cphân t axit phân li thành li thành các ion d ng hiđro và ion âm g c axit, cá phân t baz thì phân li thành các ion d ng kim l ai và ion âm g c axit

5.1.2.2Các c s c a quan ni m hi n đ i v s đi n li

Trong m i phân t đ u có các electron tích đi n âm và các h t nhân tích đi n d ng d ng. Tùy thu c s phân b c a các đi n tích âm và đi n tích d ng mà có th x y ra 3 lo i liên k t sau :

Liên k t không c c: n u tâm c a các đi n tích d ng trùng v i tâm c a các đi n tích âm thì s phân b đi n tích c a tịan b phân t là đ u và phân t thu c l ai phân t khơng c c Hình 5.2: s phân c c c a phân t n c 104°,45 0,9684A O2- H+ H+ O

Liên k t có c c: n u tâm các đi n tích d ng và tâm các đi n tích âm c a toàn b phân t khơng trùng nhau thì ta có phân t có c c. Ví d nh phân t n c , tâm

đi n tích âm là ion oxi O-2, khơng trùng v i tâm c a đi n tích d ng c a hai ion hiđro

H+

Liên k t ion: tr ng h p tâm c a các đi n tính tách xa nhau phân t liên k t b ng l c t nh đi n gi a các ion trái d u. Liên k t ion có vai trị quan tr ng trong vi c t o thành dung d ch đi n phân

Liên k t ion đi n hình là các nguyên t kim lo i ki m liên k t v i ngun t nhóm halogen.

Li F Li+ F-

Hình 5.3: c u trúc đi n t c a các nguyên t Li, F và liên k t gi a các ion Li+, F- trong tinh th ion NaCl

Hình 5.5: phân t n c phân li phân t NaCl

+ O2- + + Na+ Cl- + + O2- - H+ H+

5.2 Dòng đi n trong ch t đi n phân – nh lu t Faraday

Khi khơng có đi n tr ng, các ion chuy n đ ng nhi t h n lo n, khơng có dịng

đi n đi n tích u tiên theo h ng nào và khơng có dịng đi n ch y trong dung d ch đi n phân

Khi đ t m t hi u đi n th vào hai đi n c c, trong vìng đi n phân có m t đi n tr ng, các ion ch u tác d ng c a l c đi n nên có thêm chuy n đ ng theo ph ng c a

đi n tr ng (ngòai chuy n đ ng nhi t h n lo n); các ion d ng (Na+) chuy n đ ng

theo chi u đi n tr ng v catod, còn nh ng ion âm (Cl-) chuy n đ ng ng c chi u đi n tr ng v anod . Chuy n đ ng có h ng c a ác ion t o ra dịng đi n trong bình đi n phân

Hình 5.4: chuy n đ ng nhi t h n lo n và chuy n đ ng có h ng

C l- N a + N a + C l- C l- C l- N a + N a + + A - A E

Dung d ch đi n phân c ng có đ c tính d n đi n nh kim lo i

B n ch t dòng đi n trong dung d ch đi n phân là dịng d ch chuy n có h ng c a các ion d ng theo chi u đi n tr ng và các ion âm ng c chi u đi n tr ng v hai đi n c c nhúng vào dung d ch đi n phân. Các ion có kh i l ng đáng k nên có s t i theo v t ch t. Nh ng ch t đi n phân tr ng thái hịa tan ho c nóng ch y đ c g i là v t d n l ai hai. Dòng đi n đi qua v t d n l ai hai luôn kèm theo ph n ng hóa h c

S d n đi n c a dung d ch ch t đi n phân th ng t ng v i s t ng nhi t đ

5.2.1 Ph n ng ph trong hi n t ng đi n phân

Khi các ion chuy n d i v các đi n c c đ t o thành dòng đi n trong dung d ch, chúng truy n đi n tích cho các đi n c c. Các ion âm đ n anod và nh ng electron, các ion d ng đ n anod và nh n electron đ tr thành các nguyên t hay phân t trung hịa bám đi n c c

Hình 5.5: ph n ng ph trong hi n t ng đi n phân A K Anion - - + + cation - -

Các ion c ng có th tham gia ph n ng hóa h c v i ch t dùng làm đi n c c hay v i dung môi dùng đ xu t hi n nh ng ch t m i đi n c c. Các ph n ng hóa h c này g i là các ph n ng ph hay ph n ng th c p.

5.2.2 D ng c c tan

Xét tr ng h p c th v các ph n ng ph x y ra khi ch t đi n phân là dung d ch đ ng sunfat (CuSO4) v i anơt b ng đ ng, cịn catod có th là m t kim l ai nào đó, ng i ta th y hi n t ng nh sau

Khi hịa tan CuSO4 vào dung mơi, trong dung d ch xu t hi n Cu2+ và SO42-. t vào hai đi n c c m t hi u đi n th , có dịng đi n ch y qua bình đi n phân, các ion Cu2+ chuy n v catod, thu hai êlectron t hai ngu n đi n đi t i tr thành nguyên t đ ng bám vào catod:

Cu2+ +2e- = Cu

anod, hai êlectron trong m ch chuy n v catod đ l i Cu2+ Cu Cu2+ +2e-

Các ion SO42- chuy n v anod, tác d ng v i Cu2+ t o thành m t phân t CuSO4 SO42- + Cu2+= CuSO4

Mu i đ ng sunfat v a t ot hành b tan ngay vào dung d ch. K t qu là anod b ng đ ng b hao d n đi. Cịn catod l i có đ ng bám thêm vào. Nh v y dịng đi n đó có tác d ng “ chuyên ch ” đ ng t anod sang catod. Vì v y, đ ng anod b tan d n

vào dung d ch, nên hi n t ng này g i là d ng c c tan. Hi n t ng d ng c c tan x y ra trong t t c các tr ng h p đi n phân dung d ch mu i kim l ai mà anod làm b ng chính kim l ai y

5.2.3 nh lu t Farađây

5.2.3.1 nh lu t I Faraday

Kh i l ng m c a ch t đ c gi i phóng ra đi n c c c a bình đi n phân t l v i đi n l ng Q đi qua dung d ch đi n phân

m = kQ

H s t l k đ c g i là đ ng l ng đi n hóa, ph thu c vào b n ch t c a ch t

đ c gi i phóng đi n c c. n v c a đ ng l ng đi n hóa là kg/C

Trong tr ng h p dòng đi n I đi qua ch t đi n phân là không đ i ta có : m = kIt

v i t là th i gia dòng đi n đi qua ch t đi n phân

Hình 5.6: ki m nghi m đnh l t I Farađay

nh lu t Faraday th nh t đ c ki m nghi m b ng thí nghi m sau: 3 bình đi n phân nh nhau ch a cùng m t ch t đi n phân. Bình 2 và 3 m c song song v i nhau và m c n i ti p v i bình 1. l ng đi n tích Q đi qua bình m t đ c chia đơi cho bình 2 và

bình 3 đ m i bình có l ng đi n tích 2 Q đi qua. K t qu là kh i l ng ch t thoát ra m i bình 2 và 3 đúng b ng n a kh i l ng thóat ra trong bình 1 5.2.3.2 nh lu t II Faraday

Michael Faraday nh n xét r ng, đ ng l ng đi n hóa k c a các ch t khác nhau ln t l thu n v i kh i l ng mol nguyên t A c a ch t thu đ c đi n c c và t l ngh ch v i hóa tr n c a ch t y. nh lu t II c a Faraday phát bi u nh sau:

ng l ng đi n hóa k c a m t nguyên t t l v i đ ng l ng gam A

n c a nguyên t đó H s t l c có có cùng m t tr s đ i v i các ch t. ng i ta th ng kí hi u 1 F c

 nên F c ng là m t h ng s đ i v i m i ch t, g i là s Faraday và có giá tr là 96500 C/mol khi m đo b ng gam

Hình 5.7: ki m nghi m đnh lu t II Farađây

ki m nghi m đnh lu t II Faraday, ng i ta m c n i ti p m t s bình đi n phân ch a các ch t đi n phân khác nhau. N u bình 1 có các đ i l ng A1, n1, và m1 là kh i l ng mol nguyên t , hóa tr và kh i l ng ch t thoát ra, các giá tr c a đ i l ng t ng ng bình 2 là A2, n2, m2. Theo đnh lu t Faraday ta có: 2 2 1 1 1 2 . m A n m  A n

N u c 1 F  thì m kQ 1.AQ F n   Hay m 1.AIt F n 

V i I là c ng đ dịng đên khơng đ i đi qua bình đi n phân tính b ng ampe, t là th i gian dòng đi n ch y qua bình tính b ng giây và m tính b ng gam

5.2.3.3gi i thích đnh lu t Faraday

nh lu t Faraday đ c gi i thích b ng thuy t đi n li và s d n đi n c a ch t

đi n phân. Gi s có N ion chuy n đ ng đ n đi n c c. N u kh i l ng c a m t ion là m0, khi N ion đó b trung hịa đi n c c kh i l ng c a ch t đ c gi i phóng là m = m0N. i n tích c a m i ion là q = ne trong đo e là đi n tích ngun t ,n là hóa tr c a nguyên t . Khi có N ion t i đi n c c thì đi n l ng đã chuy n qua ch đi n phân là

Q = Nne Thay vào bi u th c kh i l ng ch t đu c gi i phóng ta có: 0 0 m m m N Q ne  

ây chính là bi u th c c a đnh lu t I Farađây mà đ ng l ng đi n hóa c a m t ch t đ c xác đnh b ng t s kh i l ng m t ion v i đi n tích c a nó: 0 m k ne  M t khác kh i l ng mol c a ch t đ c gi i phóng điên c c là: A = NAm0

Trong đó, NA là s Avogadro nên đ ng l ng gam c a ch t đó là:

0 . A N m A n  n

0 1 .A m k F n ne   ó chính là bi u th c c a đ nh lu t II Faraday. T đó tìm đ c s Faraday: F = NAe Rút ra bi u th c tính giá tr c a đi n tích nguyên t : A F e N  7 19 26 9, 65.10 1, 602.10 6, 023.10 A F e C N    

V y các ion trong dung đi n phân mang đi n tích b ng s nguyên l n đi n tích nguyên t

5.3 Các ng d ng c a hi n t ng đi n phân:

5.3.1 Công ngh đi n phân đi u ch xút- clo- hiđro

NaCl là nguyên li u chính s n xu t ra xút, clo và hiđro b ng ph ng pháp đi n phân (NaCl có trong n c bi n và m mu i)

Mu i dùng làm nguyên li u s n xu t thì ph i có n ng đ mu i cao (NaCl > 97,5%), ít t p ch t (Ca2+< 0,4%; Mg2+< 0,05%, K+<0,002%, SO42-<0,84%)

Sau khi lo i b t p ch t nu c mu i đ c đ a sang công đ an đi n phân

5.3.2 Luy n kim

Ng i ta d a vào hi n t ng d ng c c tan đ tinh ch kim l ai. Mu n l y

đ ng s ch t qu ng có ch a nhi u t p ch t, qu ng đ ng đ c đúc thành các t m và dùng chúng làm anod trong bình đi n phân đ ng dung d ch đ ng sunphat. Khi đi n phân, có hi n t ng d ng c c tan do đó anod tan d n, đ ng nguyên ch t bám vào catod, còn t p ch t l ng xu ng đáy

i v i nhôm, ng i ta đi u ch tr c ti p b ng ph ng pháp đi n phân qu ng nhơm nóng ch y. Ngun li u đi u ch Al th ng là lo i qu ng bôxit ch a hàm l ng Al kho ng 50 – 60%. Nhi t đ nóng ch y c a nhơm oxit trên 20000C đ làm gi m nhi t đ nóng ch y xu ng ng i ta pha thêm vào qu ng m t l ng criôlit(Na3AlF6).

5.3.3 M đi n

M đi n là ph ng pháp đi n phân đ ph m t l p kim lo i, th ng là kim lo i không g nh Ni, Cr, Au, Ag… lên nh ng v t b ng kim l ai khác

Trong b m , v t c n m đ c g n vào catod, anod là kim lo i dùng đ m , ch t

đi n phân là dung d ch có mu i c a kim lo i dùng đ m , ch t đi n phân là dung d ch có mu i c a kim l ai dùng đ m . Trong công nghi p , các đ v t b ng kim lo i th ng đ c m niken đ ch ng g và t ng đ sáng bóng c a v t, dung d ch đi n phân

đ c dùng là NiSO4. m ngh th ng đ c m b c, mà dung d ch đi n phân là mu i AgNO3. V i các v t m có nhi u chi ti t ph c t p, trong quá trình đi n phân, catod th ng đ c quay đ kim lo i bám đ u trên v t c n m

5.3.4 úc đi n

đúc m t khn m u có các chi ti t địi h i đ chính xác cao, ng i ta dùng trên nguyên t c đúc đi n phân. Tr c tiên ng i ta làm khuôn c a m t v t đnh đúc b ng m t ch t d t o nh sáp ong hay khn nh a sau đó quét lên khuôn m t l p graphit m ng đ nó tr thành d n đi n. Khn này đu c dùng làm catod, cịn anod làm b ng kim lo i

Mà ta mu n đúc và dung d ch đi n phân là mu i c a kim lo i đó . Khi đ t m t hi u đi n th vào hai c c, kim l ai đ c gi i phóng t o thành m t l p trên khuôn đúc. Chi u dày c a l p kim lo i ph thu c vào th i gian đi n phân. úc đi n là ph ng pháp chính xác, do đó các khn đa hát, các b n in th ng đu c ch t o b ng ph ng pháp này

5.4 HI N T NG I N HÓA – CÁC NGU N PIN

5.4.1 Hi n t ng đi n hóa

Kim lo i có m t đi n th xác đnh so v i dung d ch đi n phân, đi n th này

đ c g i là th đi n hóa

Th đi n hóa ph thu c vào b n ch t kim lo i và n ng đ c a ch t đi n phân.

Hình 5.8: th đi n hóa ZnSO4 Zn